LEACH协议多跳机制比较研究

无线传感器网络中LEACH协议多跳机制的比较研究：综述

1. 引言

近年来观察到，无线传感器网络（WSNs）已广泛应用于各种无线场景中，包括采矿、智慧城市、智能应急系统和智能虚拟电厂等工业应用。无线传感器网络可分为无基础设施的网络和基于基础设施的网络[1, 2]。前者包含基站（BS），用于在网络内部传输数据。通常以无线方式传输数据的数据网络，可在基站与所有无线节点之间采用多跳或单跳方式进行部署。然而，尽管此类网络取得了显著的发展，仍无法满足最终用户的需求[3]。

2. 关于LEACH协议的讨论

LEACH协议被认为是无线传感器网络路由的最佳方案[4]。LEACH的思想被视为多种路由方案的创新基础。该协议的目标是在各个周期中选择传感器节点作为簇头，从而使通信中与汇聚节点之间产生的巨大能量消耗得以在整个无线传感器网络中分散。

3. LEACH 改进

为了改进LEACH，过去十年中提出了几种扩展[5, 6]。在本节中，我们详细阐述这些扩展的特点。

3.1. 单跳LEACH协议

LEACH以单跳方式运行，无线传感器网络中的每个簇头都可以将数据传输到基站，因此簇头承担了向整个网络发送信息的责任。此外，在这种传输模式下，簇头可以从无线传感器网络节点接收信息并将其发送给接收方（即基站）。针对此类LEACH已设计出一系列协议，本节将详细阐述其中一些协议。

L在EA集中式LEACH（LEACH-C）

在集中式LEACH（简称LEACH‐C）中，由网络中所有参与的节点共同选择一个簇头（CH），从而形成簇[7]。此外，在CH的选择过程中，基站（BS）应提前了解各节点的能量水平及其位置信息。因此，基站必须选择最合适的传感器作为CH，而其他节点则被分配给相应的CH以形成不同的簇。该方法的优势在于可以在较小的网络区域中完成更多的轮数。然而，由于采用单跳传输，这会导致额外的操作开销，因此不适用于覆盖大面积的网络。

副LEACH（V-LEACH）

副LEACH（V‐LEACH）在无线传感器网络中引入一个备用传感器，当主簇头（CH）失效时，该备用传感器将作为簇头继续工作[8]。由于整个无线传感器网络仅包含一个簇头，因此这被视为单跳通信。当主簇头失效时，预先选定的备用簇头开始工作，任意时刻只有一个节点充当簇头。当备用簇头升级为主簇头后，系统会重新选择另一个传感器作为新的备用簇头，依此类推。

通过这种方式，在主簇头失效时无需每次都重新进行簇头选择，从而可延长无线传感器网络寿命。然而，备用簇头是随机选择的，因此它可能距离较远，或能量和电池寿命较少，可能因长距离数据传输而迅速耗尽能量并失效。

增强型LEACH（E-LEACH）

增强型LEACH或E‐LEACH，可平滑传感器节点的能量消耗[9]。在分簇路由过程中，大量簇头被视为影响路由协议性能的关键组成部分。当簇头数量较少时，每个簇头可能需要覆盖较大的区域，这可能导致一些传感器节点靠近簇头，从而消耗最大能量。与传感器之间的信息共享相比，基站与簇头之间的数据传输或信息共享消耗的能量最多。过多的簇头数量会增加能量消耗，并最终缩短无线传感器网络的寿命。因此，选择最佳节点作为簇头以减少能量消耗至关重要。

该方案通过控制所需的簇头数量来扩展簇头的选择过程，从而最终降低能量消耗。然而，为了接收信息，簇头必须始终使其接收节点保持开启状态，这会缩短网络的寿命。

效率路由LEACH（ER-LEACH）

在高效路由LEACH（ER‐LEACH）中，考虑了基站获取环境信息的好奇心[10]。因此，传感器可能会收集信息而不是将信息转发至汇聚节点。本文介绍了该协议及其过程。采用此方法，在移动性达到高峰时尤其能获得显著的性能提升。然而，由于簇头的选择仅基于传感器的寿命而未考虑距离因素，可能导致因在空区域进行数据传输而迅速耗尽能量。

3.2. 多跳LEACH协议

该过程是单跳方法的扩展，其工作方式使得最多的簇头能够向基站发送数据。此外，在该方案中，单个簇头与其他簇头共享数据，并且所有节点都位于该特定簇中。本节介绍了一些结合多跳的LEACH改进方案。

