LEACH协议研究与优化论文

LEACH协议研究与优化摘要：近年来在微电子技术、通信技术、无线传输技术方面取得的巨大成就使得低成本、低功耗、小体积短通信距离的多功能无线传感器的实现成为可能。在传感器节点能量有限的情况下，提高路由效率，延长网络寿命成为无线传感器网络需考虑的问题。[1]由于采取分簇，数据融合的思想，LEACH协议有着较高的路由效率，但在实际应用，尤其是大规模网络中，仍存在负载不均衡等问题。本文主要分析了LEACH协议的基本思想及优缺点，随后针对大规模的网络环境对其分簇算法进行改进。关键词：无线传感网络路由协议LEACH分簇思想Abstract：Inrecentyears,microelectronictechnology,communicationstechnology,thetremendousachievementsmadewirelesstransmissiontechnologyenableslowcost,lowpower,smallsizeshortcommunicationdistancemultifunctionalwirelesssensorstoachievepossible.Inthecaseoflimitedenergyofsensornodestoimproveroutingefficiencyandprolongthenetworklifetimebecomesaprobleminwirelesssensornetworksneedtobeconsidered.Asaresultofclustering,datafusionideas,LEACHroutingprotocolhasahigherefficiency,butinpracticalapplications,especiallylarge-scalenetworks,therearestillloadimbalanceandotherissues.ThispaperanalyzestheadvantagesanddisadvantagesofthebasicideaofLEACH,followedbyimprovementsinitsclusteringalgorithmforlarge-scalenetworkenvironment.Keywords：WSNroutingprotocolLEACHclustering1.概述无线传感器网络因其在军事、经济、民生等方面广阔的应用前景成为21世纪的前沿热点研究领域。无线传感器网络(witlesssensornetwork，WSN)就是在上述技术之上新出现的事物。LEACH（低功耗自适应集簇分层型协议），他是由MIT的Heinzehnan等人提出了一种基于分簇的路由协议。2.LEACH协议介绍该算法基本思想[1]是：以循环的方式随机选择蔟首节点，将整个网络的能量负载平均分配到每个传感器节点中，从而达到降低网络能源消耗、提高网络整体生存时间的目的。仿真表明，与一般的平面多跳路由协议和静态分层算法相比，LEACH协议可以将网络生命周期延长15%。LEACH在运行过程中不断的循环执行蔟的重构过程，每个蔟重构过程可以用回合的概念来描述。每个回合可以分成两个阶段：蔟的建立阶段和传输数据的稳定阶段。为了节省资源开销，稳定阶段的持续时间要大于建立阶段的持续时间。蔟的建立过程可分成4个阶段：蔟首节点的选择、蔟首节点的广播、蔟首节点的建立和调度机制的生成。蔟首节点的选择依据网络中所需要的蔟首节点总数和迄今为止每个节点已成为蔟首节点的次数来决定。具体的选择办法是：每个传感器节点随机选择0-1之间的一个值。如果选定的值小于某一个阀值，那么这个节点成为蔟首节点。选定蔟首节点后，通过广播告知整个网络。网络中的其他节点根据接收信息的信号强度决定从属的蔟，并通知相应的蔟首节点，完成蔟的建立。最后，蔟首节点采用TDMA方式为蔟中每个节点分配向其传递数据的时间点。稳定阶段中，传感器节点将采集的数据传送到蔟首节点。蔟首节点对蔟中所有节点所采集的数据进行信息融合后再传送给汇聚节点，这是一种叫少通信业务量的合理工作模型。稳定阶段持续一段时间后，网络重新进入蔟的建立阶段，进行下一回合的蔟重构，不断循环，每个蔟采用不同的CDMA代码进行通信来减少其他蔟内节点的干扰。3.LEACH算法分析LEACH协议的优点有[2]:（1）LEACH通过减少参与路由计算的节点数目，减少了路由表尺寸（2）LEACH协议是一种分簇路由协议，降低了非簇首节点的任务复杂度，不必对通信路由进行维护（3）协议不需要周期性的传输数据（4）在给定的时间间隔后，协议重新选举簇首节点，以保证无线传感器网络获取同意的能量分布。