无线传感器网络LEACH协议研究.docx

沈苑宜毕业论文：无线传感器网络LEACH协议的研究无线传感器网络LEACH协议的研究摘要：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1。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。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。前人提出一种有效的方法计算最优簇首个数，本文推算出适合本文中网络环境的公式并加以应用。本文用NS2进行仿真，仿真后的结果表明，改进后的分簇算法更为有效，延长了网络寿命，增大了网络传送数据量。关键词：无线传感器网络；路由协议；LEACH；分簇思想 Research on Routing Protocol of LEACH in WSNShen YuanyiDept. of Information and Telecommunication,NUPTABSTRACT：Nowadays, wireless sensor network has become a hot spot of 21st century because of its wide application on military, economy and human life. On the condition that the energy of a sensor node is limited, how to improve the routing efficiency and expand the networks lifespan has been an important issue to consider. LEACH maintains quite high routing efficiency for its idea of clustering and data gathering. But in practical, it still has problems such as load unbalance especially in large scale network. The article mainly analyses the basic idea of LEACH, the benefits and drawbacks of it and later introduce an improvement on clustering algorithm according to large scale network.Key words：WSN；routing protocol; LEACH; clustering1 LEACH协议介绍与分析1.1 LEACH算法思想算法基本思想2是：以循环的方式随机选择簇头节点，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。LEACH在运行过程中不断的循环执行簇的重构过程，每个簇重构过程可以用回合的概念来描述3。每个回合可以分成两个阶段：簇的建立阶段和传输数据的稳定阶段。1.2 LEACH算法的分析LEACH协议的优点4有: （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）在LEACH协议中，簇头的选举是随机产生的，这样的随机性可能会导致簇头分布不均。簇头节点可能会集中分布在某一区域，分簇就失去了意义。（2）在小规模的网络中，LEACH的表现较为理想，而在大规模的网络中，距离基站较远的节点总要比距离基站较近的节点消耗更多的能量，因而会较早的死亡，使整个网络负载不均衡。（3）簇首选择的时候没有考虑节点的剩余能量，如果某个节点的剩余能量比较小，而它又恰巧被选为簇首节点，由于簇首的能量消耗比较大，那么一旦簇首的能量耗尽，那么该簇所收集的信息将不能传回汇聚节点，从而影响网络的生命周期。2 LEACH协议的改进2.1 门限的改进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，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。为了便于描述，假设d为网络覆盖区域边长的一半，如图2，则为网络覆盖区域内到基站最 远的距离，表示基站到边缘线的距离，距基站大于的范围就是边缘区域；为门限值增大的系数。 2.2 最优簇首节点个数层次路由协议的第一步就是分簇、选择簇首，簇的个数影响着整个网络的性能和生存周期。若簇首数目过少，每个簇所覆盖的区域过大，成员节点到簇首节点的距离就会较远，传输数据造成的能量消耗就会增大，而且簇首节点的通信负担过重，会很快死亡，这样不利于网络的能耗平衡。若簇首数目过多，簇首节点所消耗的能量要远远大于非簇首节点，整个网络在每轮中能量消耗增大。另外，簇首数目过多导致数据融合的效率降低，产生过多不必要的通信能耗。因此，一定存在一个最佳的簇首概率值5，使得网络在每一轮中的能耗最小，尽可能地延长整个网络的生命周期。本文中将簇头节点的优化方案融入改进的协议，并且在本文实验的条件下对其进一步精确化。簇头节点如下公式：。其中，N为无线传感器网络中的总节点个数；为自由信道传输放大器的能耗系数，单位为J/bit/m2;为多径信道传输放大器的能耗系数，单位为J/bit/m2;M为无线传感器网络覆盖区域长度；为网络中节点到基站的距离。参数数值M1000N100，300簇首节点初始值4，5，6，7，8，10节点初始能量1.510pJ/bit/m20.013pJ/bit/ m4基站位置网络中心，即（500,500）表格1 实验参数3. 实验分析与改进结果3.1 仿真参数本实验针对的无线传感网络为一个正方形网络，边长为M。网络节点数为N。节点随机分布且所有节点初始能量都相同。以轮作为运行时间的参考，即节点的存活时间等参数以运转的轮数衡量其长短。其余参数见表格1：3.2 实验结果与分析利用awk语言取得节点的坐标并算出节点距基站的距离，编辑关于节点的距离与节点死亡时间的文件，可得出节点存活时间与节点距基站距离的关系图。选取实验中结果最好的一组数据和LEACH协议的数据，用gnuplot软件画出节点存活时间与节点距基站距离的关系图，如图2，对比其差异。图 2改进前后LEACH节点存活时间与节点距基站距离的关系图改进后的LEACH协议比之前有较大的提高，见图3。改进后，网络节点的存活数量在相同时间段内有明显的增加。改进后的协议中，改变，的大小所得结果的情况为：（=0.8，=1.15）优于（=0.8，=1.1）优于（=0.77，=1.1）。在开始阶段，（=0.77，=1.1）的节点剩余最多，但是中间阶段节点存活数量下降得很快，尤其在120轮到130间，节点死亡数目比LEACH协议多了很多，所以总体性能只是较LEACH稍有提高。而（=0.8，=1.15）虽然在开始阶段，与LEACH相比并没有太大改善，但总体节点数目较为平缓的减少，尤其在最后阶段，几个节点运行了很久才能量耗尽，使网络生存时间大大提高。对比（=0.77，=1.1）和（=0.8，=1.1）的曲线，即图中的绿线和蓝线，可以得出=0.8较为合理。=0.77范围稍偏大，以其值确定的边缘范围中，对一部分节点进行分图 3 LEACH改进前后网络存活节点数与运行时间关系图簇网络效率更高。对比（=0.8，=1.1）和（=0.8，=1.15），即图中的蓝线和紫线，可以得出，在的较优值确定的情况下，适当增大簇头的门限值，即使簇首节点数目增多，网络的效率更高。当门限值适当增大时，曲线下降得较为平缓，说明能量分布的较为均匀。因而网络能更久的维持。参考文献1 任丰原,黄海宁,林闯. 无线传感器网络.软件学报,2003,Vol.14, No.72 A. Nayebi,H.Sarbazi-Azad, Performance modeling of the LEACH protocol for mobile wireless sensor networks,J.Parallel Distrib.Comput.(2011),doi:10.116/j.jpdc.2011.02.0043 Heinzelman, A. Chandrakasan and H. Balakrishnan, “Energy-Efficient Communication Protocol for Wireless Microsensor Networks,” Proc. 33rd Hawaii Intl. Conf. Sys. Sci., Jan. 2000.4 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