双层分级LEACH（TL-LEACH）

TL‐LEACH 提出了一种两级分层的 LEACH [11]，即基本簇头称为主簇头，第二级表示从属簇头。

该方法包括四个主要阶段，即设置阶段、广告簇形成和信息共享。在设置阶段，所有节点决定如果形成了一个基本簇头，则次级簇头也将与主簇头执行相同的功能。如果某个传感器被选为簇头，则该节点负责向所有其他设备通告网络的特性。在下一阶段，所有次级簇头确定其状态，即它们属于哪个簇。在第三阶段，所有主簇头基于时分多址（TDMA）制定一个时间帧调度，用于簇内所有节点的信息发送。所有主簇头选择码分多址（CDMA）的编码，并通知所有传感器使用该编码。在最后阶段，簇被建立，所有传感器根据主簇头设计的时间帧转发数据。

移动LEACH（M-LEACH）

移动LEACH（M‐LEACH）[12]在第一阶段（即设置阶段）开始时允许非簇头节点和基础簇头的移动。该过程反映了在簇头选择期间分配给设备的能量。最初，所有传感器在天线性能方面被视为相同，且通过全球定位系统（GPS）获知自身位置信息，而基站被视为静止不动。在此方案中，簇头的选择基于衰减发展，选择最优的簇头以最小化衰减的影响。该方案支持节点的移动性，从而确保节点与簇头之间的协作，即使节点完全不移动也能实现。然而，如果簇头在下一阶段簇头选举之前发生移动，会导致较高的数据丢失率，从而消耗大量能量。

LEACH-D

节点密度分布LEACH（LEACH‐D）通过调整层级功能[13]来确定负载均衡。层级的基本特征是连接密度，它决定了传感器节点的传输密集度。在该方案中，簇头的半径由簇头自身决定，即其距离基站的远近。最后，簇头采用多跳稳态方式将信息发送至汇聚节点（即基站）。被认为，LEACH‐D用于最小化整个网络的能量消耗，然而簇头的选举基于距离，距离基站较近的传感器被选为簇头，这会导致其电池寿命较短，因而可能过早失效。

W-LEACH（Weighted Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy Aggregation)

W‐LEACH [14], 是一种去中心化的LEACH协议形式，旨在延长无线传感器网络的寿命。该协议的整体流程与基本LEACH方案相似，但W‐LEACH引入了基本LEACH中没有的轮次机制。

在W‐LEACH中，每一轮都从簇形成和簇头选择开始。接下来是稳定阶段，用于基站与所有网络节点之间的数据传输。在信息共享开始之前，所有节点基于一个固定的距离来识别其相邻节点，该距离用于监控传感器密度，以避免相邻节点发送相似的数据。根据不同的相邻节点数量，传感器决定在本轮中是保持动态运行还是持续处于休眠阶段。因此，具有多个相邻节点的节点将在活跃状态运行所需的时间。通过这种方式，所有传感器将数据发送给簇头，从而减少特定簇头的信息冗余。W‐LEACH效率高，因其消耗能量较少。

多跳低功耗自适应聚类层次协议 (MH-LEACH)

在这种过程中，基站与所有传感器之间的数据传输以一种需要较低传输成本的方式实现。这是因为从簇头向基站进行数据传输时需要最大的数据传输成本，而MH‐LEACH协议[9, 15], 提供了上述问题的解决方案，其中传感器将信息发送给簇头，簇头随后收集并共享这些信息通过基站或直接与基站通信来传输信息。类似于基本的LEACH协议，该过程随机选择一个簇头。对于距离基站较远的簇头，会选择一条已知能量效率最佳的路径作为路由。该距离被用作中间簇头选择的依据。

距离基站较近的簇头从远离基站的其他簇头获取信息。通过这种方式，有助于节省作为簇的一部分的簇头能量。然而，簇头的选举是随机进行的，因此被随机选中的节点不一定具有较高的能量或功率。因此，该方案的主要缺点是缩短了无线传感器网络的寿命。

4. 总结与结论

在本研究中，我们深入调研了无线网络的理解及其适用性，接着详细阐述了数据包在无线环境中的转发方法。此外，我们还介绍了无线传感器网络路由的基本协议LEACH，包括其工作原理和特点。同时，我们还探讨了该协议的两种主要扩展，即多跳和单跳，分析了它们所建议的流程及其优缺点。

