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无线传感器网络中改进的HeeD路由协议 毋计算机工程与应甩，（）无线传感器网络中改进的?由协议李晶，史杏荣，中国科学技术大学信息处?中心，合肥，嵋。 （），（），；摘要在无线传感器网络的?由技术中，基于簇的?由算法在?扑管?、能耗利用、数据融合等方面都有较强的扰势。 在分析协议的基础上，提出了算法存在的问题，并相应地修改了成簇算法，增强了算法的健壮性。 同时通过反应式的广播各节点的通信代价，而?是周期性的在每轮初始化阶段广播，大大降低了节点间广播通信代价的次数，节省了网络的整体能耗。 仿真结果也证明了改进后的协议相对于提高了网络的生命周期。 关健谰无线传感品网络；成簇；网络生命期（）引齐无线传感器网络（基于簇的协议设计将大?的数据通信和融合限制在了簇内（本）集成了传感器地），从而降低了能?消耗，并满足了可扩展，?组织的要求。 分簇?由协议设计的首要目标是通过高效的分簇算法形成合?的嘲络结构，通过主动的能?管?阻止网络连通性下技术、嵌入式技术、信息处?技术和无线通信技术是由大?密集部署在监控区域的智能节点构成的一种删络应用系统，广泛运用干设施安全、环境监控、工业应用、交通控制等。 节点的能晕在使用过程中通常?能再补给，凼而节点的能耗影响到节点能否检测数据并保持嘲络的连通，所以需要研究新的技术，以实现网络能耗最小化，节点生命周期最大化，能?负载均衡化，以及通信能?最优化。 从网络?扑结构的角度，的?由协议可以分为两类降，延长删络的生命周期。 因此，能?消耗成了通信连接性能好坏，网络运?周期长短的主要决定因素，的整体性能高度依赖于各种能有效利用能?的分簇?由算法。 相关研究分簇协议中的簇头要么是由能?相对?受限的特殊节点充当，要么通过普通节点轮流充当。 对后者来兑为了达到整个网络的负载均衡，分簇协议通常以轮为单位，每轮重新进?簇头选择，簇的产生，继而收集数据。 簇头选择可以由集中式算法产生，也可由分布式算法产生。 前者的成簇开销较大，而且限制了网络的扩展性。 后者有较好的扩展性，较快的收敛速度和能?高效性。 ?平而型和层次型。 平面?由协议中，时络节点地位平等，?产生瓶颈效应，但缺乏管?节点对通信资源优化管?，自组织协可工作算法复杂，对网络动态变化反应较慢，附近的节点很快吲能?耗尽而死亡。 而层式?“协议，比如和链式的三层恸，议，极大地降低了网络的总体能耗，并提高了网络的扩展性。 绝大多数层次?由基于分簇协议。 在分簇?由协议中，网络通常被划分为簇（），每个簇由个簇头节点和多个簇成员节点组成。 簇头管?或控制整个簇内的成员节点协调成员节点日的工作，负责簇内信息的收集和融合处?以及簇问转发。 簇内数据的强相关性和冗余性，为数据融合提供了可能，而是分布式成簇协议的代表。 每个节点产生个乱的随机数，如果这个数小于阈值（），则该节点向整个网络广播它是簇头。 “）的计算公式为作者简介李晶（一）女硕士研究生，主研方向无线两络与安垒；史杏荣，教授，研究方向网络通信和信息安全。 万方数据。 。 。 。 。 ！竺！竺竺！竺竺竺苎！苎！竺型！竺竺竺兰竺兰兰垫三矍兰生?“。 ）两五丽可研“?【其他口是簇头占所有节点的百分比，即节点当选为簇头的初始概率，实际的簇头概率以为中心上下浮动。 是目前循环进?的轮数。 是在最近加轮中没有当选过簇头的节点集合。 可以看出，当选过簇头的节点在接下来的加轮中将?能成为簇头，而其他节点当选簇头的阚值（）会增大，节点产生小于“）的随机数的概率随之增大，所以节点当选为簇头的概率增大。 簇头广播当选的消息以后其他节点根据簇头广播信号的强弱决定加入哪个簇。 