白永祥

(渭南職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 渭南 714000)

一種LEACH路由協(xié)議算法的改進與分析*

白永祥

(渭南職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 渭南 714000)

基于傳統(tǒng)的LEACH協(xié)議，提出了一種改進協(xié)議LEACH-CND。對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的簇頭選舉進行了優(yōu)化，主要依據(jù)節(jié)點的剩余能量選舉簇頭，并求出網(wǎng)絡(luò)的最佳簇頭數(shù)。其次，基于橢圓曲線密碼體制的優(yōu)勢，針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點輕量級身份密鑰加密算法進行了探討。最后，在MATLAB環(huán)境下對優(yōu)化后的協(xié)議進行了仿真，證明了其可行性。達到了延長網(wǎng)絡(luò)生存時間的目的。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；分層路由協(xié)議；LEACH協(xié)議算法；橢圓曲線密碼體制

0 引 言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)是由部署在受監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量低成本、低功耗、具有感知、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理和無線通信能力的傳感器節(jié)點通過自組網(wǎng)方式形成的一種網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作的采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息[1]。目前，WSN應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，大量的研究成果主要集中在針對特定感知和監(jiān)測應(yīng)用等方面。因為傳感器節(jié)點能量有限，且大多數(shù)環(huán)境下更換電池根本不可能，所以如何降低無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗非常關(guān)鍵。研究證明無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的通信所需能耗占總電源能量的大多數(shù)，所以設(shè)計具有低能耗的WSN協(xié)議算法成了研究焦點。文章綜述了WSN中常見的幾種路由協(xié)議；詳細分析了LEACH路由協(xié)議算法及其優(yōu)缺點；基于文獻[2]，對LEACH協(xié)議進行了改進，并在MATLAB環(huán)境下對改進協(xié)議進行了仿真；探討了基于ECC的WSN數(shù)據(jù)傳輸加密解密算法。

1 相關(guān)研究及分析

對于不同的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用領(lǐng)域，研究人員提出了各種路由協(xié)議，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)管理的邏輯結(jié)構(gòu)可將路由協(xié)議分為平面路由和分層結(jié)構(gòu)路由兩大類[3]， LEACH協(xié)議(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)屬于分層結(jié)構(gòu)路由協(xié)議。目前，常見的WSN路由協(xié)議有泛洪協(xié)議、SPIN、DD、SAR、GEAR、LEACH等協(xié)議，這些協(xié)議算法各有優(yōu)缺點。LEACH是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中第一個層次型路由協(xié)議，多年來，基于它的改進協(xié)議層出不窮。文獻[4-5]描述了一種基于LEACH的改進型非均勻分簇協(xié)議，它根據(jù)節(jié)點到基站距離的遠近，構(gòu)造出大小非均勻的簇，這種協(xié)議適合節(jié)點分布較均勻的網(wǎng)絡(luò)，對于分布不均勻的網(wǎng)絡(luò)則能量消耗更大，所以此協(xié)議的應(yīng)用范圍十分有限；文獻[6]中的LEACH-C協(xié)議根據(jù)各節(jié)點的剩余能量和地理位置進行選舉簇頭，該算法雖然提高了簇的生成質(zhì)量，魯棒性較好，但節(jié)點周期的向基站發(fā)送信息，增加了網(wǎng)絡(luò)流量和時間延遲，實時性較差；文獻[7]提出的TEEN協(xié)議具有很強的實時性，可以對突發(fā)事件產(chǎn)生快速反應(yīng)，但由于硬、軟閾值的設(shè)置，不適合持續(xù)采集數(shù)據(jù)的應(yīng)用環(huán)境；文獻[8]的LEACH-Z協(xié)議也是基于LEACH協(xié)議的改進，由基站根據(jù)能量高低對簇內(nèi)每個節(jié)點進行排序并建立一個鏈表，然后選舉能量最高的節(jié)點為簇頭，減少了簇內(nèi)成員選舉簇頭的能量消耗，但這種方法加大了基站的管理任務(wù)；文獻[9]提出了LEACH-M協(xié)議，它引入了遺傳模擬退火算法來保證簇的均勻分布，在很大程度上提高了簇的生成質(zhì)量，同時還引入了多跳的路徑選擇算法，但也存在一些不足。典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

