2022年无线传感器网络路由协议LEACH研究报告与改.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用无线传感器网络路由协议LEACH的讨论与改进摘要:无线传感器网络由很多具有低功率无线收发装置的传感器节点成,能够有效地感知、采集和处理网络掩盖区域中的相关信息,并发送给远处的基站进一步处理；由于传感器节点能量有限 ,路由协议必需尽可能地削减能量消耗,延长网络生命周期；在 LEACH 算法基础上 ,提出一种改进的路由算法 ,改进后的算法采纳相对固定的成簇方式,每隔一轮重新构建簇；利用图论中的prim 算法,挑选每轮中Ped 最大的簇头作为根节点,在簇头节点之间构造树形路由 ,簇头之间以多跳方式将收集到的数据发送到根节点,

2、然后通过根节点将整个网络收集到的数据发送到基站；仿真结果说明 ,与 LEACH 算法相比 ,改进 算法降低了能耗 ,有效延长了网络生存周期；关键词 :无线传感器网络； LEACH 算法； 分簇；生命周期；能量消耗Abstract: W ireless sensor networks consisting of a large number of small sensorswith low-power transceiver canbe an effective tool for apperceiving, collecting and computing data in a variety o

3、f environment.The collected datamustbe transmitted to the base station for further processing. Based on LEACH algorithm, this paper presents a novel clustering algorithm in which clusterare relatively fixed and the nodes re-organize themselves into new clusters every other round. It utilizes the Pri

4、m algorithm inthe graph theory to form tree routing among cluster-head nodes, and selects the cluster-head with the largestPedas the rootnode. The cluster heads send data to the root node in a multi-hop manner and the root node then sends the gathered data bythe whole network to the base station. Si

5、mulation results show that compared with LEACH, the improved algorithm can reduce the energy consumption and prolong the lifetime of the network.Key Words：wireless sensor network, LEACH algorithm, clustering, lifetime, energyconsume名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使

6、用1、前言无线传感器网络被认为是在肯定空间范畴内密集分布的由大量体积小、廉价、电池供电的通信器件构成的自组织系统由于无线传感器网络大都需要在无人看管、不更换电池或者几乎不行能更换电池的条件下长时间的工作,如何提高能量的有效利用率并延长网络寿命便成了一个重要问题网络数据传输离不开路由协议,路由协议对网络的整体性能有重要影响,因此 ,作为无线传感器网络核心技术之一的路由协议始终是讨论的热点；路由算法在路由协议中起着至关重要的作用,无线传感器网络中的路由算法从网络规律结构角度可以分为平面路由和层次路由；层次路由算法是无线传感器网络路由算 法的讨论重点 ,其中 ,LEACH 算法是比较具有代表性的层次

7、型路由算法；本文在 LEACH 算法的基础上 ,介绍一种改进的路由算法,改进算法的成簇方式相对固定 ,削减了构造簇的能量消耗；簇形成之后,在簇头间构造最小生成树,簇间通过多跳方式通信 ,降低了簇头节点之间长距离通信的能耗；2、LEACH 算法2.1 算法描述： LEACH 协议的操作是按轮进行的 ,每一轮包含簇建立和稳固运行 2 个阶段 ,在簇建立阶段 ,自适应分簇结构形成,在稳固运行阶段进行数据传输；在簇建立阶段 ,选取肯定数目的节点充当簇头节点；每个节点随机安排一个在 0 到 1之间的数字 ,成为其标志值；假如节点的标志值小于门限值就充当本轮的簇头节点；门限 Tn定义如下：Tn=p/1-p

8、*rmod1/p nG Tn= 0 其他Tn的话 ,该节点式中p 为网络中簇头节点所占总节点数目的百分比；r 为当前的轮数； G为一个集合 ,集合中的节点是前1/p 轮中没有充当过簇头节点的节点；使用这个门限 ,每个节点会在1/p 轮操作内充当一次簇头节点；等过了1/p 轮以后 ,所有的节点都充当过簇头节点,从而又可以重新充当簇头节点；节点被选为簇头名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用后,就向外发送广播信息；其他节点就依据收到消息的信号强弱 ,选取信号最强的发送源节点作为自己的簇头节点,加入那

9、个簇 ,并向簇头发送加入的请求；簇头收到恳求后为成员节点设定一个TDMA时隙表；此后的簇稳固阶段,节点在属于自己的时隙里将采集的数据发送给簇头节点 到的成员节点的数据进行融合 ,然后 ,直接发送给基站；2.2 LEACH 算法的不足及其改进算法,簇头节点将接收在 LEACH 算法中 ,每一轮循环都要重新构造簇 ,而构造簇的能量开销比较大；其次 ,远离汇聚节点的簇头节点可能会由于长距离发送数据而过早耗尽自身能量 ,造成网络分割；另外 ,LEACH 算法没有考虑簇头节点当前的能量状况 ,假如能量很低的节点当选为簇头节点 ,那么将会加速该节点的死亡 ,影响整个网络的生命周期；3、改进的算3.1改进算

