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💥1 概述
无线传感器网络路由协议LEACH的研究与改进：LEACH、LEACH-C、TS-I-LEACH比较研究
摘要
无线传感器网络（Wireless Sensor Networks, WSNs）中，能量效率是核心考量因素。LEACH作为经典的分簇路由协议，通过随机选举簇首实现能量均衡，但存在选举不均等问题。LEACH-C和TS-I-LEACH作为改进版本，分别通过中心化控制和两级簇首结构优化能量消耗。本文详细比较了这三种协议的机制、优缺点及适用场景，为无线传感器网络路由协议的选择提供参考。
无线传感器网络（Wireless Sensor Networks, WSNs）是一种由大量传感器节点组成的网络系统，这些节点能够感知、收集并处理环境中的信息，然后通过无线信号的方式将信息发送给用户。在WSNs中，能量效率是一个非常重要的考量因素，因为传感器节点通常是由电池供电的，而且在大多数情况下，更换电池是不现实的。因此，如何延长网络的生命周期，提高能量效率，就成为了WSNs研究中的一个核心问题。
LEACH（Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy），LEACH-C（LEACH-Centralized），和TS-I-LEACH（Two-Level Hierarchy LEACH Improved）是三种旨在提高无线传感器网络能效的协议。它们都采用了层次化的方法来组织网络，通过不同的策略来降低能量消耗，从而延长网络的生命周期。
1. 引言
无线传感器网络由大量传感器节点组成，能够感知、收集并处理环境信息，通过无线信号发送给用户。由于传感器节点通常由电池供电，且更换电池不现实，因此如何延长网络生命周期、提高能量效率成为WSNs研究的核心问题。LEACH（Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy）作为一种典型的自组织、自适应层次型网络协议，通过随机选举簇首实现能量均衡。然而，LEACH的随机性可能导致簇首选举不均，影响网络整体能效。为此，研究者提出了LEACH-C和TS-I-LEACH等改进协议。
2. LEACH协议
2.1 机制
LEACH协议采用“轮次制”运行，每轮包括建立阶段和稳定阶段：
- 建立阶段：每个节点随机生成一个0到1之间的数，并与阈值T(n)比较。若小于T(n)，则成为簇首。簇首通过广播通知其他节点，非簇首节点根据信号强度加入最近簇首。
- 稳定阶段：簇首采用TDMA方式调度成员节点数据，执行数据融合后单跳传输至基站。
2.2 优点
- 自组织、自适应：无需中心控制节点，鲁棒性强。
- 能量均衡：通过簇首轮换避免单节点过早死亡。
2.3 缺点
- 簇首选举不均：随机性可能导致部分节点频繁成为簇首，能量耗尽快。
- 远距离通信能耗高：簇首单跳传输至基站，远距离通信能耗大。
3. LEACH-C协议
3.1 机制
LEACH-C是LEACH的改进版本，引入中心节点管理簇首选举：
- 初始化阶段：所有节点向中心节点（如Sink节点）发送能量信息。
- 簇首选择阶段：中心节点根据能量信息选择最佳簇首分布，分配簇首身份。
- 簇成员分配阶段：中心节点通知节点所属簇首，节点加入相应簇。
- 数据传输阶段：与LEACH相同，簇首融合数据后传输至基站。
3.2 优点
- 能量消耗均衡：中心化控制避免随机选举不均，提高能量均衡性。
- 延长网络寿命：通过优化簇首分布，减少能量浪费。
3.3 缺点
- 系统复杂性增加：依赖中心节点，需额外通信开销维护中心节点。
- 对基站依赖高：基站故障可能导致整个网络瘫痪。
4. TS-I-LEACH协议
4.1 机制
TS-I-LEACH进一步改进LEACH，采用两级簇首结构：
- 一级簇首选举：与LEACH类似，随机选举一级簇首。
- 二级簇首选举：一级簇首再选举二级簇首，形成两级簇首体系。
- 数据传输：簇内节点将数据发送至一级簇首，一级簇首融合后发送至二级簇首，二级簇首最终传输至基站。
4.2 优点
- 能量效率优化：两级簇首减少簇首与基站直接通信距离，降低能耗。
- 自组织与自适应结合：保持LEACH的自组织特性，同时优化能量消耗。
4.3 缺点
- 实现复杂度较高：需维护两级簇首结构，增加算法复杂度。
- 通信开销增加：两级簇首间通信可能带来额外能耗。
5. 三种协议比较
| 协议 | 簇首选举机制 | 能量均衡性 | 系统复杂性 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|
| LEACH | 随机选举 | 一般 | 低 | 小规模、同质化网络 |
| LEACH-C | 中心化控制 | 高 | 高 | 对能耗均衡要求高、可容忍复杂性的网络 |
| TS-I-LEACH | 两级簇首结构 | 高 | 中等 | 大规模、需长期运行的网络 |
6. 实验验证与仿真结果
通过Matlab仿真验证三种协议性能，结果显示：
- LEACH：简单有效，但远距离簇首能耗是近距离簇首的3-5倍，导致能量消耗不均衡。
- LEACH-C：能量消耗更均衡，网络寿命比LEACH延长约20%-30%。
- TS-I-LEACH：在大规模网络中，网络寿命比LEACH提升40%以上，能耗分布更均衡。
7. 未来研究方向
- 动态环境适应性：结合机器学习算法，优化能量感知路径选择。
- 跨层优化：集成物理层（如自适应功率控制）与应用层需求，提高能效。
- 安全性增强：在簇首选举中引入信任机制，防御恶意节点攻击。
8. 结论
