基于OMNeT--的Leach协议的仿真研究

基q'OMNeT-t-+的Leach协议的仿真研究——操 敏 李文锋 袁 兵

基于OMNeT-+-+的Leach协议的仿真研究*

操 敏 李文锋 袁 兵

(武汉理工大学 武汉 430063)

摘 要 文章对无线传感器网络路由协议进行分析探讨和仿真。在研究典型的层次化路由协 议 Leach算法的基础上 ，将其与多帧通信相结合，并对传感器网络的各种参数进行分析。在 OMNeT-t--t-平台上对Leach协议下无线传感器网络诸参数如能量、帧数、Sink节点位置等进行了 仿真，并对仿真结果进行比较分析，得出一轮多帧策略的有效性。 关键词 无线传感器网络；Leach协议；0MNeT-t--t-；分簇；多帧 中图法分类号 ：TP393．04 文献标识码 ：A

0 引 言

目前，研究网络协议的仿真平台主要有NS2、 OPNET、OMNeT++、JavaSim 等等 。NS2在学 术领域使用广泛，OPNET则在商业领域中有较 多应用。近年来在科学和工业领域逐渐流行起来 的是OMNeT++，目前的最高版本为OMNeT3． 2pl。OMNeT++拥有开源的、基于组件的、模块 化的开放式仿真环境，具有强大的完善的可嵌入 仿 真内核和图形 界面接 口，可在 Windows和 Linux两种操作系统平台上运行，能简便的定义 网络拓扑结构，具有编程、调试、跟踪支持等功能。 因此，同其它仿真平台相比，使用OMNeT++来 完成无线传感器网络(wireless sensor networks， WSN)路由协议的仿真具有独特的优势。

1 Leach算法

1．1 Leach算法简介 在现有的WSN路由协议中，Leach是一种典 型的层次化路由算法，现在已有很多基于Leach 的改进算法，如TEEN，PEGASIS等。Leach协 议El-z]将所有节点(node)分为若于簇(cluster)，每 个簇选一个首领(header)，簇首领还可组成更高 层次的簇。簇首领接收本簇中成员节点发送的数 据，实现数据融合功能，并向基站(sink)发送数 据。Sink直接与Internet或通信卫星相连，通过

收稿 日期：2006—09—18 *国家 自然科学基金项目资助(批准号；湖 北省青年杰出人才基金项 目资助(批准号：2005AB- BO21)

Internet或通信卫星实现任务管理节点(即观察 者)与传感器之间的通信。Leach所提出的新型无 线传感器网络工作模式如图1所示。

图 1 Leach算法下 WSN的工作模式 1．2 无线传感器节点的能量消耗分析 节点的能耗包括通信能量消耗、计算能量消 耗和感应能量消耗，其中通信能量消耗是节点能 耗的主要部分。聚类首领接收成员节点的数据，进 行数据融合后长距离发送至Sink节点，比成员节 点消耗更多的能量。因此，聚类首领的通信能量消 耗对于聚类的生存期，乃至整个网络的寿命至关 重要。为此I each采用聚类首领轮循机制，以保证 各节点能量损耗趋于均衡。Leach中每一轮的通 信过程如图2所示。 2 Leach算法改进——一轮多帧机制

文献E3]中提出了MF—I each。在稳定运行阶 段，簇头分配完TDMA时槽后 ，成员节点将采集 到的数据在相应时槽内发送给其簇头节点，这一 阶段称为数据传输阶段。在每一轮的数据传输阶 段，每个簇头可给节点分配多个TDMA时槽，各 个节点可以发送多个数据帧。由于延长了数据传 输阶段的时间，避免了过多的选簇头和形成簇过 程，将节点的能量主要用于数据传输，因而可以提

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交通与计算机 2007年第1期 第25卷 总134期

【 node发送状态信息给 Sink

【 由Sink选出簇头

}各簇头向其他节点发送广播消息

各node选出自己的簇头并加入簇

簇头向其成员node发送 TDMA帧

成员 node其时隙发送数据给簇头

簇头进行数据融合再发给 Sink

图 2 Leach一轮通信 流程 高WSN的实际寿命。文献[3]提出了一种预测策 略，当聚类首领的剩余能量与预测通信能耗的差 值大于阈值，聚类首领继续分配TDMA时槽。笔 者对 Leach所作的改进中，所采取的节点能量判 断策略同文献[3]中提出的预测策略不同，每个节 点在发送状态信息时判断该节点的剩余能量值是 否足够，若能量不足则向Sink发布死亡信息，宣 布该节点死亡。 3 Leach协议及其改进的仿真实现

3．1 OMNeT建模过程 本文使用 OMNeT实现对WSN路由协议的 仿真，OMNeT建模的流程如图3所示。

图 3 OMNeT仿真建模流程 3．2 定义仿真环境参数 通过以上对 Leach协议的剖析和对OMNeT 编程模式的理解，定义如下的仿真环境参数，如表