无线传感器网络路由协议的研究LEACH与SEP协议

1、 南京邮电大学 毕业设计论文 题 目 无线传感器网络路由协议研究 专 业 电子信息科学与技术 学生姓名 班级学号 指导教师 解培中 指导单位 通信与信息工程学院 日期: 年 月 日至 毕业设计论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的毕业设计论文，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容外，本毕业设计论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本研究做出过重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明并表示了谢意。 论文作者签名： 日期： 年 月 日无线传感器网络是计算机科学技术的一个新的研究领域，是传感器技术、嵌 入式计算技术、分布式信息处理技

2、术和无线通信技术相结合的产物。与传统网络 相比，无线传感器网络具有造价低、功耗低、布局灵活性强、监测精度高等特点， 因此在军事、医疗、家用等多个领域均有广阔的应用市场。 本文重点研究基于无线传感器网络的 LEACH和SEP式路由协议，无线传感 器网络节点数量庞大、单个节点资源有限，其路由协议设计的首要目标是提高能 量有效性，延长网络寿命。本文总结了 WSN的概念、结构、特点，分析了 WSN 的关键性技术问题及网络协议；研究了 WSN的网络协议体系和路由协议的分类， 分析比拟了目前国内外学者提出的几种有代表性的路由协议及其性能优缺点； 选 择了 LEACH路由协议为研究重点，分析了该路由算法的具

3、体实现，针对传感器 节点能量及网络生存周期等特点，介绍了其改良型 SEP路由算法。并采用 MATLAB网络仿真工具对该路由协议进行了整体仿真，并对其数据进行了分析。 在100*100的区域内随即产生100个节点，通过分析最后存活节点数，可以看出 SEP路由协议与目前的聚类协议相比延长了稳定期。 关键词：无线传感器网络；LEACH路由协议；SEP路由协议；MATLAB仿 真 ABSTRACT Wireless sensor networks are a new research field of computer science and technology. They are the inte

4、gration of sensor techniques, nested computation techniques, distributed computation techniques and wireless communication techniques. Comparing with traditional networks, the wireless sensor networks features with low cost, low power loss, flexible layout and high monitor precision, therefore the s

5、ensor networks can be used for various application are as such as military, chemical, home. This paper focuses on LEACH and SEP routing protocol based on wireless sensor networks, wireless sensor network node a huge number, the limited resourcesof a single node, the routing protocol design goal is t

6、o improve energy efficiency, and prolong the network lifetime.This paper summarizes the concept, structure, characteristics of the WSN, the WSN key technical problems and network protocols; study of WSN network protocol system and the classification of routing protocols, analyzes and compares severa

7、l representative scholars at home and abroadrouting protocol and its performance advantages and disadvantages; the LEACH routing protocol analysis with a focus on the concrete realization ofthe routing algorithm for sensor node energy and network life cycle characteristics, its improved SEP routing

8、algorithm. And MATLAB network simulation tool for the routing protocols in the overall simulation and data analysis.In the region of 100 * 100 then generates100 nodes, survive through the analysis of the final number of nodes, we can see that SEP routing protocol compared with the current cluster pr

9、otocol to extend the stable. Keywords: Keywords: WSN; LEACH routing protocols; SEP routing protocols;MATLAB Simulation第一章绪论 . 1 1.1课题背景 . 1. 1.2课题研究的目的及意义 . 1. 1.3课题内容与要求 . 2. 1.4 国内外研究现状 . 2. 第二章 WSN综述 . 4 2.1 WSN 概念 . 4. 2.2 WSN的结构 . 4. 2.2.1节点结构 . 4. 2.2.2 网络体系结构 . 4. 2.3WSN的拓扑结构 . 5. 2.4WSN网络协议栈

10、 . 8. 2.5WSN 的特征 . .9. 第三章 WSN路由协议. 10 3.1W平面路由 . 1.0 3.2层次路由 . 1.1 第四章 LEACH路由协议的分析与研究 . 13 4.1 LEACH协议模型 . 13 4.2 LEACH的改良型协议 . 1.4 4.2.1 LEACH-GAHS 协议 . 14 4.2.2SEP 协议 . .15 第五章 LEACH与 SEP 协议仿真比拟 . 17 结束语 . 21 致谢 . 22 参考文献 . 错误！未定义书签。 附录 . 24南京邮电大学2021届毕业设计(论文) 1 第一章绪论 1.1课题背景 无线传感器网络是新兴的下一代传感器网络

