摘要：在分析了經典的LEACH分簇路由算法，以及基于LEACH算法基礎上的幾種經典的改進算法后，針對小規模無線測距網絡的特點，在傳輸數據量較少、簇首節點無需進行大量數據融合的情況下，對LEACH算法進行改進，增加了節點與基站直接通信的個數，減少了多跳累加誤差對測距的影響。使用MATLAB軟件進行仿真，理論與實驗仿真表明，本文提出的改進算法能夠延長整個網絡的生存時間，減少了一些不必要的能量浪費。
關鍵詞：無線傳感器網絡；分簇路由算法；LEACH；性能分析

引言
無線傳感器網絡是當前網絡技術界備受關注的前沿熱點研究領域，涉及多學科，高度交叉，知識高度集成。無線傳感器網絡集成了傳感器技術、計算機技術和通信技術，在軍事、環境、健康、家庭、商業等許多方面有著巨大的潛在應用前景。無線傳感器網絡由大量密集分布的傳感器節點通過自組織的方式形成網絡，節點通過網絡協議快速形成自主構建、自主組織和自主管理的通信網絡。這種通過數千個微小的節點之間互相通信，通過接力的方法實現大范圍監控的模式極大地提高了工作效率。然而節點大都需要在無人看管、不更換電池或者不可能更換電池的條件下長時間地工作，因此高效、低功耗路由算法在無線傳感器網絡中就顯得非常重要。

1 基于LEACH的經典分簇算法分析
1．1 LEACH路由算法分析
為了提高整個網絡的的生存時間，將功耗均衡的分配到網絡中的每個節點，麻省理工學院的Wendi Rabiner Heinzelman等人提出了一種低功耗的自適應路由協議——LEACH協議(Low-Energy Adaptive ClusteriingHierarchy)。在LEACH協議中，每個傳感節點都有機會充當簇頭節點，簇頭節點的選擇主要依據網絡中所需要的簇頭節點個數與到目前為止每個節點已經充當簇頭節點的次數來判定的。網絡中每個節點在0～1之間隨機選擇一個數，如果選擇的數小于規定閥值T(n)，則該節點就充當簇首節點。T(n)的計算如下：

式(1)中，p表示在無線網絡中簇頭節點所占的百分比，r為當前循環次數，G是在前1／p輪中未充當過簇頭節點的集合。LEACH算法通過設置T(n)值，以保證每個節點在1／p輪內都有機會充當一次簇頭節點，從而平衡了節點的能量消耗。簇頭節點確定之后，簇頭節點通過廣播告知整個網絡自己已經成為簇頭節點，簇頭節點在廣播過程中采用CSMA MAC協議來避免沖突。這時，網絡中的非簇頭節點可以根據接收到的信號強度來決定自己要從屬于哪個簇，選擇信號強度最強的源節點作為自己的簇頭節點，并告知相關的簇頭節點，自己則成為簇內組員。
LEACH分簇算法缺點：
①剛開始假設每個節點能量相同，在現實環境中很難做到。
②每個節點成為簇首節點的概率相同，這樣可能導致一些高能量節點沒機會成為簇首節點，而一些低能量節點成為簇首節點。一旦這些低能量節點成為簇首節點，將會很快耗盡其能量。
③LEACH協議不能保證簇頭在每個區域都分布均勻，雖然統計上面是均勻的，但是由于簇頭產生帶有極大的隨機性，有些區域可能簇頭數會較多。
④簇首節點在通信過程中采用單跳與基站通信，這樣就會導致較遠的簇首節點能量消耗過大，而過早死亡，影響整個網絡的性能。
⑤整個網絡節點在兩跳范圍內，這樣不符合大規模網絡需求。
1．2 根據節點初始能量不同改進
根據整個網絡中節點能量的初始不同，Georgios Smaragdakis等人提出了一種改進行分簇算法——SEP算法(a Stable Election Proto-col for clustered heterogeneous)，先把整個網絡分成兩類節點，能量較高的節點稱為高能量節點，能量低的稱為正常節點。高能量節點則根據式(2)進行選擇成為簇首節點的概率，而正常節點則根據式(3)選擇成為簇首節點的概率。可以看出，高能量節點成為簇首節點的機會大于低能量節點。相較于LEACH算法，充分利用了整個網絡的功耗。

為整個網絡簇首節點的概率，Pnrm為正常節點成為簇首節點的概率，Padv為高能量節點成為簇首節點的概率。r為當前循環次數，G1是在前1／p輪中正常節點未充當過簇頭節點的集合。G2是在前1／p輪中高能量節點未充當過簇頭節點的集合。m為網絡中高能量節點的比例。a為高能量節點高于正常節點能量部分。