摘要：针对军事无线传感器网络节点部署区域的特殊性及节点易遭破坏的特点，提出了基于LEACH协议的军事无线传感器网络簇头多跳算法（LEACH-HOP）。模拟仿真证明，LEACH-HOP与LEACH相比具有更好的性能，可以有效延长网络生存时间。

　　关键词：无线传感器网络；LEACH协议；簇头多跳

　　中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044（2011）17-4059-03

　　Researchs on Military WSN Routing Protocols

　　SHEN Qi-cong, DENG Bai-quan

　　（Wuhan Communication Command Academy, Wuhan 430010, China）

　　Abstract: In connection with the specialty of the nodes deployment area of the military wireless sensor network and the feature of easily damaged nodes，based on LEACH protocol, this paper proposes a new Clustering Algorithm based on cluster head multi-hops （LEACH-HOP） for militaril WSN. he simulation results show that LEACH-HOP out performs LEACH significantly，and prolongs the network lifetime efficiently.

　　Key words: wireless sensor networks; LEACH protocol; cluster head multi-hops

　　随着2005年国际电信联盟（ITU）发布《ITU互联网报告2005：物联网》报告，正式标志世界范围物联网时代的到来，美国、欧盟、日本等发达国家已纷纷将其纳入其国家顶层战略计划。鉴于物联网技术在战场感知、智能控制、精确作战、保障等军事领域的巨大应用前景，军事物联网日益受到了世界各国军方极大的关注。无线传感器网络（WSN，Wireless Sensor Network）作为军事物联网的重要组成部分，在军事上的应用越来越受到重视，有关军事无线传感器网络的研究方兴未艾，已成为军事技术新的制高点。美国总统办公厅的国家信息技术研究与发展综合办公室主任大卫·纳尔逊曾说过：无线传感器网络技术，预示着为战场上带来新的电子眼和电子耳，“能够在未来几十年内变革战场环境” [1]。

　　无线传感器网络（wireless sensor network，WSN）是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成、通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络系统。无线传感器网络节点的能量来源比较单一，通常使用电池供电。因此，其有效工作时间一般较短，从几小时、几天到十几天不等。REMBASS（远程战场监视传感器）系统的节点可以工作30天，这几乎是最长的。在某些场合，能耗已成为制约传感器网络应用的瓶颈，比如，对战场或敏感地域进行长期监视时，更换电池显然是不现实的，重复部署不但代价大，而且容易被对方发现 。因此，如何有效地对军事无线传感器网络节点进行动态管理，设计或优化低节点能耗的WSN路由协议，是军事无线传感器网络发展和应用的研究热点。本文主要针对无线传感网络层次路由协议的典型代表——LEACH算法进行分析和研究。

　　1 LEACH算法

　　LEACH[2]（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）算法建立在所有节点都是平等且无线电信号在各个方向上能耗相同的假设上。在LEACH算法中，节点自组织成不同的簇，每个簇只有一个簇头。所有非簇头节点将自己的数据发给所属簇的簇头节点，为减少冗余数据的传输，簇头节点在数据融合后将数据发送给远方的接收器。这样，每个非簇头节点都只需要知道自己所属簇的簇头信息即可；簇头也只需要维持很小的路由表。在实际使用中，还可以根据需要建立更多层次。在LEACH算法中，为了避免簇头能量消耗过快，每个节点须轮流担任簇头。因此，LEACH算法的实现分成一轮轮循环，每轮循环又可分成簇形成阶段和簇稳定阶段。为了减少分簇带来的额外能耗，簇稳定阶段远远长于簇形成阶段。在簇形成阶段，每个传感器节点先生成0～1之间的随机数，如果生成的随机数小于阀值，那么这个节点就被选为簇头。阀值的大小由式（1）确定：

　　（1）

　　其中，P是网络中簇头所占比例，r是目前进行的回合次，G是在最后1/P轮中没有成为簇头的节点集合。节点被选为簇头后，就向外发送广播信息；其他节点根据收到的广播信息的信号大小决定要加入的簇，并向簇头发送加入簇的请求。簇头收到请求后将节点加入自己的路由表并为每个节点设定一个TDMA时间表，再将该表发送给所有簇内节点。此后的簇稳定阶段，节点按照该表进行数据传输。每隔一定时间整个网络重新进入簇形成阶段开始新一轮的簇头选举过程[3-4]。

　　LEACH协议中，能量消耗模型如图1所示。

　　由文献[5]的能耗表达式，传感器节点发出大小为k bit的信息所消耗的能量为

　　（2）

　　传感器节点接收k bit的信息所消耗的能量为

　　Ereceive（k）=k*Eelec（3）

　　其中，Esend（k,d）表示发送端的能量消耗，Ereceive（k） 表示接收端的能量消耗，Eelec表示发射电路消耗的能量，εfs和εfmp为放大器的系数，d0为临界距离，且

　　（4）

　　式（2）说明信号传输距离越短，能量消耗越少。

　　2改进的LEACH-HOP算法

　　2.1 改进的簇头选举算法

　　由于军事无线传感器网络节点容易受火力摧毁或其他因素破坏，随时可能出现节点死亡的现象，造成总节点数量的减少，而节点总数的改变将导致式（1）中的参数P也随时会变，这也就会出现不同轮数，如果按照LEACH协议固定选取簇头个数的原则，必然不合理，必须寻找新的解决方法。