10、法的基本思想,但是与LEACH 不同的是 ,改进后的本文的改进算法也按轮的机制运行算法不必每一轮都重新构建簇；改进算法运行到第N 轮,当 N 为奇数时 ,新算法采纳与 LEACH-EA 相同的机制挑选簇头 ,这样产生的簇头在新算法中称为 活动簇头 ,活动簇头选定后 ,该活动簇头发布自己是簇头的消息 ,非簇头节点根 据接收信号的强弱来挑选加入哪个簇 ,并通知相应的活动簇头 ,完成簇的建 立；簇建立之后 ,簇内节点通过单跳通信方式直接向其簇头节点传送数据；当 N 为偶数时 ,原先的簇固定不变；假如此时活动簇头节点能量低于某一个门限值时 ,就在原簇内重新挑选簇头节点,以簇内剩余能量最多的节点为新的簇

11、头节点 ,这样产生的簇头在新算法中称为固定簇头；为降低簇头 包括活动簇头和固定簇头 节点的通信代价 ,在簇头间构造树形路由 ,簇头间以多跳方式通信；3.2 改进算法的描述,就该节向四周节点广播它是簇头的消息 ,参照 LEACH-EA 的阈值运算公式Tn可表示为 :Tn=p ） =0,其它其中 ,p 是簇头占全部节点的百分比,即节点当选簇头的概率；r 代表目前进行的轮数； G 表示最近 1/p 轮中仍未当选过簇头的节点集合；En-current 表示节点的当前能量； Eaver 表示每一轮终止后节点的平均能量；节点当选为活动簇头后 ,该活动簇头广播自己是簇头的消息,非簇头节点依据接收信号的强弱；

12、挑选加入哪个簇,并通知相应的活动簇头,完成簇的建立；活动簇头接收到全部的加入信息后 ,就产生一个TDMA 定时信息表 ,给簇中每个非簇头成员节点安排传送数据的时间片 ,成员节点只能在其特定的时间片内与簇头节点进行通信；算法执行首轮时 ,簇的建立与此种情形相同；当 N 是偶数时 ,就原先的簇固定不变；假如活动簇头节点能量低于某一个规定的门限值 ,就在原簇内重新挑选簇头节点 ,以簇内剩余能量最多的节点为簇头节点 ,这样产生的簇头称为固定簇头；固定簇头与簇内成员的通信方式和活动簇头一样；当节点持续采集监测数据时 ,在其相应时间片 ,使用最小能量传给簇头节点；节点不发送数据时 ,关闭节点以节约能量；簇

13、头节点必需保持其接收器始终打开 ,以接收簇内不同节点的数据 ,然后进行数据融合；3.2.2 簇头间树形路由的构建与簇间通信假设要在 n 个城市之间建立通信联络网 ,就连通 n 个城市只需要 n-1 条线路；假如用连通网的顶点来表示城市 ,边表示两城市之间的线路 ,给予边的权值代表相应的代价 ,需要考虑如何在最节约经费的前提下建立这个通信网；对于 n 个顶点的连通网可以建立很多不同的生成树,每一棵生成树都可以是一个通信网 ,要挑选一棵生成树 ,使总的代价最少 ,这就是构造连通网的最小代价生名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - -

14、- 个人资料整理 仅限学习使用成树Minimum Cost Spanning Tree 问题7 简称为最小生成树问题 ；考虑将此问题中的城市与无线传感器网络中的簇头节点相对应,可以在簇头节点之间构造最小生成树 ,降低簇头节点间的通信代价；prim 算法构造最小生成树的过程:假设 N=V,E 为连通网 ,V 表示网中顶点的集合 ,E 表示边的集合 ,U 是 V的一非空子集 ,TE 为最小生成树中边的集合；第一,从集合V 中取一个顶点V0 加入集合 U 中,这时 U=V0, 集合 TE=, 接着重复执行以下操作 :从 V0 出发,在集合 V 中查找与 U 中顶点相邻顶点中权值最小的边的另一顶点 V

