無線傳感器網(wǎng)絡WSN(Wireless Sensor Network)[1]是將大量微型傳感器節(jié)點隨機部署在目標區(qū)域，以自組織方式形成的網(wǎng)絡，其目的是讓這些節(jié)點協(xié)作地采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域的信息，并傳遞給控制管理中心。WSN將現(xiàn)代通信技術、微型傳感器技術和網(wǎng)絡技術有機融為一體，在軍事、醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、智能交通等許多領域有極高的應用價值和廣闊的應用前景。由于受到節(jié)點能耗的限制，如何在近乎苛刻的能源條件下延長網(wǎng)絡生命成為WSN首要考慮的問題。

1 LEACH協(xié)議簡介
    LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)[2]是一種低功耗自適應分層路由協(xié)議。該協(xié)議中網(wǎng)絡運行時間按“輪”計量，每輪循環(huán)分為簇的建立和數(shù)據(jù)通信兩個階段。網(wǎng)絡節(jié)點動態(tài)成簇，簇頭負責收集、融合成員節(jié)點采集的數(shù)據(jù)，并將融合后的數(shù)據(jù)直接發(fā)送給基站。LEACH協(xié)議一方面能夠保證各節(jié)點等概率地擔任簇頭，使得網(wǎng)絡能量分布相對均衡；另一方面運用TDMA的MAC層機制來減少簇內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)送沖突，降低了能耗。但該協(xié)議仍存在以下幾點不足：(1)簇頭的選擇未考慮節(jié)點的距離和剩余能量因素，易導致簇頭分布不均或能量低的節(jié)點當選簇頭；(2)該協(xié)議提到了數(shù)據(jù)融合的概念，但并未給出具體的算法； (3)簇頭與基站采用一跳通信模式，如果某個簇頭距離基站較遠，能耗會大幅增加，影響網(wǎng)絡性能。
    參考文獻[3]針對突發(fā)事件監(jiān)測網(wǎng)絡利用蟻群算法構建數(shù)據(jù)收集鏈路，參考文獻[4]提出了基于區(qū)域的簇頭選擇和采用貪婪算法構建簇間鏈式路由的多跳數(shù)據(jù)傳輸方法。以上兩種方法節(jié)能效果都很顯著，但單簇頭使得網(wǎng)絡的魯棒性較差。參考文獻[5]提出了基于自適應數(shù)據(jù)融合的路由協(xié)議，延長了網(wǎng)絡時間，但未考慮到簇頭的選擇及其路由方式。
    針對LEACH協(xié)議的不足，綜合考慮簇頭的選擇、數(shù)據(jù)融合方法以及簇頭與基站的通信方式三個方面，提出了改進算法LEACH-E。
2 改進的數(shù)據(jù)收集和融合算法
2.1模型假設
    本文對網(wǎng)絡模型作如下假設：(1)基站固定;(2)所有節(jié)點同構，能量有限，具有定位功能以及數(shù)據(jù)融合能力;(3)節(jié)點可調節(jié)功率大小與基站點通信; (4)節(jié)點能量消耗采用一階無線電模式[6]。

    由于蟻群算法是一種啟發(fā)式算法，下一跳節(jié)點的選擇有一定的隨機性，因此不能保證每次都能找到最短路徑，這樣可能會增加傳輸延遲和節(jié)點能耗，但同時也避免了一定時間內(nèi)總是沿著唯一一條最短路徑進行通信，進而導致該路徑上的簇頭承擔了太多的發(fā)送任務而過早死亡的情況出現(xiàn)。
3 仿真實驗與分析
    本文運用MATLAB7.0進行仿真，分別從簇頭向基站發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)目、節(jié)點的平均能耗和網(wǎng)絡存活節(jié)點個數(shù)三個方面來比較改進前后算法的性能。
    在100 m×100 m的區(qū)域內(nèi)隨機分布100個節(jié)點，基站位于(50,175)。具體參數(shù)設置如表1。
    圖1是簇頭發(fā)送給基站的數(shù)據(jù)包數(shù)目。當簇頭基于主成分分析法對數(shù)據(jù)融合之后，原本每個簇頭要發(fā)送M×N個數(shù)據(jù)，如今只需傳送(M×p+N×p+2N)個數(shù)據(jù)，從而大幅地減少了數(shù)據(jù)通信量，緩解了網(wǎng)絡擁塞。圖2直觀地表明LEACH-E算法能有效減少節(jié)點的平均能耗。圖3是網(wǎng)絡存活節(jié)點個數(shù)隨輪數(shù)的變化情況。LEACH中網(wǎng)絡運行至第449輪時第一個節(jié)點死亡，當LEACH-E在560輪時才出現(xiàn)死亡節(jié)點，前者在518輪時半數(shù)節(jié)點死亡，而后者在599輪時50%節(jié)點死亡，可見改進后的算法能將網(wǎng)絡周期延長15%左右。這正是由于LEACH-E充分考慮了簇頭的位置分布、剩余能量、通信方式等因素，使網(wǎng)絡能量被均勻分擔到每個節(jié)點上，避免了部分節(jié)點負載重而過早失效，從而有效延長了網(wǎng)絡的生存時間。

    本文基于LEACH協(xié)議，針對簇頭的選擇、數(shù)據(jù)融合算法以及簇頭到基站的通信方式做了一系列優(yōu)化。實驗結果表明,該算法相比于LEACH協(xié)議能有效地節(jié)省節(jié)點能耗，保證網(wǎng)絡負載均勻，延長網(wǎng)絡生命。但本文未考慮數(shù)據(jù)融合帶來的延遲問題，因此如何平衡數(shù)據(jù)融合的時效性是進一步探索和研究的方向。
參考文獻
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