1.1 什么是分簇路由算法

在无线传感器网络路由算法中，分簇路由算法具有能量消耗低、稳定性高和扩展性好等优点。分簇路由算法中分簇就是分组，即按照特定的应用要求将网络中的所有节点分成不同的小组，每个小组就是一个簇。每个簇由一个簇头和多个簇内成员节点组成。分簇路由算法的工作原理可以简单的概括为：首先簇内成员节点将监测到的数据发送到簇头，然后簇头将监测到的数据和接收到的所有数据进行数据融合后发送给下一跳节点或者基站。

1.2 分簇路由算法的优点

分簇路由算法具有以下优点：

（1）能耗低。一方面，簇头融合成员节点数据后再转发，减少了数据冗余量与传输量，相应降低了节点能耗；另一方面，簇内通信引入了休眠机制，簇内成员节点在不发送数据时可以处于休眠状态，一定程度上也降低了能耗。

（2）稳定性高。通过成簇形成的子网络比较稳定，使得网络拓扑结构的变化对网络的影响降低。

（3）扩展性好。分簇能使网络动态适应拓扑结构变化，可扩展性高，比较适合大规模网络。

2.1 LEACH 算法(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)。

LEACH算法是由MIT的Heinzekman等人提出的第一个WSN分簇路由算法,是具有代表性的分簇、数据融合的成簇路由算法，后来大多数基于分簇的路由算法都是借鉴LEACH分簇的思想发展而来。LEACH的基本思想是：通过等概率周期性的轮换选举出簇头，减少节点与基站(BS)直接通信的个数。提出了以“轮”为整个算法的工作周期，每一轮中都会选举出新的簇头，将整个网络的能量负载平均到每一个节点上，从而达到降低网络通信能耗、延长整个网络生命周期的目的。基于LEACH的无线自组网分簇网络路由协议的网络架构如图所示。

LEACH算法选举簇头的基本过程是：网络中每个节点在0到1的随机数间任意选择一个数，如果在当前轮中随机选择的这个数值小于设定的阈值T(n),则在该轮中这个节点被选举为簇头。T(n)的计算公式如下：

式中，p为网络中每个节点被选举为簇头的概率，r为当前轮数，G为1/p轮内没有被选举为簇头的节点集合。当T(n)置为0时，网络中所有节点将重新开始选举簇头。簇头节点选举完成后，簇头节点向全网广播自己成为簇头的消息，广播过程采用了CSMA MAC协议来避免发生冲突。网络中所有的非簇头节点根据接收到的信号强弱度来判断应该加入哪个簇并告知相关的簇头，簇的建立完成。LEACH分簇路由算法具有独特的逻辑层次结构，所以能够更好的支持数据融合、安全机制等其他WSN重要技术。

2.2 LEACH算法的缺点

LEACH算法仍存在以下缺点：簇头能耗难以均衡。在簇头选举过程中，LEACH路由算法并没有考虑到节点剩余能量，由于每个节点成为簇头的概率相同，因此会导致能量过低的节点被选举为簇头，从而加速该节点的死亡，影响整个网络性能。距离基站远的簇头能耗过大。从LEACH路由算法采用的网络能耗模型可以看出，基站与簇头之间的距离存在一个阈值，当这个距离大于阈值时，簇头发送消息的能耗将变成与这个距离的四次方成正比，导致距离基站远的簇头能量消耗过快。