由于簇头是随机挑选的，因此协议?能保证簇头在网络中分布均匀（如图所示）而簇头分布将决定该轮中传感器网络的能?损耗状况。 簇 一、（学图与的簇头分布”（州）协议主要依据主、次两个参数，通过将能耗平均分布到整个刚络来延长网络生命周期。 其中簇头选择的主参数依赖千剩余能?，用于随机选取初始簇头集合，具有较多剩余能?的节点将有较大的概率暂时成为簇头，而最终该节点是否一定是簇头取决于剩余能?是否比周围节点多得多，即迭代过程是否比周围节点收敛得快；次参数依赣于簇内通信代价，用于确定?在多个簇范围内的节点最终属于那个簇，以及平衡簇头之间的负载。 。 以（簇内平均可达能?）作为衡?簇内通信代价的标准。 该簇头选择算法有以下特点完全分布式的簇头产生方式；簇头选择柏有限次选代内完成；最小化控制报文开销；簇头分布均衡。 它的主要改进是在簇头选择中考虑了节点的剩余能?，并以主从关系引入多个约束条件。 实验结果表明，分簇速度?快，能产生?加分布均匀的簇头、?台?的网络?扑，如图所示。 问题的描述。 算法的实质是在全网时间司步的基础上，将节点根据当前剩余能?占初始能?的比例划分为?干“等级”，等级较高的节点率先公布自己为簇头，而等级较低的节点在收到簇头广播后加入这个簇。 如果节点的剩余能?降为初始能?的就被除去竞选簇头的资格，则通过算法收敛速度将节点分成个等级。 ，加，和低于叭。 由于的节点数目众多，相邻节点也有相当大的可能性属于同一能?等级。 。 存在的问题如图所示，在的簇半径内，在的簇半径内。 假设，在同一能?等级，且在以它们为圆心，为半径的区域内没有能?等缓?高的节点，它们的通信代价。 。 如果它们同时声明自己为暂定簇头，当万方数据它们的迭代到时，将选定自己为簇头并广播，口将选定为簇头并加入簇，而将选定为簇头并加入簇但并非最终的簇头，因此无法加入任何簇。 这个问题的产生是因为原来的分布式算法使得?知道已经?会是簇头。 这?我们对原来的算法作出修改当一监听到加入簇的消息后，将从的待选簇头集合中删除。 如果在向发出加入消息前，已经向发出加入消息，则忽略该消息，等监听到加入簇的消息时，同上面的操作。 （钕、，、一一）、一、一，?一一另外，中决定簇头选择的两个参数，分别反应能耗状况和节点的通信代价，通信代价主要由节点的邻节点分布决定。 节点的能耗状况每时每女情在改变，但节点的邻节点分布却相对稳定。 在每轮成簇的步骤中，每个节点都要向簇半径内的邻节点广播自己的，能耗是相当可观的，而在一个静态网络中除非邻节点失效或死亡否则一个节点的邻节点?会经常性的变化，所以在一段时间内节点的通信代价变化?大，因而没有必要在每一轮成簇阶段都广播自己的通信代价，而只需要在发现自己的通信代价有变化的时候才向邻节点广播这一消息，这样可以大大降低网络整体的通信能耗。 ?西议的描述改进后的协议（称为），使用固定的簇半径。 假定节点发射半径为时，网络节点是连通的，并称距离小于等于的节点为邻节点。 该协议在事实上保证了两个簇头问的距离大于簇半径，同时在簇头选择时考虑了通信代价的大小。 这?的用节点收到的邻节点的平均信号强度胁来表示上，观一其中是节点的邻节点数?，既是。 收到邻节点薯的信号强度。 越高，以为簇头的通信能耗就越小所阻跚可以作为节点竞争簇头的优先级。 分为个部分，。 和。 。 女发生在网络的初始设置阶段，每个节点根据接收到的信号强度。 计算邻节点平均信号强度并以发射半径广播。 每个节点都缓存邻节点的及其对应的平均信号强度。 在完成初始、垃置后，如果某节点发现自己接受到的平均信号强度发生变化，则向簇内广播新的平均信号强度，使邻节点可以及时?新该信息。 。 ，按轮进?，每轮包括成簇和数据传输。 成簇算法具体见下面的伪代码。 李晶史杏荣无线传感器网络中改进的?