2024年3月15日发(作者：)

信息与电脑

2016年第4期

China Computer&Communication

算法语言

LEACH与LEACH-C、LEACH-E、LEACH-ED的

仿真与比较

曹　行

1

　张立增

1

　底京浩

2

（1.河北农业大学，河北 保定　071001；2.河北工业大学，天津　300401）

摘　要：

笔者详细介绍了簇头的选举是随机的LEACH算法，在选择簇头的过程中，考虑节点的能量消耗情况的

LEACH-E算法，基于网络总的能量消耗最小的优化目标，得出所有节点分簇方案的LEACH-C算法以及进一步考虑到

节点位置的LEACH-ED算法。仿真后，分别从程序层面介绍了这几种算法的不同之处，分析了基站位置的对LEACH、

LEACH-C、LEACH-E以及LEACH-ED的影响。

关键词：

LEACH；LEACH-C；LEACH-E；LEACH-ED；仿真

中图分类

号：TP212.9　　文献标识码：A　　文章编号：1003-9767（2016）04-091-03

１　按步骤描述ＬＥＡＣＨ协议仿真过程

1.3　仿真结束后，提取数据

LEACH算法的基本思想：每一轮节点都在［0，1］之

awk-f >alive/#提取出存活节点数目

间选取一个随机数，设定一个阈值，当节点的随机数小于阈

的信息

值时，节点被选举为簇首。由于簇首负责信息的收集与交换，

awk-f >data/#提取出数据包的信息

所以簇首的能量消耗过快，每一轮都会选取新的簇首，从而

>energy/#提取出节点能量

达到能量消耗相对均匀。最终降低网络能源消耗、提高网络

的信息

整体生存时间。

1.4　根据提取出的数据作图

1.1　安装LEACH协议

gnuplot /#开始绘图

将LEACH协议压缩包的文件直接覆盖并替换ns-2.35

set terminal gif /#设置类型为gif

里面的文件。

set output"" /#输出图像名称为alive

1.2　改变环境变量gedit ~/.bashrc

set xlabel"time(sec)" /#设置横坐标为时间

编辑环境变量后保存，关闭终端，重新打开后在终端执

set ylabel"alive node" /#设置纵坐标为存活节点数

行操作如下：

plot'alive'with linespoints /#将点连成线

；让环境变量起效，

q /#退出

make clean,make；然后进行编译。

此时已生成"剩余存活节点"、"运行时间"、"能量"

运行位于ns-2.35目录下的仿真脚本：

的图片。

（1）cd ~/ns-allinone-2.35/ns-2.35/

2　分析基站位置对LEACH、LEACH-C、LEACH-E与

./test

LEACH-ED这四种协议仿真结果的不同影响

（2）测试leach_test脚本

2.1　当基站的位置位于(50,175)

cd ~/ns-allinone-2.35/ns-2.35/

存活节点数如图1所示：

./leach_test

分析图1得到的结论如下：LEACH-ED的生存时间最长，

分别运行这8个脚本：

LEACH与LEACH-E的生存时间相近，LEACH-C的网络生

leach_test，leach_test2，leach_c_test，leach_c2_test，

存时间最短。但是改进算法LEACH-E结合能量消耗情况选

leach_e_test，leach_e2_test，leach_ed_test，leach_ed2_test。

择簇头时，尽量选择剩余能量多的节点充当簇头，这样能进

对应leach、leach-c、leach-e、leach-ed这四个协议的仿

一步延长网络生存周期。

真脚本，8个仿真脚本生成的路径在mit/leach_sims目录下面。

数据量发送量如图2所示：

leach_sims/leach目录下生成一系列文

分析图2得到的结论如下：从仿真结果来看，LEACH-E

件，直到不再生成文件，说明仿真过程结束。

传输的数据包最多，LEACH-C传输的数据包次之，紧接着

作者简介：

曹行（1995-），男，河北石家庄人，本科在读。研究方向：物联网工程。

张立增（1994-），男，河北邢台人，本科在读。研究方向：电子信息科学与技术。

底京浩（1993-），男，河北石家庄人，本科在读。研究方向：电子科学与技术。

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图１　存活节点数

（ＬＥＡＣＨ与ＬＥＡＣＨ２）

图２　数据发送量

是LEACH，LEACH-ED传输的数据包最少。

节点总消耗的能量如图3所示：

（ＬＥＡＣＨ－Ｃ与ＬＥＡＣＨ－Ｃ２）

图３　节点总消耗的能量

分析图3得到的结论如下：从仿真结果来看，LEACH-

ED传输剩余能量经历的时间最长，LEACH与LEACH-E的

时间次之，LEACH-C经历的时间最短，消耗的最快。

2.2　当基站的位置位于(0,0)

