一种无线传感器网络分簇路由算法研究

　　随着微电子工艺和无线通信技术的飞速发展，无线传感器网络(WSN)的研究越来越受到人们的重视。传感器网络(sensor network)是由部署在观测环境附近的大量微型廉价低功耗传感器节点组成，通过无线通信方式组成一个多跳的无线网络系统。由于无线传感器网络通常部署在人无法接近或者高危险区域，且数量众多，这使得随时更换节点能量变得非常困难。在监测区域内传感器节点采集的相关信息，通常携带一次性电池且能量有限，在经过一段时间的数据采集后，无线传感器网络存在严重的能量约束问题。所以，传感器网络协议的首要设计目标就是要高效地使用传感器节点的能量，延长网络的存活时间。将传感器节点组织成簇的形式，以有效地减少能量消耗，许多能量高效的路由协议都是在簇结构的基础上进行设计的。

　　LEACH是一个典型的自适分簇协议，网络中节点通过随机方式自组织形成簇，在分配给的时隙向簇首发送数据，簇首对收到的数据融合后在每帧结束后直接与基站通信。节点轮流担任簇首，均衡了网络的能耗，但簇首在当选时，没有考虑节点的能量高低，若节点能量很低，仍要担当簇首时，会加速它死亡。另外，数据直接发送到基站，会使距基站较远的节点能耗很大，导致局部节点提前死亡，产生监控盲点。

　　由于LEACH算法没有考虑节点的剩余能量及与基站的距离等因素，很多文献提出了相应的改进算法，如EBAC胡是在LEACH协议的基础上，周期性地选用当前轮剩余能量最大的节点担任下一轮簇头。LEACH-D是基于LEACH的多跳路由算法。文献[6]提出了构建能量均衡簇群的方法，LEACH-L综合考虑了节点的位置和能量的多跳路由算法。

　　本文在LEACH协议的基础上，以降低簇头直接和基站远距离通信的能量损耗为首要目标，同时在二层簇头选择时综合考虑了节点的剩余能量和基站的距离．并且改进了簇头间的多跳路径，避免使用低能量的节点。通过Matlab仿真表明，该算法能进一步均衡簇头节点的能量消耗，延长网络的生命周期。

　　1 系统模型

　　N个传感器节点随机均匀分布在一个正方形区域内，周期性地收集周围环境信息，并且具有如下性质：

　　(1)所有传感器节点部署后不再移动，且都有1个惟一的标识ID；

　　(2)基站惟一，且位于离采集区域较远的一个固定位置；

　　(3)所有节点具有相似的能力(处理／通信)，都具备数据融合功能；

　　(4)若已知对方的发射功率，节点可以根据接收信号的强度计算出发送方离它的近似距离；

　　(5)节点的能量不能补充，节点的发射功率可控。

　　这里采用与文献[2]相同的无线通信模型：根据距离阈值d0，分别采用自由空间模型和多路衰减模型。发送方发送k比特的数据到距离为d的接收方所消耗的能量为：