由协议（）第?是节点成簇的初始化。 吒埘。 腰一，反映了节点当前的能?状况。 （。 ，尸。 ）越大越早结束循环越有可能当选为簇头。 规定最小剩余能?比例民。 是为了防止收敛速度太慢。 第?是成簇的主循环体。 对于节点，每次循环开始，首先判断有没有新的簇头（包括正式簇头和候选簇头）广播消息，如果有，则把新的簇头加入候选的临时簇头集合。 然后监听候选集合中是否有节点发出的消息，如果有就把从中除去。 如果自己是簇头的候选节点，则每次循环都需要判断断是否最高，如果最高等循环结束广播自己成为正式簇头。 第?是成簇的结束工作。 循环结束后，如果为空，则认为没有被任何簇覆盖，宣告自己为正式簇头。 如果非空，选取最大的节点为，加入该簇头。 簇生成伪代码（只，女）（）（，）！（，）（）（）断（，）（，）（，）（）（历）（）（，）。 ，的数据传输部分，每一轮数据采集包括?干个帧，等所有簇成员将数据发送到簇头节点，簇头将收到的数据融合后再进?下一步传输，实现簇问?由或直接传送给。 为了防止簇内通信对其他簇的干扰，每个簇使用一个扩频码，每次成簇以后簇头在个扩频码集合中任选个码字。 万方数据仿真结果与分析使用作为仿真平台仿真参数见表。 表仿真参数网培定士（）的位置（）竹点数目，鲫，广播包大小初始能?包头大小壤。 径数据包大小】即轮个崎的凡通过比较与、的嘲络生命期（从网络开始部署到第个节点死亡）反映协议的整体能耗。 如图所示，与协议由于考虑了簇头在嘲络内的合?分布，所以生命期明显高于。 可时由于大大降低了广播通信代价的能耗，因此相对于延长了网络生命期。 图节点数?和网络寿命关系图结论及以后的作本文在分析协议的基础上，指出了算法存在的问题，并相应地修改了成簇算法和协、嫂，同时通过反应式地广播各节点的通信代价，而?是周期性地在每轮的初始阶段广播，节省了列络的整体能耗。 试验结果证明改进后的协议提高了网络的生存周期。 另一方面，文中没有考虑簇头之问的?由与数据融合，这将在以后的工作中进一步展开研究。 （?月）参考文献【】。 ，【鼬，曲踟舯【】”【】仰，【），（）】【】无线传感器网络中改进的HeeD路由协议作者刊名英文刊名年，卷(期)被引用次数李晶，史杏荣，LI Jing，SHI Xing-rong中国科学技术大学,信息处理中心,合肥,230027计算机工程与应用PUTER ENGINEERINGAND APPLICATIONSxx，43 (25)1次参考文献(4条)1.Heinzelman WR.Chandrakasan A.Balakrishnan HEnergy efficientmunication protocolfor wirelessmicrosensorworks20002.Lindsey S.Raghavendra CSPEGASIS:Power-efficient gatheringin sensorinformation systemsxx3.Heinzelman WR Anapplication-specific protocolarchitecture forwireless microsnesorowkrsxx (04)4.Younis O.Fahmy SHeeD:a hybrid,energy-efficient,distributed clusteringapproach forad-hoc sensorworksxx (04)相似文献(10条)1.期刊论文陈庆章.赵小敏.陈晓莹.CHEN Qing-Zhang.ZHAO Xiao-Min.CHEN Xiao-Ying提高无线传感器网络能效的双轮成簇协议设计-软件学报xx,21 (11)提出一种用于提高无线传感器网络能效的双轮成簇协议(energy efficientdouble roundsclustering protocol,简称EEDRCP).