1.1 LEACH協(xié)議算法描述

LEACH協(xié)議算法是由MIT的Chandrakasan等專家設(shè)計的一種低功耗自適應(yīng)集群分層路由算法。它首先將節(jié)點分成若干個簇，利用一定的算法選舉出各自的簇頭，由簇頭接收本簇內(nèi)各節(jié)點的數(shù)據(jù)，再由簇頭節(jié)點對數(shù)據(jù)融合處理后發(fā)送給基站或者Sink節(jié)點。由于簇頭是隨機循環(huán)分配的，所以網(wǎng)絡(luò)能量損耗是平均分配的，可以延長網(wǎng)絡(luò)生存時間。LEACH算法具有三個特征[2]：第一，本地節(jié)點通過協(xié)調(diào)產(chǎn)生集群；第二，“簇頭”節(jié)點動態(tài)選舉；第三，采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)。

LEACH協(xié)議整個過程需要以下兩個階段：形成階段和傳輸數(shù)據(jù)階段。

在形成階段，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點能否在當前輪成為簇頭，取決于兩個因素：一個是網(wǎng)絡(luò)中事先假設(shè)成為簇頭的百分比，另一個是已擔任過簇頭的次數(shù)。在選舉前首先要設(shè)定一個閾值T(n)，節(jié)點在[0，1] 之間選擇一個隨機數(shù)，如果小于閾值T(n)，那么就當選為簇頭，計算公式如下[5]：

(1)

式中，n為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點數(shù)；p為簇頭節(jié)點的百分比；r為選舉輪數(shù)；G為在1/p輪中未充當過簇頭的節(jié)點集。

當選為簇頭的節(jié)點使用CSMA/MAC協(xié)議向網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點發(fā)送一個廣播包，所有被當選為簇頭的節(jié)點都發(fā)送同功率的廣播包，非簇頭節(jié)點的接收器接收來自簇頭的廣播信息。在實際應(yīng)用中，一些非簇頭節(jié)點可能會收到來自幾個不同簇頭的廣播信息，節(jié)點便根據(jù)信號的強弱，選擇加入信號最強的一個簇，并向該簇頭報告加入的消息，這個過程一般是通過CSMA/MAC協(xié)議完成的。當選為簇頭的節(jié)點接收到簇內(nèi)成員發(fā)送的信息后，將根據(jù)簇頭節(jié)點的數(shù)量創(chuàng)建TDMA時刻表，并為簇內(nèi)各個節(jié)點分配傳輸數(shù)據(jù)的工作時隙，以便用于發(fā)送感知數(shù)據(jù)。

簇形成后，將開始數(shù)據(jù)傳輸。簇頭節(jié)點收到來自成員的數(shù)據(jù)后將對數(shù)據(jù)進行融合和壓縮，然后再傳給基站，過一段時間后，下一輪循環(huán)重新開始，從復(fù)以上的工作過程。

1.2 LEACH算法分析

1.2.1 LEACH算法的優(yōu)點

LEACH是第一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分層式路由協(xié)議，它是后來大部分層次式協(xié)議的基礎(chǔ)，如TEEN協(xié)議，PEGASIS協(xié)議等。LEACH協(xié)議具有以下優(yōu)點：

(1)采用層次結(jié)構(gòu)，路由選擇和路由信息的存儲簡單，對節(jié)點性能要求不高，適合結(jié)構(gòu)簡單的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；

(2)隨機選取簇頭，各節(jié)點機會均等，將能量負載均勻分布到網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點，有效避免了能量過損和單點故障問題；

