LEACH路由協(xié)議的改進(jìn).pdf

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1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN，WirelessSensorNetwork)是微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)、片上系統(tǒng)(soc)、計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)、通信技術(shù)、微機(jī)電技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和傳感器技術(shù)等多種領(lǐng)域技術(shù)于一體的新型獲取和處理信息的傳感網(wǎng)絡(luò)，并隨著這些技術(shù)的飛速發(fā)展和日益成熟，出現(xiàn)了更小、更廉價、更低能量、更靈活的嵌入式系統(tǒng)的并具有感知能力、計算能力、無線通信能力和控制功能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)111。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍用和民用方面具有極高的使用價值，可以在大范圍內(nèi)用于收集、處理、監(jiān)測和發(fā)布極其復(fù)雜的環(huán)境數(shù)據(jù)，但在現(xiàn)實使用過程中存在著一些不可避免的約束。無線傳

2、感器網(wǎng)絡(luò)在實際應(yīng)用中傳感器節(jié)點需要量大，要求單價便宜，所以一般體積微小，通常攜帶的能量十分有限的電池。而且無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點往往被部署在偏遠(yuǎn)地區(qū)或環(huán)境惡劣的危險區(qū)域。因此，如何在不影響功能的前提下，盡可能地延長網(wǎng)絡(luò)的生命時間成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟硬件設(shè)計的核心問題，也是當(dāng)前國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)關(guān)注的焦點問題121。目前，基于節(jié)能的策略的考慮已經(jīng)出現(xiàn)各種各樣的協(xié)議。按照網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以分為平面路由協(xié)議和分層路由協(xié)議。在分層路由協(xié)議中，群首選擇的合理性很大程度上決定網(wǎng)絡(luò)的功耗，網(wǎng)絡(luò)的生命周期的長短。目前分層路由協(xié)議中的群首選擇算法主要集中式和分布式兩種基本算法。集中式群首

3、選擇算法要求基站獲得傳感器網(wǎng)絡(luò)全局信息，然后由基站選取群首，再廣播當(dāng)選群首的節(jié)點ID。分布式群首選擇算法則是由每個節(jié)點獨立運行群首選擇算法，然后自行決定自己是否當(dāng)選為群首。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于分層的典型層次型路由算法有：LEACH【3】、HEED【41、TEENtn等。TEEN和LEACH的實現(xiàn)機(jī)理非常相似，只是前者是響應(yīng)型的，而后者是主動型。主動型傳感器網(wǎng)絡(luò)會持續(xù)不問斷地監(jiān)測周圍的物質(zhì)現(xiàn)象，并以恒定速率發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)；而響應(yīng)型傳感器網(wǎng)絡(luò)只是在被觀測變量發(fā)生突變時才進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。LEACH協(xié)議是第一個針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點提出的分布式層次路由協(xié)議，其后一些分層協(xié)議大

4、多是在其基礎(chǔ)一作者簡介：吳麗君，女，江蘇阜寧人，碩士，研究方向：控制科學(xué)與工程。一50一算法的改進(jìn)，在選取群首的時候，除了考慮節(jié)點輪流成為群首的問題，考慮節(jié)點的剩余能量，同時考慮節(jié)點的密度，使得分布密度越大、剩余能量越高的節(jié)點較其它節(jié)點成為群首的可能性更高。NS2仿真實驗表明，新算法能比LEACH算法更有效地降低網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，均衡網(wǎng)絡(luò)能耗水平，從而可進(jìn)一步提高傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期。2．LEACH協(xié)議2．1協(xié)議的基本原理在LEACH中，各個節(jié)點自組織成為群，每個群內(nèi)有一個群首。所有非群首節(jié)點將自己的數(shù)據(jù)發(fā)送給群首；群首節(jié)點接受所有分群節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)

5、行處理，最后將數(shù)據(jù)發(fā)送給遠(yuǎn)端的基站，由分析可知群首消耗的能量多子非群首節(jié)點。假如群首節(jié)點固定然后一直不變，那么群首節(jié)點將很快消耗掉自己的能量。群首節(jié)點一旦把自己的能量消耗掉，就停止工作，那么其群內(nèi)所有節(jié)點也會和整個網(wǎng)絡(luò)失去通信。因此LEACH采用群首位置隨機(jī)輪換機(jī)制，讓各個節(jié)點輪流的成為群首，這樣避免網(wǎng)絡(luò)中因群首能量消耗過快而死亡。在初始化階段，群首是通過下面的機(jī)制產(chǎn)生的。傳感器節(jié)點生成0，l之間的隨機(jī)數(shù)，如果大于閾值T，則選該節(jié)點為群首。T的計算方法如下：T《t)：JF幣1麗-"’G．(‘)一(2．1)一t0，Gi(t)=lN為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點總數(shù)，k為群首的數(shù)量，G

6、i(t)為i節(jié)點時刻在近幾個輪中(ro(N／l【))作為群首的標(biāo)志函數(shù)，由分析可知只有滿足節(jié)點最近不是群首，其能量多于最近剛剛擔(dān)任過群首的節(jié)點。由于經(jīng)過N／k個循環(huán)后，所有節(jié)點都有一次機(jī)會成為群首，在隨后的循環(huán)中全部符合群首的條件。2．2LEACH優(yōu)缺點分析由LEACH協(xié)議的運行過程可以知道，群首自適應(yīng)地隨機(jī)選取，每個節(jié)點機(jī)會相等，在不同的輪中，由不同的節(jié)點去充當(dāng)群首，把網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載基本均勻地分布在整個網(wǎng)絡(luò)中，把遠(yuǎn)距離通信的負(fù)荷基本均衡分配給網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點，有利于均衡節(jié)點的能量消耗，且不需要上層控制或一些全網(wǎng)信息，實現(xiàn)起來也比較容易。但是群首選擇是隨機(jī)的，節(jié)點擔(dān)任群首

7、是嚴(yán)格等概率的，群首的選擇不考慮節(jié)點的剩余能量，由于群首要收集并融合群內(nèi)信息并直接與基站通信，所以一旦出現(xiàn)能量較低的節(jié)點為群首，其能量很快耗盡，這樣不利于均衡網(wǎng)絡(luò)能量，縮短了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點自組織形成群，節(jié)點選擇與之通信能耗最小的群首而加入這個群，而不考慮群的負(fù)載程度，這樣很可能出現(xiàn)一些不均衡的分群方案，將會導(dǎo)致各個群中的節(jié)點數(shù)量嚴(yán)重不均衡，由分析可知群首選擇算法存在不利延長網(wǎng)絡(luò)生命周期的因素，在下章本文提出改進(jìn)的群首選擇算法。3．加權(quán)群首選擇算法3．1網(wǎng)絡(luò)模型假設(shè)(1)①節(jié)點在需要之時具有足夠的功率將數(shù)據(jù)發(fā)送給基站；②節(jié)點可以根據(jù)需要改變發(fā)射功率的大

8、??；③節(jié)點