LEACH、LEACH-C和TS-I-LEACH是三种旨在提高无线传感器网络能效的协议。LEACH简单有效，但存在簇首选举不均问题；LEACH-C通过中心化控制优化簇首选举，提高能量均衡性，但增加系统复杂性；TS-I-LEACH通过两级簇首结构进一步优化能量效率，适用于大规模网络。根据不同应用场景和需求，可选择最合适的协议部署无线传感器网络。
📚2 运行结果
部分代码：
IniEng=0.5;%0.5; % Initial Energy of Every Node
NetSize=200; % Network Size
NoOfNode=200; % Number of Node
NoOfRound=1500; % Number of Round
cluster_head_percentage=0.1;
[STATISTICS1,FD1,TD1,AD1]=leach(IniEng,NetSize,NoOfNode,NoOfRound,cluster_head_percentage);%% Leach
[STATISTICS2,FD2,TD2,AD2]=Leach_Centralized(IniEng,NetSize,NoOfNode,NoOfRound,cluster_head_percentage); %% Centralized Leach
[STATISTICS3,FD3,TD3,AD3]=TSILEACH(IniEng,NetSize,NoOfNode,NoOfRound,cluster_head_percentage); %% Improved Leach IICT, BUET
r=0:NoOfRound;
plot(r,STATISTICS1.DEAD,'k:',r,STATISTICS2.DEAD,'m-',r,STATISTICS3.DEAD,'r-.','LineWidth',2);
legend('LEACH','LEACH-C','TS-I-LEACH','Location','SouthEast');
xlabel('x(time)');
ylabel('No of Dead Nodes');
title('No of Allive Nodes Over Time');
figure
plot(r,STATISTICS1.ALLIVE,'k:',r,STATISTICS2.ALLIVE,'m-',r,STATISTICS3.ALLIVE,'r-.','LineWidth',2);
legend('LEACH','LEACH-C','TS-I-LEACH');
xlabel('x(time)');
ylabel('No of Allive Nodes');
title('No of Dead Nodes Over Time');
figure;
plot(r,STATISTICS1.PACKETS_TO_BS,'k:',r,STATISTICS2.PACKETS_TO_BS,'m-',r,STATISTICS3.PACKETS_TO_BS,'r-.','LineWidth',2);
legend('LEACH','LEACH-C','TS-I-LEACH','Location','SouthEast');
xlabel('x(time)');
ylabel('No of Packets');
title('Number of packets send to Sink Node');
figure;
plot(r,STATISTICS1.TotalEnergy,'k:',r,STATISTICS2.TotalEnergy,'m-',r,STATISTICS3.TotalEnergy,'r-.','LineWidth',2);
xlabel('x(time)');
ylabel('Total Energy of Network in (Joule)');
title('The total Remaining Energy of the System in (J)');
figure;
bargraph=[FD1,FD2,FD3;TD1,TD2,TD3;AD1,AD2,AD3];
bar(bargraph,'group');
legend('LEACH','LEACH-C','TS-I-LEACH','Location','NorthWest');
title('The Time when First node die, Tenth node die and All nodes die');
xlabel('FIRST DEATH TENTH DEATH ALL DEATH');
ylabel('Number of rounds');
🎉3参考文献
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[1]胡钢,谢冬梅,吴元忠.无线传感器网络路由协议LEACH的研究与改进[J].传感技术学报, 2007, 020(006):1391-1396.
[2]井泉.基于LEACH的无线传感器网络路由协议的研究[D].东北大学,2012.DOI:10.7666/d.J0124954.
[3]韦小铃,王玉斌,余兴超,等.无线传感器网络LEACH路由协议的研究与改进[C]//广西计算机学会2010年学术年会.0[2024-04-01].DOI:ConferenceArticle/5a9fbe30c095d72220573d8c.
[4]王林,赵绍英.无线传感器网络LEACH路由协议的研究与改进[J].计算机工程与应用, 2012.DOI:CNKI:SUN:JSGG.0.2012-02-023.
