LEACH路由协议的改进.pdf

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1、无线传感器网络(WSN，WirelessSensorNetwork)是微机电系统(MEMS)、片上系统(soc)、计算机技术、网络技术、嵌入式系统、通信技术、微机电技术、分布式信息处理技术和传感器技术等多种领域技术于一体的新型获取和处理信息的传感网络，并随着这些技术的飞速发展和日益成熟，出现了更小、更廉价、更低能量、更灵活的嵌入式系统的并具有感知能力、计算能力、无线通信能力和控制功能的无线传感器网络111。无线传感器网络在军用和民用方面具有极高的使用价值，可以在大范围内用于收集、处理、监测和发布极其复杂的环境数据，但在现实使用过程中存在着一些不可避免的约束。无线传

2、感器网络在实际应用中传感器节点需要量大，要求单价便宜，所以一般体积微小，通常携带的能量十分有限的电池。而且无线传感器网络节点往往被部署在偏远地区或环境恶劣的危险区域。因此，如何在不影响功能的前提下，尽可能地延长网络的生命时间成为无线传感器网络软硬件设计的核心问题，也是当前国内外研究机构关注的焦点问题121。目前，基于节能的策略的考虑已经出现各种各样的协议。按照网络的拓扑结构，可以分为平面路由协议和分层路由协议。在分层路由协议中，群首选择的合理性很大程度上决定网络的功耗，网络的生命周期的长短。目前分层路由协议中的群首选择算法主要集中式和分布式两种基本算法。集中式群首

3、选择算法要求基站获得传感器网络全局信息，然后由基站选取群首，再广播当选群首的节点ID。分布式群首选择算法则是由每个节点独立运行群首选择算法，然后自行决定自己是否当选为群首。无线传感器网络中基于分层的典型层次型路由算法有：LEACH【3】、HEED【41、TEENtn等。TEEN和LEACH的实现机理非常相似，只是前者是响应型的，而后者是主动型。主动型传感器网络会持续不问断地监测周围的物质现象，并以恒定速率发送监测数据；而响应型传感器网络只是在被观测变量发生突变时才进行数据传送。LEACH协议是第一个针对无线传感器网络特点提出的分布式层次路由协议，其后一些分层协议大

4、多是在其基础一作者简介：吴丽君，女，江苏阜宁人，硕士，研究方向：控制科学与工程。一50一算法的改进，在选取群首的时候，除了考虑节点轮流成为群首的问题，考虑节点的剩余能量，同时考虑节点的密度，使得分布密度越大、剩余能量越高的节点较其它节点成为群首的可能性更高。NS2仿真实验表明，新算法能比LEACH算法更有效地降低网络的能量消耗，均衡网络能耗水平，从而可进一步提高传感器网络的生命周期。2．LEACH协议2．1协议的基本原理在LEACH中，各个节点自组织成为群，每个群内有一个群首。所有非群首节点将自己的数据发送给群首；群首节点接受所有分群节点发送来的数据，然后对数据进

5、行处理，最后将数据发送给远端的基站，由分析可知群首消耗的能量多子非群首节点。假如群首节点固定然后一直不变，那么群首节点将很快消耗掉自己的能量。群首节点一旦把自己的能量消耗掉，就停止工作，那么其群内所有节点也会和整个网络失去通信。因此LEACH采用群首位置随机轮换机制，让各个节点轮流的成为群首，这样避免网络中因群首能量消耗过快而死亡。在初始化阶段，群首是通过下面的机制产生的。传感器节点生成0，l之间的随机数，如果大于阈值T，则选该节点为群首。T的计算方法如下：T《t)：JF币1丽-"’G．(‘)一(2．1)一t0，Gi(t)=lN为网络中节点总数，k为群首的数量，G

6、i(t)为i节点时刻在近几个轮中(ro(N／l【))作为群首的标志函数，由分析可知只有满足节点最近不是群首，其能量多于最近刚刚担任过群首的节点。由于经过N／k个循环后，所有节点都有一次机会成为群首，在随后的循环中全部符合群首的条件。2．2LEACH优缺点分析由LEACH协议的运行过程可以知道，群首自适应地随机选取，每个节点机会相等，在不同的轮中，由不同的节点去充当群首，把网络的负载基本均匀地分布在整个网络中，把远距离通信的负荷基本均衡分配给网络中的节点，有利于均衡节点的能量消耗，且不需要上层控制或一些全网信息，实现起来也比较容易。但是群首选择是随机的，节点担任群首

7、是严格等概率的，群首的选择不考虑节点的剩余能量，由于群首要收集并融合群内信息并直接与基站通信，所以一旦出现能量较低的节点为群首，其能量很快耗尽，这样不利于均衡网络能量，缩短了网络的生命周期。网络中的节点自组织形成群，节点选择与之通信能耗最小的群首而加入这个群，而不考虑群的负载程度，这样很可能出现一些不均衡的分群方案，将会导致各个群中的节点数量严重不均衡，由分析可知群首选择算法存在不利延长网络生命周期的因素，在下章本文提出改进的群首选择算法。3．加权群首选择算法3．1网络模型假设(1)①节点在需要之时具有足够的功率将数据发送给基站；②节点可以根据需要改变发射功率的大

8、小；③节点