(3)LEACH協(xié)議使用的技術(shù)具有很好的擴展性，簇頭的輪循增強了網(wǎng)絡(luò)的魯棒性。

1.2.2 LEACH算法的缺點

雖然LEACH協(xié)議通過隨機選擇簇頭的方法延長了WSN的生命周期，一般可以達到10%～20%，但它仍然存在以下缺點：

(1)每個節(jié)點都要與簇頭節(jié)點進行通信，并通過簇頭進行數(shù)據(jù)處理和傳輸，同時簇頭又要與基站或Sink進行通信，因此簇頭處于通信樞紐，簇頭節(jié)點的能量消耗會很大。如果簇頭節(jié)點出現(xiàn)故障，就會導(dǎo)致簇內(nèi)數(shù)據(jù)不能有效傳輸，從而形成網(wǎng)絡(luò)覆蓋不全，整體監(jiān)測性能降低；

(2)簇頭選舉時，各節(jié)點機會均等，沒有考慮節(jié)點之間的能量差異，造成某些能量很低的節(jié)點充當了簇頭，而不能完成整個簇內(nèi)的數(shù)據(jù)高效傳送，如果能量耗盡，就成為死節(jié)點；

(3)簇頭隨機選舉法在數(shù)量和分布上往往呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，即簇頭個數(shù)偏離期望值和分布位置上不平均。如果簇頭個數(shù)很少，也就失去了分層的意義；如果簇頭個數(shù)多，又要消耗過多節(jié)點的能量。有時簇頭處于網(wǎng)絡(luò)邊緣，會造成與Sink通信距離增加，消耗能量較大。以上情況都使得網(wǎng)絡(luò)的負載平衡度降低，從而縮短WSN的壽命；

(4)最佳簇頭數(shù)的選取。簇頭個數(shù)過少，將導(dǎo)致各簇所覆蓋的面積過大，造成節(jié)點與簇頭節(jié)點的距離增大，節(jié)點之間傳輸數(shù)據(jù)的能耗增加，還會增加簇頭處理數(shù)據(jù)的工作量，所有這些都不利于延長網(wǎng)絡(luò)的生存時間。簇頭個數(shù)過多，簇頭消耗的能量比一般節(jié)點大，這樣過多的簇頭將會導(dǎo)致一輪中整個網(wǎng)絡(luò)的總能耗增大，且過多的簇頭也會降低數(shù)據(jù)的融合率，實踐證明每個WSN都存在一個最佳的簇數(shù)。

2 改進算法設(shè)計

通過以上對LEACH協(xié)議的優(yōu)缺點分析，我們知道簇個數(shù)及其分布對整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能有密切的關(guān)系，在簇個數(shù)及其分布算法方面進行優(yōu)化十分必要。

2.1 改進方案

基于以上分析，提出一個基于簇頭數(shù)分布的LEACH協(xié)議改進算法：LEACH-CND，基本設(shè)計思路如下：

(1)對于每一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，都存在一個最優(yōu)的簇頭個數(shù)，通過算法求出這個最優(yōu)個數(shù)值。并且還要保證簇頭輪換時間間隔達到一個合適的值，如果間隔時間過長，不利于數(shù)據(jù)實時傳輸，如果間隔時太短，網(wǎng)絡(luò)能耗會很大；

(2)在最優(yōu)簇頭數(shù)確定的前提下，選舉簇頭時必須考慮了每個節(jié)點的剩余能量。對每個簇內(nèi)的節(jié)點按照能量進行排序，選舉剩余能量最多的節(jié)點為簇頭，以延長網(wǎng)絡(luò)的生存時間；

(3)設(shè)定一個最小的簇頭距離D，保證所選舉簇頭距離每個節(jié)點的距離不能超過這個數(shù)值D，以便所選簇頭的分布比較合理，使整個網(wǎng)絡(luò)的簇頭處于一個合理的分布范圍內(nèi)，完全合理的覆蓋整個監(jiān)測區(qū)域；

