无线传感器网络节点通过飞机播撒部署在人迹罕至的地方进行环境监测，或者部署在敌区。人们无法对节点进行电池更换。即使人类能进入的区域，对庞大数量的节点进行充电或者更换电池，也是一项非常艰巨的工作。无线传感器网络的节能问题成为研究无线传感器网络的热点。为了有效地对无线传感器网络节点进行管理，设计一种节能的路由协议迫在眉睫。
典型的自组网(Ad_hoc)网络的路由协议，没有充分考虑到无线传感器网络节点能量有限的特点，不再适用于无线传感网网络。国内外针对无线传感网网络的特点设计的路由协议分为平面路由协议和层次路由协议。其中典型的代表是层次路由协议中的LEACH协议。
1 LEACH算法
LEACH协议分为簇头建立阶段和数据传输阶段。在簇头建立阶段，每个节点在第r轮，产生一个随机数x,x∈[0,1]与阈值T(n)进行比较决定是否当选为簇头。如果x≤T(n)，该节点在当前轮被选举为簇头；否则，该节点在该轮为非簇头节点[1]。

其中，p为簇头数在所有节点当中占的百分比；G为在最近1/p轮没当选过簇头的节点集合；在1/p-1轮后，T(n)=1，所有在最近1/p轮中没有被当选过簇头的节点均被当选为簇头。当某一轮选举完后，被当选为簇头的节点以相同的能量采用载波侦听多路访问_介质访问控制CSMA_ MAC(Carrier Sense Multiple Access_Medium Access Control)协议的方式向周围节点广播。簇头建立起来后，非簇头节点根据感知到的信号强度决定要加入哪个簇。同时非簇头节点采用CSMA_MAC方式通知要加入的簇头。簇头节点采用时分多址TDMA(Time Division Multiple Access)的方式为簇内节点分配传输数据的时隙，避免簇内节点发送数据占用信道产生冲突。不同的簇采用码分多址CDMA(Code Division Multiple Access)，以便区分不同簇发送的数据，避免簇间干扰[1]。
LEACH协议采用“轮”的方式进行簇头选举，有利于负载均衡，延长了无线传感器网络的生命周期。LEACH协议仍然存在一些缺点需要改进:LEACH协议簇头选举时，由于选举的簇头是个随机过程，容易产生累积误差，造成选举簇头数目偏离期望的最佳值。由于簇头选举的随机性，对于大规模网络容易造成簇头在场景中分布位置不合理，部分区域过密，部分区域过稀和边缘分布，影响整个网络的生命。簇头节点和基站之间采用单跳传输，造成簇头节点能耗大，容易过早死亡。簇头选举时没有充分考虑到节点剩余能量和到基站的距离对均衡网络负载的影响[1]。
2 E-LEACH算法理论分析
2.1 改进簇头选举算法
LEACH协议中在一轮循环当中，每个节点按照概率分布充当1次簇头，N/k-1次非簇头。网络运行一段时间后，节点能量不再相等。按照LEACH协议簇头选举算法，较低能量节点和较高能量节点具有相同的概率当选为簇头。如果较低能量节点被当选为簇头，则能量很快耗尽，节点很快死亡，不利于整个网络的生存。改进算法考虑到剩余能量较高的节点具有较大概率成为簇头，有利于延长网络的生命周期。对阈值公式进行改进,如式(2)所示，其中Einit表示节点初始化能量，rs为该节点连续没有被选为簇头的轮数;Eres为该节点当前剩余能量。当节点能量低于本区域内节点平均能量时，该节点在本轮循环中不参加选举簇头。簇头建立阶段算法流程如图1所示[2]。

2.2 簇头节点多跳传输数据
当一轮选举结束且簇头接收到簇内成员数据后，簇头之间建立传输数据的路由树，通过路由方式把簇头数据多跳转发至基站[3]。当新的一轮簇头选举完成后，在开始发送数据到基站前，利用新当选的簇头节点更新路由树。在簇头节点给下一跳节点传输数据的同时，下一跳节点接收簇内成员的数据，会产生信道占用冲突。本方案中采用CSMA的方式解决数据冲突。
采用LEACH协议中引入的无线通信能量传播损耗模型,传输l bit数据到距离d处所消耗的能量如式(3)所示。接收l bit数据所需要的能量如式(4)所示[4，5]。