15、1,然后将 V1 并入 U 中,并将该边加入集合TE 中,直到 U=V 为止；这时 TE 中有 n-1条边,T=U,TE 为 N 的最小生成树；本文参照文献 5, 利用 prim 算法构造最小生成树的原理在簇头间构造树形路由 ,在文献 5的基础上进行了改进 ,过程如下:1选出的簇头节点将自己的剩余能量和到基站的距离加入到广播数据包中进行广播 ,依据其剩余能量和到基站的距离关系参数Ped,选取 Ped最大的簇头节点作为树根节点；Ped 的定义公式 :Pedi=Ey2iDei3 其中 ,i 是传感器节点编号 ,Eyi 是节点 i 的剩余能量 ,Dei是节点 i 到基站的距离； 2利用prim 算法

16、构造最小生成树原理 ,树根节点挑选下一跳中最小有效簇头节点作为其子节点 ,该子节点以树根节点为父节点,同时向下一跳簇头节点连续搜寻；如该子节点搜寻胜利 ,就连续执行路由算法 ,如没有搜寻到最小有效簇头节点 ,就返回该根节点连续搜寻；3重复 2,直到全部节点加入到树中 ,构成树形网络路由；簇头节点通过树网络路由,以多跳方式通信 ,最终作为树根节点的簇头将数据传给基站；簇头间的树形路由如图 1 所示；4、算法的仿真分析采纳 Matlab 仿真工具 ,对 LEACH 算法、 LEACH-EA 算法和改进的算法进行仿真比较；仿真场景假设有100 个传感器节点组成 ,节点随机分布在一个介于 x=0,y=

17、0与 x=100,y=100的区域内 ,每个节点都拥有相同的初始能量 E0=0.5J,仿真模型参照文献 6 ；如图 2 所示,前 1000 轮中 , LEACH 和 LEACH-EA 算法的节点存活数比较接近,改进算法相对来说比前两种算法更优越；网络生命周期是衡量网络质量的一个重要标志 ,图 3 显示了当节点死亡率为1%,50%,100%时所经过的轮数；从图中可以看出新算法的通信轮数高于名师归纳总结 LEACH 和 LEACH-EA 算法,说明改进之后得到的新算法降低了能耗,延长了第 5 页,共 9 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 网

18、络的生存时间；个人资料整理仅限学习使用第 6 页,共 9 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用5、参考文献1Tao Yang,Zheng Yaling.The combination of the optimal number of cluster-heads and energy adaptive cluster-head selectionAlgorithmin wireless sensor networksC.WiCOM 2006 International Conference.Wuhan,China,2006:1-

19、4.2Hou Guofeng,Tang K W.Evaluation of LEACH protocol subject to different traffic modelsC/COIN-NGNCON 2006.Hyatt Regency Jeju,Korea,2006:281-283.3Heinzelman,W.R.,A.Chandrakasan,andH.Balakrishnan.Energy-Ef-名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用ficientCommunication Proto

20、col for Wireless Microsensor Networks,Proc.of the 33rd AnnuaHawaiiInternationalConferenceonSystemSciences,January47,2000.Maui, Hawaii.p.3 0053 0144 Handy MJ,Haase M,Timmermann D.Low energy a-daptive clustering hierarchy with deterministic clus-ter-head selectionA.Proc of the 4th IEEE Conf onMobile a

21、nd Wireless Communications NetworksC.Stockholm: IEEE Communications Society, 2002.368-3725王振兴 ,熊伟丽 ,徐保国 .基于 LEACH 的簇树网络路由算法讨论 J.运算机测 量与掌握 ,2022,1611:173517376 Wendi B. Heinzelman, Anantha Chandrakasan, HariBalakrishnan. An application-specific protocol architec-ture for wireless microsensor networks

22、 J. IEEETransactions On wireless Communications,2002,14:6606707 李保强,面对无线传感器网络的低能耗关键技术讨论【学位论文 ,西北 工业高校, 2005.3. 8孙利民李建中陈渝等编无线传感器网络清华高校出版社 2005.5 9 吴臻 ,金心 宇 . 无线传感器网络的 报,20063436 LEACH 算 法的改进 J. 传感技术学10 于 海 斌 , 曾 鹏 . 智 能 无 线 传 感 器 网 络 系 统 M. 第 一 版 科 学 出 版 社,2006,119139 致谢本论文是在我的导师王亚丽老师细心指导和严格要求下完成的,在此向王老师致以最崇高的敬意与最真诚的感谢；从07 年入学以来,始终深受李老名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用师的感染,王老师严谨的治学态度、渊博的学识、为人师表的高尚品行和勇于创新的科学精神令同学终生难忘,对我在做人、工作、生活诸多方面产生了积极的影响,我深信这将使我终生受益；感谢课题组的各位同学,在与大家学习交流的过程中,我受益匪浅；感谢我的亲人和伴侣对我无私的关怀和帮忙；真名师归纳总结 诚感谢全部关怀和帮忙过我的人们.第 9 页,共 9 页- - - - - - -