(4)一般的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對安全性要求不高，但隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事和一些重要領(lǐng)域的應(yīng)用，保證傳輸數(shù)據(jù)的安全性非常重要，充分運用ECC短密鑰、安全性高、占用內(nèi)存少等特點，設(shè)計一種數(shù)據(jù)加密解密的算法[3]。

2.2 算法實現(xiàn)過程

LEACH-CND算法分為兩個階段：簇建立階段和數(shù)據(jù)傳輸階段，其中數(shù)據(jù)傳輸階段使用了ECC加密解密等安全技術(shù)。下面主要關(guān)于簇最優(yōu)個數(shù)、輪換時間間隔、簇頭選舉、數(shù)據(jù)傳輸安全性等方面進行設(shè)計。

2.2.1 最佳簇頭數(shù)

假定在a×a監(jiān)測區(qū)域中，有N個節(jié)點組成的網(wǎng)絡(luò)，剛開始所有節(jié)點能量相同，并將網(wǎng)絡(luò)劃分成k個簇，現(xiàn)在要求出k的最優(yōu)值，使整個網(wǎng)絡(luò)在某一輪通信中能耗最少。這里假設(shè)節(jié)點之間、節(jié)點到基站的通信遵守同一無線信號能耗衰減模型，即能耗與通信距離的平方成正比，這樣的假設(shè)不會影響研究結(jié)構(gòu)的合理性和有效性[10]。

簇頭發(fā)送單位信息所需要的能量：

(2)

簇內(nèi)成員節(jié)點發(fā)送單位信息所需要的能量：

(3)

整個簇在一輪中所需要的能量：

(4)

整個網(wǎng)絡(luò)在一輪中所需要的能量：

(5)

(6)

對上式求導(dǎo)，研究其函數(shù)特性，導(dǎo)數(shù)為0時，求得Etotal最小值為：

(7)

從上式可知，簇頭個數(shù)與網(wǎng)絡(luò)的基本參數(shù)a,N,LBS有關(guān)，所以在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點初始化時就可以設(shè)定簇頭個數(shù)，從而達到最優(yōu)化。

2.2.2 簇頭輪換時間間隔

在LEACH協(xié)議中，數(shù)據(jù)傳輸階段的時間要長于簇建立的時間，這樣可利于減小能耗。但數(shù)據(jù)傳輸階段的時間也不宜過長，否則會使得簇頭能量消耗過大，也應(yīng)該對數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r長進行優(yōu)化，即輪換時間間隙有一個合理的值。

假設(shè)簇中的節(jié)點數(shù)為N/K，且數(shù)據(jù)l的發(fā)送時間為Ts=l/Rb，假設(shè)一個幀內(nèi)的總時間為Tf=(N/k)(l/Rb)，這樣簇頭輪換的總時間為：

Tround=Nf/r×Tf=

(8)

通過以上的分析比較，即可得到理想狀態(tài)下簇頭輪換的最佳時間間隔。

2.2.3 簇頭選取及簇的形成

LEACH協(xié)議在簇頭選舉時沒有考慮節(jié)點的剩余能量，只是在每輪循環(huán)中隨機等概率地選舉簇頭，為了延長整個網(wǎng)絡(luò)的生存時間，在選舉簇頭時加入節(jié)點剩余能量參考值，使剩余能量較高的節(jié)點選為簇頭，從而延長網(wǎng)絡(luò)的壽命[10]。

改進的簇頭選舉算法流程如下：

(1)為每個節(jié)點設(shè)置定時時間，剩余能量越多，時間越短，相反則越長；

(2)所有節(jié)點定時時間確定后，節(jié)點便進入倒計時，剩余能量最多的節(jié)點時間必然最先結(jié)束，則當選為簇頭，并向簇內(nèi)各節(jié)點廣播簇頭信息；