从以上分析可以看出，在以AB为直径的圆内的簇头节点作为中继节点有利于减少数据传输过程的能量损耗。在多径衰减模型当中，由于数据传输能量损耗正比于传播距离的四次方，采用中继更有利于节约传输数据能量。考虑到中继节点要进行数据转发和数据融合,会消耗一部分能量。频繁的中继转发会增加能量损耗，选取在如图2所示的虚线圆(虚线圆的半径R′=0.7R) 内的簇头节点作为中继节点。如果中继节点能量比较低，则会导致中继节点能量衰竭的现象，在簇头选举阶段，只有剩余能量大于平均能量的节点才能当选为簇头。簇头节点传输数据流程如图3所示。

3 仿真实验
本实验在Linux radhat9系统下安装的ns-allinone-2.27+MIT安装包中的LEACH协议进行修改得到E-LEACH，增加findnexthop子函数实现寻找最佳下一跳路由，每搜寻一次下一跳路由消耗能量 $opt(nn_)*1e-9J($opt(nn_)为仿真区域内节点数)；增加sendtoNextHop子函数，实现发送数据到下一跳节点；增加 recvNeighbore子函数，实现为邻居簇头中继数据。基站位置设置在(50,175),其他参数采用LEACH协议默认的值。NS2仿真得到的数据采用Matlab进行绘图分析。图4为LEACH协议和E-LEACH协议生命周期比较图。
从图4可以看出LEACH协议的第一节点死亡时间FND(First Node Dead)为410s,E-LEACH的FND为670 s， 相比之下E-LEACH提高率为63.41%。LEACH协议的半数节点死亡时间HND(Half Node Dead)为500 s, E-LEACH的HND为900 s， 相比之下E-LEACH提高率为80.00%。 LEACH协议的最后节点死亡时间LND(Last Node Dead)为551.7 s,E-LEACH的LND为1 040 s， 相比之下E-LEACH提高率为88.51%。图5为两种网络协议基站接收到的数据包和生存节点个数关系比较图，从图5可以看出，E-LEACH在发送50 000个数据包时，存活节点数为100，而LEACH协议在发送50 000个数据包时，节点全部死亡。结果说明在发送数据量和延长网络生命周期上E-LEACH明显优于LEACH，仿真结果与理论分析一致，验证了理论的正确性。

消耗单位能量到达基站的数据量越多，说明能量有效利用率越高。基站接收的数据量越多，监测的精度越高。图6为LEACH协议和E-LEACH协议基站接收的数据包总量比较图。在消耗200 J能量时， LEACH协议基站接收到46 730个数据包， E-LEACH协议基站接收到60 870个数据包，相比较E-LEACH提高率为30.25%。

基站在(50,100)位置的两种协议比较情况如表1、表2所示。

总结以上分析数据,在提高网络生命周期方面E-EACH方案在基站距离比较远的时候效果更明显些。基站在距离节点近时，转发数据和数据融合消耗能量占的比重比较大，通过中继起不到很好的节能效果，所以基站距离远时，多跳优势充分体现，仿真结果与理论分析是一致的。
本文改进了LEACH协议，簇间通信调度时间收发数据，不可避免存在部分数据冲突，仿真结果不是十分稳定。有效解决潜在的隐藏终端问题，避免数据冲突，将为进一步提高无线传感器网络的性能提供可能。
参考文献
[1] HEINZLMAN W B, CHANDRAKASAN A P, BALAKRIS-HNAN H. An application-specific protocol architecture for wireless microsensor networks[C]. Wireless Communications, IEEE Transactions on, 2002.10.1(4).
[2] SOREANU P, VOLKOVICH Z, BARZILY Z. Energy-efficient predictive jamming holes detection protocol for wireless sensor networks[C].The Second International Conference on Sensor Technologies and Applications, 2008.
[3] PRABHU A. Clustering with tree-based architecture:protocol to extend life time of sensor networks[D]. Southern Illinois University at Carbondale;Electrical and Computer Engineering.2007.
[4] FAN Yi Ming, YU Jian Jun. The communication protocol for wireless sensor network about LEACH[C]. International Conference on Computational Intelligence and Security Work shops, 2007.
[5] MARZIAH V. Energy efficient clustering and routing protocols for wireless sensor networks[D].San Jose State University.2005.