11、， 最早的代表性论述出现在1999 年，题为 传感器走向无线时代。随后在美国的移动计算和网络国际会议上，提 出了 WSN下一个世纪面临的开展机遇。2003年，美国?技术评论?杂志在论述 未来新兴十大技术时，WSN名歹0第一；同年，美国Business week测的未来四 大新技术：效用计算、传感器网络、塑料电子学和仿生人体器官， QSN也列入 其中。2004年(IEEE spectrum杂志发表一期专集?传感器的国度?，论述 了 WSN的开展和可能的广泛应用。可以预计， WSN的开展和广泛应用，将对 人们的社会生活和产业变革带来极大的影响和产生巨大的推动。有专家预计， WSN的广泛应用是一种必

12、然趋势，它的出现将会给人类社会带来极大的变革。 传感器网络的开展主要经历了 4代： (1) 第一代：上世纪70年代，就出现了具有简单模拟信号传输功能的传统传感器 所组成的点对点输出的测控系统网络。 该网络具有简单信息获取能力，只是初步 实现了信息的单向传递，其缺点是布线复杂、抗干扰性差。 (2) 第二代：随着相关学科的不断开展和进步，传感器网络具有了获取多种信息 的综合处理能力，并通过采用申/并接口与传感控制器的相联，组成了有信息综 合和处理能力的传感器网络。 (3) 第三代：20世纪90年代后期，出现了基丁现场总线技术的智能传感器网络。 现场总线是连接智能化现场设备和控制室的全数字、 开放式

13、的双向通信网络智能 传感器的通信技术进入局域网阶段，其局部测控网络通过网关和路由器可以实现 与 Intimae 灯 Intranet连接。 (4) 第四代：大量多功能传感器被运用，并采用无线通信机制，因此也称为。WSN, 正处丁研究和开发阶段。 WSN是一种无根底设施的网络，由一定数目的传感器节点构成，它综合了 传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术，能协作地 实时监测、感知和采集节点部署区域的各种环境或监测对象的信息 (如光强、温 度、湿度、噪音和有害气体浓度等物理现象)，并对这些数据进行处理，获得详 尽而准确的信息，通过无线网络最终发送给观察者。在环境监测、医疗护理、

14、抢 险救灾、智能家居、工业生产控制以及商业等领域具有广阔的应用前景。 1.2课题研究的目的及意义 美国商业周刊和 MIT技术评论在预测未来技术开展报告中将无线传感器 网络列为21世纪最有影响的21项技术和改变世界的10大技术之一。传感器网 络被列为未来三大高科技产业之一， 美国的?技术评论?将无线传感器网络列为 第一项未来新兴技术，?商业周刊?预南京邮电大学2021届毕业设计论文 2 测的未来4大新技术中，无线传感器网络 也列入其中。 无线传感器网络所具有的众多类型的传感器，可探测包括地震、电磁、温 度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周 边环境中多种多样的现象

15、。基丁 MEMS的微传感技术和无线联网技术为无线传 感器网络赋予了广阔的应用前景。这些潜在的应用领域可以归纳为：军事、航空、 反恐、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域。 网络数据传输离不开路由协议，路由协议是其组网的根底。路由技术是WSN 通信层的核心技术。路由选择问题是WSN网络构建时所要着重考虑的一个问题， 从路由的角度来看，WSN有其自身的特点，使它既不同丁传统网络，乂不同丁 无线自组网Ad hoc网络。传统的无线 Ad hoc网络路由协议不适合用丁 WSN , 所以必须设计全新的、适合丁 WSN特点的路由协议。 路由协议作为影响网络性能的一个重要因素，是确保 WSN网

16、络正常运行 的关键。虽然己提出了很多的协议，但是到底那一种是最适宜的还没有一个定论。 因此研究这些路由协议，比拟分析哪一种路由协议是相对适宜的显得尤为重要， 也是此论文的意义所在。本文重点介绍两种无线传感器网络路由协议 LEACH协 议和SEP协议，通过比照分析其性能得知如何提高能量有效性，延长网络寿命。 1.3 课题内容与要求 无线传感器网络中，节点的电源能量是受限的 ，所以设计能量有效地路由协 议变得很关键，可以根据簇头节点所处的地理位置、剩余能量及簇内成员节点数 目,动态决定需要在簇内选择适宜的簇头节点来减少通信能耗 ，同时解决某些簇 头与基站通信可能存在困难的问题，本设计要求通过阅读相

17、关书籍资料，学习无 线传感器网络的路由协议设计的根本原理， 对路由协议的现状深入了解并加以分 析，期望通过总结分析结果对现有的路由技术加以改良，到达提升网络生存周期 的目的。技术要求如下： 1. 无线传感器网络的传感器节点能够有效地感知、采集和处理网络覆盖区 域中的相关信息，并发送给远处的基站进一步处理。 2. 路由协议必须尽可能地减少能量消耗，延长网络生命周期。 3. 用Matlab平台对路由算法进行仿真分析。 1.4国内外研究现状 1998年，美国国防部提出了 “智能尘埃的概念，最先开始无线传感器网 络技术的研究，目的是为监控地方的活动情况而不被发觉。 2002年英特尔公司 发布了 “基丁