LEACH协议通过周期性地选择簇头来实现能量消耗的均衡分布，从而延长网络寿命。然而，原始LEACH采用单跳通信方式，所有簇头直接将数据发送至基站，导致远离基站的簇头因长距离传输而快速耗尽能量。为此，研究人员提出了多种改进方案。

单跳LEACH变体如LEACH-C利用基站集中管理簇头选择，基于节点剩余能量和位置信息优化簇结构，提升了网络轮数，但依然受限于单跳传输带来的高能耗问题，尤其在大范围部署中表现不佳。V-LEACH引入备用簇头机制，在主簇头失效时无缝切换，减少了重新选举开销，延长了网络运行时间，但备用节点的随机选取可能导致其本身能量不足或通信距离过远，反而加速死亡。E-LEACH通过控制簇头数量优化能量分配，减少冗余通信负担，但在接收数据时需持续保持接收器开启，增加了静态功耗。ER-LEACH针对高移动性场景进行了优化，提高了动态环境下的性能，但仅基于能量选择簇头而忽视距离因素，容易造成远距离传输引发的能量枯竭。

相比之下，多跳LEACH协议通过引入中间节点中继数据，有效缓解了远距离传输带来的能量压力。TL-LEACH构建两级分层结构，主簇头与从属簇头协同工作，改善了能量负载分布，但额外的层级带来了更高的控制开销和复杂的簇形成过程。M-LEACH支持节点移动性，增强了网络适应能力，即便在静态环境下也能维持良好协作，但若簇头在选举周期间发生移动，会造成数据丢失和能量浪费。LEACH-D依据节点密度和距基站距离调整簇头角色，并采用多跳方式传输数据，降低了整体能耗，但倾向于选择靠近基站的节点作为簇头，使其承受过高负载而提早失效。W-LEACH通过感知相邻节点密度动态调节工作状态，减少信息冗余，显著节省能量，但由于簇头仍为随机选择，难以确保高能节点被优先启用，限制了网络寿命的进一步提升。MH-LEACH则专门针对远端簇头设计能量高效路由路径，允许通过其他簇头中继数据至基站，大幅节省传输能耗，但同样因簇头选举的随机性，无法保障所选节点具备足够的能量支撑后续任务，最终影响网络稳定性。

综合来看，各类LEACH扩展协议在不同维度上对原始机制进行了优化，无论是基于能量、距离、密度还是层级结构的设计，均试图解决能量不均与热点问题。然而，多数方案在簇头选择策略上存在局限——或依赖随机机制，或仅考虑单一参数（如能量或距离），未能全面权衡节点能量、位置、邻居密度及历史负载等因素。此外，多跳机制虽能降低传输能耗，但也引入了路由维护、延迟增加和可靠性下降等新挑战。

未来的研究方向应聚焦于开发更加智能化、自适应的簇头选择算法，结合机器学习或预测模型评估节点综合质量；同时，设计轻量级的多跳路由机制，在保证能量效率的同时兼顾实时性与鲁棒性。此外，融合移动基站、能量补给技术或跨层优化策略，也有望进一步提升无线传感器网络的整体性能与生命周期。

表1. LEACH及其衍生协议的时间线

No	Type	CH选择	贡献	局限性
1	LEACH	随机	延长网络寿命并实现更高的能量效率	不能保证良好的簇头分布，假设均匀能量分布
2	LEACH‐C	基于剩余能量	实现了更高的轮数，小型网络区域	由于单跳通信引入额外开销
3	TL‐LEACH	随机	带来更好的能量负载分布在全网	增加开销期间替代簇头选择和簇形成
4	M‐LEACH	基于剩余能量	支持节点移动性，保证簇头与节点交互	数据包丢失率高，消耗更多能量当簇头移动
5	LEACH‐E	基于剩余能量	平衡所有网络节点间的能量消耗	簇头可能能量低且远离汇聚节点，很快死亡
6	MH‐LEACH	随机	有助于节省簇头的能量	簇头不一定具有高功率和能量，缩短网络寿命
7	LEACH‐V	随机	延长网络寿命	簇头可能因长距离通信很快死亡
8	ER‐LEACH	基于剩余能量	在高移动性时实现良好性能	簇头选择不顾距离，能量可能因远距通信消失
9	LEACH‐D	基于距离	减少整个网络的能量消耗	距离近的簇头可能电量较低，很快死亡
10	E‐LEACH	基于剩余能量	改进簇头选择过程，减少能量消耗	接收器常开，减少电池寿命
11	LEACH‐W	随机	节省能量消耗	难知哪个节点能量更高，网络寿命可能降低