由于LEACH算法是建立在一些假设上，所以在实际应用中LEACH协议存在一些问题：(1)LEACH假定所有节点能够与汇聚节点直接通信，并且每个节点都具备支持不同MAC协议的计算能力，因此该协议不适合在大规模的无线传感器网络中应用。(2)协议没有说明簇头节点的数目怎么分布才能及于整个网络。因此，很可能出现被选的簇首节点集中在网络某一区域的现象，这样就会使得一些节点的周围没有任何簇头节点，从而导致网络能耗分布不均匀。(3)LEACH假设第一轮的簇头轮选中所有的节点拥有相同的能量，并且每个簇头节点都消耗大致相同的能量。因此，协议不适用于节点能量不均衡的网络。(4)节点经过簇头选举成为簇头后发布广播消息告知其他节点。其他节点根据与簇头节点的距离选择加入哪个簇。4.LEACH算法的改进4.1门限的改进[3]LEACH在小规模的网络中性能表现较佳，但在大规模的网络环境中，就会出现能量负载不均，性能明显下降的情况。图1节点死亡概率分布图进一步分析可以发现，在大规模网络中，远距离的节点距离基站的距离较远，无论如何分簇，传输数据要消耗更多的能量。因此在网络中的边缘节点总是较快的耗尽能量。而靠近基站较近的节点，相反的，因为传输数据所要消耗的能量较小，所以通常是最后死亡。结合前人实验的结果，可以得到LEACH协议节点大致的死亡时间分布，见图1，最外围的节点死亡的概率最大，次外圈的其次，而最里圈的死亡概率最小。由于LEACH算法中，在每一轮中，簇首节点负责数据融合和与基站通信，比非簇首节点需要消耗更多的能量。网络中的边缘簇首节点与基站通信本身就要消耗大量的能量，再加上进行数据融合，会很快死亡，甚至有可能在与基站通信时能量就消耗殆尽，造成数据的丢失。可以看出，在大规模的网络环境中，对边缘节点进行分簇，反而会加速边缘节点的死亡，分簇失去了它的意义。因此本文LEACH的改进中，考虑在边缘区域内，不进行分簇，即边缘区域的门限设为0。而为了使整个网络簇首节点的期望值保持不变，相应的，增大边缘区域以外节点的门限值。新协议有以下三方面优势:第一，降低了整个网络的能耗。第二，延长了网络的寿命。第三，减少基站收到的数据量，降低基站的耗能。4.2以节点能量为判断标准的筛选[3]在成簇阶段之前，插入一个以节点能量为判断标准的筛选过程，将节点的剩余能量与网络的平均能量相比较，一旦判断出本节点的能量大大的低于网络的平均能量，宣布节点在接下来的循环进入休眠状态直至新的成簇阶段到来时才重新开启节点，并再次进行筛选。同时，对成簇阶段的非簇内节点，在接下来的循环中使其进入休眠状态直至新的成簇阶段到来时才重新开启节点。能耗设置方面，作了如下设置：发送节点的能耗包括启动收发机能耗和放大信号能耗；接受节点的能耗设置为启动收发机能耗。如图2所示。图2每处理k个bit的信息，需要消耗的能量为Eelec*k，而信号放大能量需要由信号传播的距离决定，εamp为放大系数。我们可以把距离分作两种：信号在簇内部传输时，我们视其为自由空间传输，此时信号收发机的能耗为：为簇间传输距离。4.3LEACH的改进型SEP协议[4]经典的聚类协议假定所有的节点都配备了相同数量的能量，因此，他们不能充分利用节点异质性的存在。本文推荐一种能够异构感知的SEP协议，该协议可以延长第一个节点的稳定期。稳定期的延长对于许多应用程序是至关重要的，因为它们从传感器网络的反馈要求必须是可靠的。为了延长稳定期，SEP协议试图维持均衡的能源消耗。直观上，SEP协议高级节点成为簇头的概率大于普通的节点，这就相当于对于能源消耗的约束。与传统的LEACH相比有如下优势：（1）不同节点的初始能量的不同，SEP协议选择能量大的为簇头从而延长了第一节点的死亡时间，也就是延长了稳定期。（2）由于稳定期的延长，SEP协议的吞吐量也高于其他聚类协议。（3）在一个理想的阶段SEP协议的能量均匀的分布在传感器网络中的所有节点上。5.总结改进后的LEACH算法提高了传感器网络的能效，延长了系统的工作寿命。但是新算法仍然存在不足，这仍是下一步研究的重点。参考文献【1】刘昌鑫,夏春和.无线传感器网络路由协议比较研究.微计算机信息2006,22(25)【2】A.Nayebi,H.Sarbazi-Azad,PerformancemodelingoftheLEACHprotocolformobilewirelesssensornetworks,J.Parallel,2011.02.004【3】李方敏,刘新华,徐文君,等.无线传感器网络的链路稳定成簇与功率控制算法【4】于洪斌.曾鹏.梁伟《智能无线传感器网络系统》科学出版社