(3)各節(jié)點收到簇頭廣播信息后，計算其與簇頭的距離，如果距離小于間距D，則取消該節(jié)點的定時；

(4)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點收到簇頭廣播的消息數(shù)量達到最佳簇頭數(shù)kopt，則停止簇頭選舉，本輪簇頭選舉結(jié)束；

(5)每個節(jié)點根據(jù)收到的簇頭廣播信息信號的強弱，決定自己加入的簇，并通知相應(yīng)的簇頭，簇頭選舉及簇建立過程結(jié)束。

2.3 基于ECC的輕量級身份密鑰算法設(shè)計

由于節(jié)點資源受限，WSN的安全性問題比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)面臨更多的挑戰(zhàn)。近年來，基于對稱密碼算法的密鑰管理方案一直被認為是構(gòu)建WSN安全的最佳選擇，比如128bitAES加密算法，已經(jīng)被集成到ZigBee協(xié)議中[2]。但對稱加密算法密鑰管理相對困難，所以，一般使用對稱密碼算法對數(shù)據(jù)進行加密，而使用非對稱加密算法管理密鑰。目前，構(gòu)建面向WSN應(yīng)用的輕量級身份公鑰加密算法成為研究熱點。ECC是一種基于橢圓曲線的公鑰密碼算法，同其它加密算法相比較，相同長度密鑰下，ECC具有安全性高、占用內(nèi)存空間小等特性，所以ECC更適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)密鑰管理。下面構(gòu)造一個基于ECC的輕量級身份公鑰加密算法。

(2)密鑰組合

①計算節(jié)點散列值h=H(ID)，hi為散列值第ibit二進制值；

③節(jié)點向PKG請求私鑰；

(3)加密

(4)解密

m=c2⊕H2(c1XID)，因為：

c2⊕H2(c1XID)=(m⊕H2(rYID))⊕H2(r·PXID)=(m⊕H2(rYID))⊕H2(r·XID·P)=(m⊕H2(rYID))⊕H2(r·YID)=m

上述算法的安全性依賴于散列函數(shù)和ECC上的橢圓曲線離散對數(shù)難題，ECC的特性比較適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在密鑰分發(fā)、安全認證協(xié)議等方面的應(yīng)用已被證明可行。Peng N等人在TinyOS上研究ECC算法的最新成果TinyECC，進一步推進了ECC在WSN安全中的實用化進程。

3 仿真結(jié)果與分析

一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能如何，主要看3個指標：首先是網(wǎng)絡(luò)的生存時間，其次是基站接收的數(shù)據(jù)總量，接收數(shù)據(jù)越多，說明無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對所監(jiān)測的區(qū)域測量越精確，協(xié)議性能也更好，最后還有負載平衡因子，它也是評價協(xié)議性能的重要指標。

3.1 仿真環(huán)境

(1)硬件環(huán)境：Intel(R)CoreTMi5-3230MCPU 2.60GHz；內(nèi)存(RAM)4G，硬盤：500G；

(2)軟件環(huán)境：Windows 7旗艦版,32位操作系統(tǒng)，MATLAB 7。

3.2 結(jié)果與分析

3.2.1 仿真監(jiān)測環(huán)境

圖2為仿真環(huán)境拓撲圖，監(jiān)測節(jié)點隨機分布在100 m×100 m的區(qū)域內(nèi)。

圖2 仿真環(huán)境拓撲

3.2.2 計算最佳簇頭數(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中簇頭數(shù)的多少直接影響分簇網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和特性，簇頭數(shù)的數(shù)量應(yīng)以滿足系統(tǒng)要求和減少能耗為準則[10]。根據(jù)以上設(shè)計方案，在MATLAB下實現(xiàn)了仿真，圖3是簇頭數(shù)與網(wǎng)絡(luò)中每輪平均能耗的仿真圖，可以看出當k=5時總能耗最低，約為9 J。如果簇頭數(shù)小于5，那么網(wǎng)絡(luò)中的簇頭數(shù)過少，節(jié)點傳輸距離過大，消耗的能量較多；如果簇頭數(shù)大于5，網(wǎng)絡(luò)中簇頭數(shù)量過多，消耗的能量增加。所以在本文假設(shè)的環(huán)境下最佳簇頭數(shù)kopt=5。

