无线传感器网络分簇路由协议的研究(2)

    （3）LEACH的传输距离较远，并且数据融合相对较少，这就要求传输更多的数据到更远的距离，从而加大了能量消耗。
    （4）LEACH算法簇间通信采用单跳通信。如果基站到网络节点的距离很远，根据一阶无线电模式给出的能量消耗公式，可知如果采用直接发送协议将需要耗费相当的能量来满足远距离的直接通信，这样会很快耗尽节点中的电池，减少整个网络的寿命。
    （5）LEACH协议中簇内节点的跳数只有一跳，即每个节点直接和簇首通信而不需要其它节点进行数据转发，这虽然带来了通信的方便和简单的优点，但也造成了每个簇的规模有限，不利于传感器网络的扩展，不适合大规模无线传感器网络。
3  单跳网络与多跳网络的能量分析
    基于簇的路由协议LEACH协议是一种单跳的网络协议。在无线传感器网络中，传输数据的方式包括单跳和多跳，我们将对这两种方式的网络进行能量消耗方面的分析。
3.1  单跳网络能量分析
    使用单跳路由协议方式时，每个传感器节点可以直接把数据发送到基站。根据蓝牙无线技术的资料，节点发送数据的能量与距离之间是平方关系。单跳路由协议每个传感器节点的耗能与节点到基站间的距离的关系可以表示为：
E=λk2    (k=1，2，3……)
    其中，λ是单位数据传送单位距离时传感器的能耗J，k为节点与基站之间的距离m，E为节点发送数据时的能耗，参见图1。

图1  单跳路由协议的能量关系

3.2  多跳网络能量分析
    在多跳路由协议中，节点能耗与距离的关系可表示为：：

    其中D是离基站最远的节点与基站的距离，K是任意一节点到基站的距离。由图2可知，节点距离基站较近时能耗很大，距离远时能耗少。

图2  多跳路由协议的能量关系

    由图2和图3可知，当节点之间的距离较远时，采用多跳路由的方式传输数据更能节省能量，而LEACH协议的假设前提条件之一便是汇聚节点（基站）是固定的，并且离整个无线传感器网络较远，所以对LEACH协议而言，采用多跳算法比较能够节约能量。
4  对LEACH协议的改进
    多跳通信能够节约能量，提高网络的负载均衡。源节点通过将数据发往邻近的节点而不是相距很远的簇头，可以达到减少单个节点能耗，平衡网络负载的作用。通过多跳路由的方式来平衡分簇结构网络的负载，它可以有效避免某些簇头节点因为距离基站较远而导致过早死亡，从而延长了网络的生命周期。这包括两个方面，一个是簇头节点间的多跳通信，一个是簇内普通传感器节点的多跳通信[5]。
4.1  簇间采取多跳通信
    在LEACH协议中，各个簇头节点是直接与基站通信，采取一跳通信方式（或称直接通信）。但是簇头节点距离基站往往比较远，远距离的数据传输会大大消耗簇头节点的能量，所以考虑簇间采取多跳通信方式以节省能耗。
4.1.1  参数设置
    （1）簇类半径R：簇类覆盖区域的大小是以R为半径的圆形区域，只有在簇头节点通信半径R内的节点才能成为此簇类的成员；
    （2）权值W：

    其中，Eresidual为节点剩余能量，Emax为节点初始最大能量，dtoBS为节点到基站的距离，dmax为传感器节点范围内离基站最远的距离。这样，距离基站较近且能量足够的簇头节点将优先成为根节点。若发生权值相等的情况，则根据节点的ID大小来选择父节点。权值综合考虑了节点能量和距离基站的距离。

4.1.2  簇头节点间多跳路径的形成

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