摘  要： 針對計算無線傳感器網絡的LEACH路由協議最優簇頭數時，只考慮了穩定傳輸階段的能量損耗，而忽略了建立階段的能量損耗，從而導致節點加快死亡、網絡能量利用率低的問題，提出了一種改進的最優簇頭數計算方法。該方法根據所有節點在一輪消耗的總能量，從能量消耗最小的角度推算出了最佳的簇頭數范圍，通過控制簇頭的數量來改善網絡的性能。MATLAB仿真結果表明，該方法均衡了網絡中的能量消耗，延長了網絡的壽命。
關鍵詞： 無線傳感器網絡；LEACH路由協議；能量消耗；最優簇頭數

　無線傳感器網絡是由大量傳感器節點以自組織的方式構成的無線網絡，其目的是協作地感知、采集和處理區域中感知對象的信息，并發布給觀察者[1]。由于傳感器節點的計算、通信能力及能量都十分有限，因此，如何有效地使用能量均衡能量的消耗并延長網絡生存時間成為無線傳感器網絡研究的重點之一[2]。
　本文研究了低功耗自適應集群分層型路由協議LEACH。在簇頭數選取時，如果簇頭數過多，簇頭要與遠距離的基站通信，其消耗的能量將遠遠大于其他的成員節點，同時采集到的數據有冗余，浪費了較多的能量。如果簇頭數太少，也就失去了LEACH協議分層的意義，同時簇頭節點接收的信息量大，會增加簇頭的工作量，導致簇頭節點能量過快地消耗完而死亡[3]。因此，簇頭數量的多少直接影響網絡的能量消耗，選擇一個合適的簇頭數能夠使網絡的能量消耗平均到每一個節點，延長網絡的壽命。
　參考文獻[4]針對最優簇頭數的計算進行了研究，但是其只考慮了穩定傳輸階段的能量消耗，而沒有考慮建立階段節點的能量消耗，本文在其基礎上進行改進。本文方法能夠在每輪選擇一個合適的簇頭數，均衡整個網絡的能量消耗，達到延長網絡使用時間的目的。
1 LEACH路由協議
　LEACH是由MIT的HEINZELMAN等人提出的分簇路由協議， 使用循環的簇頭輪換技術使得每個傳感器節點都能成為簇頭，這樣整個網絡的能量消耗分布相對均衡，從而延長了網絡的生存周期[5]。此外，簇頭節點能夠對簇內節點的信息進行融合。由于數據通信消耗的能量遠遠大于數據計算所消耗的能量，因此可以有效地節約能量。與一般的平面多跳路由協議和靜態分簇協議相比，LEACH協議可以將網絡生命周期延長15%[6]。
　LEACH協議被分為很多輪，每一輪包括建立階段和穩定傳輸階段，為了減少網絡的開銷，穩定傳輸階段的時間比建立階段要長。在建立階段，每個傳感器節點產生一個0~1之間的隨機數，如果這個數小于閾值T（n），則該節點被選為簇頭節點，向其他節點發布自己是簇首的消息。T（n）[7]的計算公式為：


3.2 穩定傳輸階段的能量消耗
    在簇穩定傳輸階段，簇頭節點接收非簇頭節點發送的消息，消耗的能量為l×Ｅelec×（N/K-1），將簇中所有的節點數據融合，消耗的能量為l×ＥDA×N/K，簇頭節點到基站的距離用dtoBs表示，則數據發送到基站消耗的能量為ｌ×Ｅelec+ｌ×εmp×d4toBs，因此簇穩定傳輸階段每個簇頭節點消耗的能量為：


圓點，表示是普通的成員節點，然后每一輪都會隨著簇頭節點數的設定隨機選取相應個數的節點由空心圓點變為實心圓點，表示被當選為簇頭節點。隨著運行輪數的增大，會出現五角星形狀的節點，這是因為該節點的初始能量已經全部耗完，表示節點死亡。

　由網絡區域可知，M的值為100，因為每一輪都要選取新的簇頭節點，所以簇頭節點到基站的距離dtoBs是不斷變化的。基站的位置為（50，150），當簇頭在（0，0）位置時，dtoBs值最大，約為160 m；當簇頭在（0，100）時，dtoBs值最小，為50 m。由此可以得到簇頭節點到基站距離的范圍為50≤dtoBs≤160，將其范圍代入式（13），可以求得2≤K≤5。
　將最優簇頭數除以總的節點數量100，即可得到式（1）的每輪選舉的概率p，p的最優值為0.2~0.5，將p的值不斷更改，比較網絡第一個死亡節點出現的輪數和網絡所有節點死亡時的輪數，如圖4所示。其中，虛線代表第一個節點死亡時的輪數，實線代表全部節點死亡時的輪數。從圖4可以看出，當簇頭數在2~5之間時，網絡第一個節點和全部節點死亡時的輪數較多，說明網絡具有更長的壽命。因為最后網絡所有節點都死亡，所消耗的總能量都一樣，為每個節點所擁有的初始能量乘以節點總個數，所以運行輪數多的每一輪平均消耗的能量就少，證明了通過最優簇頭數達到均衡網絡能量消耗的目的。
　在LEACH路由協議中，簇頭數是影響無線傳感器網絡能量消耗的一個重要因素。在對LEACH路由協議工作原理分析的基礎上，根據一階無線通信模式能量消耗模型，提出了計算最優簇頭數范圍的方法。仿真實驗結果表明，該方法能夠減少每一輪的平均能量消耗，延長無線傳感器網絡的壽命。
參考文獻
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