　　根据文献[5]，可得最佳簇头数为

　　（5）

　　式中，kopt为理想的最佳簇头数量，N为节点总数，M为节点分布区域的边长，dbs为节点到基站BS的距离。在每轮选取簇头之前，计算出最佳簇头数量。

　　由于在LEACH中，簇头的选举过程没有考虑到节点的剩余能量，这使得选出的簇头可能不是最佳簇头。尽管节点轮流当选为簇头，但它并不适合在网络初始化时节点所储存的能量不相等的场合，文献[1]考虑到这个问题，提出调整簇头门阀值T（n）的计算方法，该文采用文献[6]里提出的新簇头选择的阀值：

　　（6）

　　式中，En_residual表示节点当前剩余的能量，而En_intitial表示节点的最初能量，这样做的目的是为了让当前能量较高的节点成为簇头的概率增大，因此，能有效改善网络的健壮性，使得簇头的选取更为合理。

　　2.2 改进簇建立过程

　　在选举出簇头后，非簇头节点根据接收到簇头发送的信号强弱，选择信号最强的簇头，加入到该簇。针对军事无线传感器网络节点易被攻击摧毁的特点，在簇建立后，通过式（6）选举出簇成员中，能量最大的节点作为候选簇选举首。当簇首遭到破坏时，候选簇首能够及时成为簇首，有效维持该簇正常工作，从而保证网络正常运行。

　　2.3 簇头多跳路由方式

　　军事无线传感器网络节点通常通过飞机播撒部署在无人防区进行情报监测，或者部署在敌区。为了防止被敌方发现，提高隐蔽效果，基站的位置一般选择建立在离节点较远的位置。LEACH协议中，簇头节点和基站之间采用单跳传输，对于单跳路径选择模式，簇头节点离基站很远就会使簇头消耗很大的能量，导致簇头节点过早的死亡。针对军事无线传感器网络的特殊性，减少簇头节点的负载，应该选择基于LEACH协议的簇头多跳算法LEACH-HOP。

　　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表，通过路由方式把簇头数据多跳转发至基站。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表。这样，距离基站较远的簇头节点，通过多跳路由的方式将数据传送到基站，从而减少了能量的消耗。

　　3 模拟仿真及结果分析

　　3.1 实验环境及参数

　　使用OMNET作为实验平台来考察验证算法的性能。模拟实现了LEACH协议和改进算法并进行性能比较。由于仿真环境下，很难真实模拟出节点随机被破坏的特点，只能使用人为的方式在固定时间手动使某些节点停止工作。仿真设置：0.5 J，100 m×100 m，Eelec=50 nJ/bit，εfs=10 pJ（/bit*m2），εmp=0.001 3 pJ/（bit*m2），D0/d0=80 m，基站位置为（50，150），数据包大小等于1 000 bit。

　　3.2 实验结果与分析

　　由仿真数据绘成曲线，如图2所示， LECAH-HOP算法中第一节点的死亡时间比LEACH协议第一个节点死亡时间延迟了25%左右；在1000s时，两算法节点同时遭到破坏；LEACH-HOP协议全部节点的死亡时间比LEACH协议延迟了大约20%，即执行LEACH-HOP算法的网络生存时间比执行LEACH协议的网络生存时间延长了20%。实验表明，改进算法可以降低传感器节点的通信能耗，从而有效地延长网络的生存时间。

　　4 结论

　　针对军事无线传感器网络中节点易受摧毁特点，在LEACH协议的基础上提出了基于剩余能量的军事无线传感器网络节能分簇算法，并选举候选簇首。改进的分簇算法中，选举剩余能量最大的节点优先担任簇首，有利于减小节点能量的同步消耗，从而有效地延长了整个网络的生命期。成簇阶段选举出的候选簇首，能有解决簇首遭受破坏时，及时维护网络正常工作。针对军事无线传感器网络中，节点撒布在敌方特殊环境，基站设置在距离节点较远地域，提出基于LEACH协议的簇头多跳算法LEACH-HOP。模拟实验表明，LEACH-HOP算法与LEACH相比具有更好的性能，优化后的簇首选择机制和簇结构，可以有效延长网络生存时间。

　　参考文献：

　　[1] 刘萍。美军无线传感器网络发展与应用研究[M].北京：军事谊友出版社，2010.

　　[2] S.Singh,M.Woo, and C. Raghavendra. Power-Aware Routing in Mobile Ad Hoc Networks [C].Proceedings of the Fourth Annual ACM/IEEE International Conference on Mobile Computing and Networking （MobiCom '98），Oct.1998.

　　[3] 杨冕，秦前清。基于无线传感器网络的路由协议[J].计算机工程与应用，2004,40（32）：130-131.

　　[4] 黄少昱，曹阳，王悦伟。无线传感器网络中的路由技术[J].计算机工程与应用，2004,40（19）：123-126.

　　[5] Heinzelman W B. An application-specific protocol architectures for wireless networks[D].Boston：Massachusetts Institute of Technology,2002.

　　[6] Handy M J，Timmerrnann M D. Low energy adaptive clustering hierarchy with deterministic cluster-head selection[C]//Proc of the 4th IEEE Conf on Mobile and Wireless Communications Networks.Stockholm:IEEE Communications Society,2002:368-372.