它对LEACH协议进行改进,以提高网络的能效.它在簇头选取算法中引入剩余能量参数,并且结合平面拓扑、层次拓扑和基于位置拓扑的优点形成混合型拓扑类型,同时改单轮成簇为双轮成簇.最后,在Matlab平台上模拟EEDRCP,并与LEACH和DIRECT协议进行分析比较.仿真结果表明,与LEACH协议相比,EEDRCP协议可提高网络能效达33%82%.2.期刊论文巫华芳.WU Hua-fang无线传感器网络中的一种分布式能量有效成簇算法-南昌大学学报（理科版）xx,33 (3)为了延长无线传感器网络的生存时间,需要设计适合无线传感器网络特点的能量有效的协议.成簇算法能够减少无线传感器网络的能量消耗,对增强网络的可扩展性和延长网络的生存时间有着重要的作用.现有的算法对多路衰退的链路并不十分能量有效,针对这些算法的不足,提出了一种基于时空的分布式能量有效成簇算法.每个簇由一个簇首节点和一个协作节点相互合作,运用时空编码实现数据传输的时空分集,以减少网络能耗和均衡节点能量.模拟实验结果显示,与现有重要成簇算法相比,该算法能够提供更长的网络生存时间.3.学位论文谭鹏飞无线传感器网络能量有效性成簇路由算法研究xx无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术，具有许多传统网络无法比拟的优点，可广泛应用于军事、医疗、灾难救助等环境中，已经成为现代通信技术中的一个热点研究领域。 由于传感器网络中的节点普遍能量受限，因而设计能量有效的传感器网络路由协议受到了学术界和工业界的高度重视。 本文首先概述了影响传感器网络路由协议设计的因素，指出了传感器网络路由协议的评价标准，介绍了几种主流的传感器网络路由协议，并选择典型的低能量自适应聚类路由协议(LEACH)进行深入分析，着重描述了实现LEACH协议的关键算法，分析该协议存在的优势与不足，并给出一些修改建议。 同时在网络仿真软件OPNET下搭建了一个具有良好通用性和可扩展性的LEACH协议仿真平台。 基于对LEACH协议的研究，本文提出了一种新的成簇路由算法-半径自适应成簇多跳路由算法(RACMH)。 它将半径自适应成簇技术与多跳通信方式相结合，节点根据本地信息独立地决定成为簇头节点或成员节点，簇类覆盖的区域限制在一定半径范围内，所有簇头节点根据权重消息组织成一棵路由树，采用多跳通信方式向基站传输数据。 仿真结果表明1)RACMH算法最终形成的簇头数目与初始簇头数目无关；2)随着簇半径R的增大，RACMH算法最终形成的簇头数目减少；3)与LEACH算法比较，RACMH的FND、HND和LND分别提高43.8、100.5和70.4，这表明RACMH算法比LEACH更能够减少能量消耗，延长网络生命周期，均衡网络负载；4)当基站距离增加时，RACMH的网络生命周期比LEACH的变化慢，这表明RACMH更适合大规模网络；5)当网络面积增大时，RACMH算法的性能开始退化，但总体性能仍优于LEACH算法。 4.期刊论文巫华芳.Wu Huafang无线传感器网络中基于时空分集的分布式能量有效成簇算法-科技广场xx (12)为了延长无线传感器网络的生存时间,需要设计适合无线传感器网络特点的能量有效的协议.成簇算法能够减少无线传感器网络的能量消耗,对增强网络的可扩展性和延长网络的生存时间有着重要的作用.但现有算法对多路衰退的链路并不十分能量有效,针对这些算法的不足,提出了基于时空的分布式能量有效成簇算法,每个簇由一个簇首节点和一个协作节点相互合作运用时空编码实现数据传输的时空分集,以减少网络能耗和均衡节点能量.