摘 要：针对计算无线传感器网络的LEACH路由协议最优簇头数时，只考虑了稳定传输阶段的能量损耗，而忽略了建立阶段的能量损耗，从而导致节点加快死亡、网络能量利用率低的问题，提出了一种改进的最优簇头数计算方法。该方法根据所有节点在一轮消耗的总能量，从能量消耗最小的角度推算出了最佳的簇头数范围，通过控制簇头的数量来改善网络的性能。MATLAB仿真结果表明，该方法均衡了网络中的能量消耗，延长了网络的寿命。
关键词：无线传感器网络；LEACH路由协议；能量消耗；最优簇头数
无线传感器网络是由大量传感器节点以自组织的方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理区域中感知对象的信息，并发布给观察者[1]。由于传感器节点的计算、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长网络生存时间成为无线传感器网络研究的重点之一[2]。
本文研究了低功耗自适应集群分层型路由协议LEACH。在簇头数选取时，如果簇头数过多，簇头要与远距离的基站通信，其消耗的能量将远远大于其他的成员节点，同时采集到的数据有冗余，浪费了较多的能量。如果簇头数太少，也就失去了LEACH协议分层的意义，同时簇头节点接收的信息量大，会增加簇头的工作量，导致簇头节点能量过快地消耗完而死亡[3]。因此，簇头数量的多少直接影响网络的能量消耗，选择一个合适的簇头数能够使网络的能量消耗平均到每一个节点，延长网络的寿命。
参考文献[4]针对最优簇头数的计算进行了研究，但是其只考虑了稳定传输阶段的能量消耗，而没有考虑建立阶段节点的能量消耗，本文在其基础上进行改进。本文方法能够在每轮选择一个合适的簇头数，均衡整个网络的能量消耗，达到延长网络使用时间的目的。
1 LEACH路由协议
LEACH是由MIT的HEINZELMAN等人提出的分簇路由协议， 使用循环的簇头轮换技术使得每个传感器节点都能成为簇头，这样整个网络的能量消耗分布相对均衡，从而延长了网络的生存周期[5]。此外，簇头节点能够对簇内节点的信息进行融合。由于数据通信消耗的能量远远大于数据计算所消耗的能量，因此可以有效地节约能量。与一般的平面多跳路由协议和静态分簇协议相比，LEACH协议可以将网络生命周期延长15%[6]。
LEACH协议被分为很多轮，每一轮包括建立阶段和稳定传输阶段，为了减少网络的开销，稳定传输阶段的时间比建立阶段要长。在建立阶段，每个传感器节点产生一个0~1之间的随机数，如果这个数小于阈值T（n），则该节点被选为簇头节点，向其他节点发布自己是簇首的消息。T（n）[7]的计算公式为：
3.2 稳定传输阶段的能量消耗
在簇稳定传输阶段，簇头节点接收非簇头节点发送的消息，消耗的能量为l×Ｅelec×（N/K-1），将簇中所有的节点数据融合，消耗的能量为l×ＥDA×N/K，簇头节点到基站的距离用dtoBs表示，则数据发送到基站消耗的能量为ｌ×Ｅelec+ｌ×εmp×d4toBs，因此簇稳定传输阶段每个簇头节点消耗的能量为：
圆点，表示是普通的成员节点，然后每一轮都会随着簇头节点数的设定随机选取相应个数的节点由空心圆点变为实心圆点，表示被当选为簇头节点。随着运行轮数的增大，会出现五角星形状的节点，这是因为该节点的初始能量已经全部耗完，表示节点死亡。
由网络区域可知，M的值为100，因为每一轮都要选取新的簇头节点，所以簇头节点到基站的距离dtoBs是不断变化的。基站的位置为（50，150），当簇头在（0，0）位置时，dtoBs值最大，约为160 m；当簇头在（0，100）时，dtoBs值最小，为50 m。由此可以得到簇头节点到基站距离的范围为50≤dtoBs≤160，将其范围代入式（13），可以求得2≤K≤5。
将最优簇头数除以总的节点数量100，即可得到式（1）的每轮选举的概率p，p的最优值为0.2~0.5，将p的值不断更改，比较网络第一个死亡节点出现的轮数和网络所有节点死亡时的轮数，如图4所示。其中，虚线代表第一个节点死亡时的轮数，实线代表全部节点死亡时的轮数。从图4可以看出，当簇头数在2~5之间时，网络第一个节点和全部节点死亡时的轮数较多，说明网络具有更长的寿命。因为最后网络所有节点都死亡，所消耗的总能量都一样，为每个节点所拥有的初始能量乘以节点总个数，所以运行轮数多的每一轮平均消耗的能量就少，证明了通过最优簇头数达到均衡网络能量消耗的目的。
在LEACH路由协议中，簇头数是影响无线传感器网络能量消耗的一个重要因素。在对LEACH路由协议工作原理分析的基础上，根据一阶无线通信模式能量消耗模型，提出了计算最优簇头数范围的方法。仿真实验结果表明，该方法能够减少每一轮的平均能量消耗，延长无线传感器网络的寿命。
参考文献
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