無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的LEACH算法分析與設(shè)計(jì)
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1．5 根據(jù)LEACH實(shí)時(shí)性不強(qiáng)而改進(jìn)
根據(jù)LEACH算法實(shí)時(shí)性不強(qiáng)的問題，Manjeshwar A等人提出了TEEN算法，TEEN算法與LEACH算法較大的不同點(diǎn)是，在簇首節(jié)點(diǎn)的選舉過程中，協(xié)議設(shè)置了兩個閾值，分別為硬閾值、軟閾值兩個參數(shù)。硬閾值是被檢測數(shù)據(jù)不能超過的數(shù)值，而且軟閾值決定了被測數(shù)據(jù)的波動范圍。只有當(dāng)被監(jiān)測數(shù)據(jù)超過硬閾值且被監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化幅度大于軟閾值時(shí)，節(jié)點(diǎn)才會傳送最新的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并設(shè)置為新的硬閾值。相對于LEACH算法，TEEN算法能夠較大地減少節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)傳送的次數(shù)，從而有效減少了整個網(wǎng)絡(luò)的功耗，延長了整個網(wǎng)絡(luò)的壽命。APTEEN算法則結(jié)合了LEACH與TEEN兩種算法，是一種主動型與響應(yīng)型混合的數(shù)據(jù)傳輸模式。但網(wǎng)絡(luò)中有突發(fā)事件時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸模式將會采用與TEEN相同的模式(響應(yīng)型模式)，只不過AFTEEN算法多了一個計(jì)數(shù)器，節(jié)點(diǎn)每傳送一次數(shù)據(jù)，對應(yīng)的計(jì)數(shù)器將清零。當(dāng)計(jì)數(shù)器的時(shí)間到達(dá)的時(shí)候，將采取主動發(fā)送這個數(shù)據(jù)，不再判斷軟、硬門限值。
1．6 根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布密度不均而改進(jìn)
在LEACH算法中并未考慮節(jié)點(diǎn)分布密度對網(wǎng)絡(luò)的影響，在分布密度大的區(qū)域，相對簇首節(jié)點(diǎn)的負(fù)擔(dān)也較重，能量也容易耗盡，因此應(yīng)該增加該區(qū)域簇首節(jié)點(diǎn)的個數(shù)。參考文獻(xiàn)中根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)中周圍節(jié)點(diǎn)存活個數(shù)不同，來改變該區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)成為簇首節(jié)點(diǎn)的概率。為了在節(jié)點(diǎn)密集區(qū)域增加簇頭的個數(shù)，只需要增大對應(yīng)節(jié)點(diǎn)成為簇頭的概率，對于節(jié)點(diǎn)稀疏區(qū)域則降低其中節(jié)點(diǎn)成為簇頭的概率即可。因此將簇頭選舉的閾值修改為：
式(7)中Neighbor(n)_alive與Network_alive分別表示表示節(jié)點(diǎn)n鄰居集中以及整個網(wǎng)絡(luò)中存活節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，1／p表示平均每簇中節(jié)點(diǎn)的個數(shù)，從式(7)可以看出當(dāng)節(jié)點(diǎn)周圍存活個數(shù)大于平均值時(shí)，該區(qū)域節(jié)點(diǎn)成為簇首節(jié)點(diǎn)的概率將增大，反之則降低。
1．7 根據(jù)大規(guī)模多跳網(wǎng)絡(luò)而改進(jìn)
根據(jù)LEACH算法跳距的局限性，在LEACH算法中，整個網(wǎng)絡(luò)最大跳距為兩跳，這樣就會導(dǎo)致遠(yuǎn)離基站的簇首節(jié)點(diǎn)，能量消耗太大而過早死亡，影響到整個網(wǎng)絡(luò)的性能，Siva D．Muruganathan等人提出了BCDCP多跳分簇算法，簇首節(jié)點(diǎn)的選擇由基站來控制，基站首先將每個節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前能量取平均，只有大于平均值的節(jié)點(diǎn)才有機(jī)會成為簇首節(jié)點(diǎn)，這樣就避開了低能量節(jié)點(diǎn)成為簇首節(jié)點(diǎn)的可能。當(dāng)簇首節(jié)點(diǎn)與基站的距離超過一定時(shí)，不直接與基站通信，而是借助其他簇首節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)到基站，選擇其他簇首節(jié)點(diǎn)是采用的是最小生成樹算法，這樣就減輕了遠(yuǎn)離基站簇首節(jié)點(diǎn)的負(fù)擔(dān)，也擴(kuò)展了整個網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模。
1．8 節(jié)點(diǎn)能量傳輸模型與最優(yōu)簇首節(jié)點(diǎn)概率
大部分作者都把節(jié)點(diǎn)傳輸模型采用公式(8)與(9)，式中k為傳輸信息的比特?cái)?shù)，d為節(jié)點(diǎn)之間距離。εfs為自由空間傳送方式下的功率放大參數(shù)。式(8)為節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)所消耗的能量，式(9)是發(fā)送數(shù)據(jù)所消耗的能量，因本文針對的是小規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，所以采用的是自由空間模型。
因?yàn)椴煌?guī)模的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)密度的不同，最優(yōu)簇首個數(shù)也不相同，采用參考文獻(xiàn)提出的最優(yōu)簇首個數(shù)公式(10)，采用的是自由空間模型。
2 分簇路由算法設(shè)計(jì)
2．1 算法設(shè)計(jì)
本文主要針對一些特定的環(huán)境下，對經(jīng)典的LEACH算法進(jìn)行改進(jìn)。目前關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測距技術(shù)，普遍采用信號強(qiáng)度與信號差往返時(shí)間來測距兩種方法。前者在理論上較難實(shí)現(xiàn)，一般很難在現(xiàn)實(shí)中使用。而后者理論簡單，但由于硬件成本的限制，只能采用一般的時(shí)鐘晶振，這時(shí)就對節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間同步提出了較高的要求。而目前傳統(tǒng)的時(shí)間同步算法都會隨著跳數(shù)的增加，誤差越變越大，而在小規(guī)模測距定位系統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn)之間無需傳輸大量的數(shù)據(jù)，因此簇首節(jié)點(diǎn)無需進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)融合，因此本文設(shè)計(jì)的初衷是減少傳輸跳數(shù)、延長整個網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。因此對傳統(tǒng)的LEACH算法作以下改進(jìn)。能量傳輸模型采用式(8)與式(9)，網(wǎng)絡(luò)中最優(yōu)簇首個數(shù)比例采用式(10)，規(guī)定閾值T(n)采用式(6)。
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