模拟实验结果显示,与现有重要成簇算法相比,该算法能够提供更长的网络生存时间.5.期刊论文张晓雪.彭舰.ZHANG Xiao-Xue.PENG Jian能量有效的无线传感器网络覆盖成簇协议-四川大学学报（自然科学版）xx,47 (5)为延长网络的生存周期并保证高质量区域覆盖,在没有位置信息的情况下,提出了一种与位置无关能量有效的传感器网络覆盖成簇协议EELICC.在EELICC协议中,节点根据自身剩余能量和其邻节点的能量分布竞选簇头.对成簇时产生的孤点的处理进行了优化.簇头间以多跳方式将收集到的数据发送到基站.协议还提出了一种簇内调度方法,基于分层成簇的思想,在簇内构建能保证高质量覆盖的工作节点集.实验证明,与协议EECTS相比,EELICC协议可以提供高质量的网络覆盖并有效延长网络的生存周期.6.期刊论文余磊.李建中.骆吉洲.YU Lei.LI Jian-Zhong.LUO Ji-Zhou一种无线传感器网络分布式安全成簇协议-软件学报xx,20 (10)分簇的层次型拓扑控制方式在无线传感器网络中得到广泛研究和应用.然而,由于传感器网络本身所具有的开放性和资源有限的特点,攻击者可以很容易对成簇协议实施有效的误用和破坏.因此,保证成簇协议安全性是其实际广泛应用的基本前提.针对成簇协议所面临的各种安全威胁,提出了一种分布式安全成簇协议,通过网络安全初始化、可信基站的随机数广播和单向密钥链技术来有效地抵御节点伪装和簇首占据攻击、簇成员恶意征募攻击和多重簇成员身份攻击.对协议的安全性和开销进行了广泛和深入的分析,证明了协议的安全性和有效性.7.期刊论文李田.史浩山.杨俊刚.LI Tian.SHI Haoshan.YANG Jungang无线传感器网络LEACH协议成簇算法研究-传感技术学报xx,23 (8)减少传感器节点的能量消耗,延长网络生命周期是无线传感器网络路由协议的首要设计目标.针对LEACH协议在簇的形成过程中节点只考虑自身的通信代价的不足,提出了一个基于权值的新协议,它融入了簇头的剩余能量以及簇头到基站的距离等因素.仿真实验表明,新的协议减少并平衡了各节点的能耗,延长了网络的生存时间.8.期刊论文郭文生.廖勇.熊光泽.GUO Wen-sheng.LIAO Yong.XIONG Guang-ze梯度相关的无线传感器网络成簇路由协议-电子科技大学学报xx,38 (3)分析了梯度和成簇无线传感器网络路由协议,确定了协议中存在的缺陷,设计了一种基于梯度的高效节能成簇路由协议(GBCRP).采用基于跳数的梯度建立、能量相关的成簇算法、关键节点转发和功率自适应的簇头路由等技术,解决了无线传感器网络的节点能耗和路由失败而导致的数据传输可靠性问题.仿真实验表明,该协议有效地延长了网络的生命周期.针对不同密度的传感器节点,网络生命周期具有很好的稳定性,同时该协议也具有较好的可靠性保障.9.学位论文李粱事件驱动型无线传感器网络路由算法研究与基于时间驱动的无线传感器网络相比，事件驱动型无线传感器网络被监测区域的事件是突发的，并不要求所有的节点在任何时刻均处于工作状态，突发事件的数据量大，传输某次突发事件数据的节点能量消耗比较大，因此事件驱动型无线传感器网络对网络节能、实时性、可靠性和消息的退避传输具有更高的要求。 基于最小跳数的路由协议保证任何节点发出的消息沿着最优路径向汇聚节点(Sink)发送，并且在网络内引起的消息包数量最少，是一种具有较好实时性的节能通信协议。 在基于最小跳数的路由协议的基础上，本文提出了一种适用于事件驱动型无线传感器网络的基于簇的可靠多路径路由算法(Cluster-Based ReliableMulti-path Rou