四种协议输出存活节点数对比如图4所示：

（ＬＥＡＣＨ－Ｅ与ＬＥＡＣＨ－Ｅ２）

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Application/LEACH instproc setClusterHead {}

$self instvar isch_ hasbeench_

set isch_ 1

set hasbeench_ 1

return

解除簇头（簇重组时运行此程序）：

Application/LEACH instproc unsetClusterHead {} {

$self instvar isch_

set isch_ 0

return

（3）设定阈值与随机数

if {[$self getRandomNumber 0 1] < $thresh}{

puts "$nodeID:

puts "$nodeID: Is a cluster head at time [$ns_ now]"

（ＬＥＡＣＨ－ＥＤ与ＬＥＡＣＨ－ＥＤ２）

$self setClusterHead

图４　ＬＥＡＣＨ－ＥＤ与ＬＥＡＣＨ－ＥＤ２输出存活节点数

set random_access [$self getRandomNumber 0 $opt(ra_

从仿真结果来看，将基站放到（0，0）后，LEACH协

adv)]

议、LEACH-C协议、LEACH-E协议节点存活的时间延长。

3.2　LEACH-E

与LEACH协议不同，LEACH-E在选择簇头的过程中，

而LEACH-ED协议的生存节点数受到了抑制，这是因为

还考虑节点的能量消耗情况。若节点剩余能量大于网络总的

LEACH-ED算法进一步考虑到节点的位置，当基站位置位于

平均能量，就可以当选为簇头，从而使能耗分布更加均匀，

网络的质心位置时，之前没有充当过簇头的节点更易充当，

避免节点过早死亡，从而延长节点寿命。

所以使得能量消耗过多，生存节点数下降。

其不同之处在于：

当基站位于（50，175）时，LEACH协议优于

set Etotal 0

LEACH-C协议。当基站位于（0，0）时，LEACH-C协议优

for {set id 0} {$id < [expr $opt(nn)-1]} {incr id} {

于LEACH协议。可以看出LEACH-C协议对LEACH的改

set app [$node_($id) set rca_app_]

进有限，基站位置对仿真结果影响比较大。

set E [[$app getER] query] /#计算网络中每个节点的能量

当基站在不同位置时，对LEACH-E协议的仿真结果影

set Etotal [expr $Etotal + $E] /#求剩余能量之和

响不大，而对LEACH、LEACH-C这两个协议影响较大。说

set aveE [expr $Etotal / $opt(nn)]

明LEACH-E协议的改进之后基站位置的改变对它影响不大，

set E [[$self getER] query] /#求网络中的平均能量

改进程度很好。

if {[$self getRandomNumber 0 1] < $thresh

&& $E >= $aveE}

３　从代码层面分析ＬＥＡＣＨ与ＬＥＡＣＨ－Ｅ协议簇头选

在接受数据时，也有不同之处：

取方面的原理不同点

Receiving Functions

3.1　LEACH

# if {$msg_type == $ADV_CH && ![$self

LEACH采用了轮的概念，在每一轮中采用随机的方式

isClusterHead?]} {

为每个簇选择簇头节点，然后由簇内节点收集信息，并汇聚

$self recvADV_CH $msg /#宣布本节点采集数据的描述

到簇首，最后再由簇首节点直接发往基站节点BS。

信息

（1）首先判断节点是否为簇头，程序如下：

} elseif {$msg_type == $JOIN_REQ &&

Application/LEACH instproc isClusterHead? {}

$nodeID == $chID} {$self recvJOIN_REQ $msg /#请求希望

$self instvar isch_

接受的数据

return $isch_

} elseif {$msg_type == $ADV_SCH && $chID

当节点已为簇头时：

== $currentCH_} {

Application/LEACH instproc hasbeenClusterHead? {}

$self recvADV_SCH $msg

$self instvar hasbeench_

} elseif {$msg_type == $DATA && $nodeID ==

return $hasbeench_

$chID} {

当节点不是簇头时：

$self recvDATA $msg /#接受数据包

Application/LEACH instproc hasnotbeenClusterHead {} {

$self instvar hasbeench_

４　结　语

set hasbeench_ 0

本文详细介绍了LEACH协议仿真步骤，分析了基站位

（2）当确定节点是否为簇头后，设定簇头状态：

置对LEACH、LEACH-C、LEACH-E协议仿真结果的不同

设定簇头：

影响，并从代码层面分析LEACH、LEACH-C、LEACH-E

协议簇头选取方面的原理不同点。

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