圖3 簇頭節(jié)點數(shù)與能耗的關(guān)系

3.2.3 LEACH-CND協(xié)議性能分析

LEACH-CND協(xié)議是對LEACH協(xié)議的一種改進，仿真時主要與LEACH-C、LEACH協(xié)議進行了比較，還與平面型協(xié)議MTE進行了比較，意在顯示層次性協(xié)議的優(yōu)越性[11]。從圖4仿真結(jié)果可以看出，LEACH-CND協(xié)議中網(wǎng)絡(luò)中存活的節(jié)點數(shù)量比較多，從而延長了WSN網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

圖4 4種協(xié)議網(wǎng)絡(luò)生存時間仿真結(jié)果比較

3.2.4 接收數(shù)據(jù)總量比較

圖5是4種協(xié)議接收數(shù)據(jù)總量的仿真結(jié)果，該結(jié)果顯示了經(jīng)典型LEACH協(xié)議、LEACH-C協(xié)議、平面型路由協(xié)議MTE[12]及改進的LEACH-CND協(xié)議數(shù)據(jù)接收數(shù)據(jù)總量的比較，可以看出在相同時間內(nèi)，LEACH-CND協(xié)議接收數(shù)據(jù)總量大于其它幾種協(xié)議。

圖5 4種協(xié)議接收數(shù)據(jù)總量比較

4 結(jié) 語

總之，采用什么樣的路由協(xié)議直接關(guān)系無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能。為了減少節(jié)點能量的損耗，延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命，我們對LEACH協(xié)議進行了改進。改進后的協(xié)議對簇頭選舉進行了優(yōu)化，主要體現(xiàn)在根據(jù)節(jié)點剩余能量及求出最佳簇頭數(shù)等方面，提高了WSN整體生存時間[13]。在MATLAB環(huán)境下實現(xiàn)了仿真，驗證了改進后LEACH-CND協(xié)議的可行性。當然，方案還存在一些不足，比如沒有實現(xiàn)LEACH-CND協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)負載平衡方面的仿真結(jié)果，沒有全面深入地探討ECC在WSN安全方面的應(yīng)用，因此，下一步還有大量工作需要開展。

[1] 張玉泉.網(wǎng)絡(luò)安全問題研究[M]. 濟南：山東人民出版社，2013：5-10. ZHANG Yu-quan. Research of Problems for Network Security [M]. Jinan: Shandong People′s Publishing House, 2013. 5-10.

[2] [美]Ian F. Akyidiz, Mehmet Can Vuran. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M]. 徐平平，劉昊，褚宏云等譯. 北京：電子工業(yè)出版社，2013：121-142. [US]Ian f. Akyidiz, Mehmet Vuran. Wireless Sensor Networks[M]. Translated by XU Ping-ping,LIU Hao,ZHU Hong-yun et al. Beijing:Electronic Industry Press,2013:121-142.

[3] 陶偉.基于HTc rf SQUID的通信傳感器技術(shù)[J].通信技術(shù)，2015，48(02)：130-134. TAO Wei. Communication Sensor Technology based on HTc rf SQUID[J].Communications Technology,2015,48(02):130-134.

[4] Soro S, Heinzelman W. Prolonging the Life of Wireless Sensor Networks via Unequal Clustering[M]. Proc. Of the 5thInternational Workshop in Algorithms for Wireless, Mobile, Ad Hoc and Sensor Networks, Denver, 2005：200-210.

[5] Changjiang J,Weiren S, Min X, Xianlun T.Energy-balanced Unequal Clustering Protocol for Wireless Sensor Networks[J]. The Journal of China Universities of Posts and Telecommunications,2010,17(4):94-99.

[6] Heinzelman, Chandrakasan, Balakrlshnan . An Application-Specific Protocol Architecture for Wireless Microsensor Networks[J]. IEEE Transactions on Wireless Communicatioans,2002,1(4)：660-670.

[7] Manjeshwar,Grawal. TEEN:A Protocol for Enhanced Efficiency in Wireless Sensor Networks[C]. Proc. Of the 1stInternational Workshop on Paralled and Distributed Computing Issues in Wireless Networks and Mobile Computing,2001,2009-2015.

[8] 王選政，李臘元，張偉華等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究[J].計算機應(yīng)用研究，2009，26(04)：1453-1455. WANG Xuan-zheng,LI La-yuan,Zhang Wei-hua et al. Wireless Sensor Networks Routing Protocol Research[J]. Computer Application Research,2009,26(04):1453-1455.

[9] 佘靜濤，胡同森，鐘明霞.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議LEACH的研究與改進[J]. 計算機系統(tǒng)應(yīng)用，2009，18(02)：30-34. SHE Jing-tao, HU Tong-sen, ZHONG Ming-xia. Research and Improvement of the Wireless Sensor Networks Routing Protocol for LEACH [J]. Application of Computer System,2009,19(02):30-34.

[10] 李岳衡，王慧斌.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)測應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2011:37-57. LI Yue-heng,WANG Hui-bin. Monitoring and Applications of the Wireless Sensor Networks[M]. Beijing: National Defence Industry Press, 2011 37-57.

[11] 畢嘉娜.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能安全協(xié)議研究[M].沈陽：東北大學(xué)出版社，2013:65-77. BI Jia-na. Research of Energy-Saving Security Protocol for Wireless Sensor Networks [M]. Shenyang: Northeastern University Press, 2013:65-77.

[12] [美]胡飛(HU Fei)，曹小軍(CAO Xiao-jun).無線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理與實踐[M]. 胡飛，曹小軍，牛曉光，宮繼兵等譯.北京：機械工業(yè)出版社，2015：69-95. [US] HU Fei, CAO Xiao-jun. The Wireless Sensor Networks Principles and Practice[M].Translated by HU Fei,CAO Xiao-jun,NIU Xiao-guang, GONG Ji-bing. Beijing: Mechanical Industry Press, 2015:69-95.

[13] 陳志德，許力.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能、優(yōu)化與可生存性[M].北京：電子工業(yè)出版社,2013：69-84. CHEN Zhi-de, XU Li. Wireless Sensor Networks Energy Saving, Optimizing and Survivability[M]. Beijing: Electronic Industry Press. 2013:69-84.

Improvement and Analysis of LEACH Routing Protocol Algorithm

BAI Yong-xiang

(Weinan Vocational Technical College, Weinan Shaanxi 714000,China)

Based on the traditional LEACH protocol, an improved LEACH-CND protocol is proposed. The cluster head election of WSN network is optimized and implemented on the basis of residual energy, and the best cluster numbers of the wireless sensor networks is thus calsulated. Meanwhile, based on the advantage of the elliptic curve cryptosystem, the lightweight identity key encryption algorithms for WSN node is explored. Finally, simulation on the optimized protocol in MATLAB environment indicates its feasibility, and that it could prolong survival time of WSN networks.

WSN(Wireless Sensor Network)；hierarchical routing protocol；LEACH protocol algorithm；elliptic curve cryptography

2015-04-01；

2015-07-29 Received date:2015-04-01；Revised date：2015-07-29

渭南市科技創(chuàng)新扶持資金(No.2013JCYJ-6)

Foundation Item:Weinan Supported Funding for Science and Technology Innovation (No.2013JCYJ-6)

TP393.06

A

1002-0802(2015)09-1062-06

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.09.016

白永祥(1970—)，男，碩士，副教授，主要研究方向為網(wǎng)絡(luò)與信息安全。