18、微型传感器网络的新型计算开展规划，该规划主要致力丁微型传 感器网络在医学、环境监测、森林灭火、海底板块和行星探测等领域的应用。 同 南京邮电大学2021届毕业设计论文 3 年欧盟提出了一项为期3年的EYES 自组织和协作有效能量的传感器网络计 划，主要研究无线传感器网络的构架、 节点的协作、网络协议和平安等。美国科 学基金委员会2003年制定了无线传感器网络研究方案，研究领域涉及能感知有 蠹化学物、生物攻击等的传感器节点分布环境下传感器网络的特性等问题。 美国 交通部、能源部、美国国家航空航天局也相继启动了相关的研究工程， 美国著名 院校几乎都有研究小组在从事无线传感器网络相关技术的研究。 加

19、州大学伯克利 分校、麻省理工学院、康奈尔大学、哈佛大学等在无线传感器网络研究领域成绩 较为突出，英国、德国、意大利和日本等国家的研究机构也参加了无线传感器网 络的研究。 我国无线传感器网络及其应用研究几乎与兴旺国家同步启动， 首次正式出现 丁 1999年中国科学院知识创新工程试点领域方向研究的信息与自动化领域研究 报告中。国内的一些科研单位和大学，如中国科学院自动化所、软件所及活华大 学、哈尔滨工业大学从2002年开始在时间同步与定位、传感器数据管理系统方 面开展了研究工作，重庆大学也在同一时间开始研究嵌入式无线传感器网络节 点、可重构技术、无线传感器中的定位等技术。 2004年，中国国家自然

20、科学基 金委员会将一项无线传感器网路研究工程面上传感器网络的分布自治系统关键 技术及协调控制理论列为重点研究工程。 2006年，将水下移动传感器网络的 关键技术列为重点研究工程；国家发改委下一代互联网 CNGI示范工程中也 部署了无线传感器网络相关的课题。近些年来，越来越多的企业开始关注无线传 感器网络技术的开展，开始推出针对无线传感器网络及 ZigBee的解决方案。南京邮电大学2021届毕业设计论文 4 第二章 WSN综述 2.1 WSNJ 念 无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成， 通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、 采集和处

21、理网络覆盖区域中被感知对象的信息， 并发送给观察者。传感器、感知 对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。 无线传感器网络wireless sensor network 简称WSN ,是一种由大量小型 传感器所组成的网络。这些小型传感器一般称作 sensor node 传感器节点或 者mote 灰尘。此种网络中一般也有一个或几个基站称作sink用来集中从小 型传感器收集的数据。 2.2 WSN勺结构 2.2.1 节点结构 在不同应用中，传感器节点的结构不尽相同，但一般都由传感器模块、处理 器模块、无线通信模块和能量供给模块四局部组成，如图 2.1所示。传感器模块 负责监测区域内信息的采集和

22、数据转换， 传感器的类型是由被监测物理信号的形 式决定的，如用丁温度监测的钳电阻传感器，用丁压力传感的电容式传感器等 ； 处理器模块负责控制整个传感器节点的操作， 存储和处理本身采集的数据以及其 他节点发送来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换 控制信息和收发采集数据；能量供给模块为传感器节点提供运行所需的能量，通 常采用微型电池，不过已有公司探索从周围环境取得能量并将其转换成微瓦电能 的方法。 2.2.2 网络体系结构 无线传感器网络典型的体系结构如图 2-2所示，包括大量随机分布的传感器 节点sensor node会聚节点sink node、互联网internet、用

23、户终端user待。散 布在监测环境中的传感器节点通过网络自组织多跳方式，将数据向会聚节点发 送，会聚节点可以使用多种方式与外部网络通信，如 Internet卫星或移动通信网 络等等，将整个区域内的数据传送到用户终端， 用户通过管理节点对无线传感器 网络进行配置管理。 :i!| : : imi niadiii IIIHMII IUI mi is iiiiaiAiBiiimiaiiiMiiiaiBiiaiiuaiiii I I I I I F * IIMBIII iniiHii IHIIBIII II.M IIII UMiiiii m q | !传感器 E AC/DC 十 1 L:网络 .MAC

24、LJ 收发器i : ! - 日 I -i ； ； - !存储命 i :; I - J J -J L -!: 传感器模块 -! 无线通信模块 : 南京邮电大学2021届毕业设计论文 5 .一. _ J :处理器模块:L - 1 - 能量供给模块 图2.1传感器网络节点结构 Sink 图2.2无线传感器网络体系结构 2.3 WSN的拓扑结构 在无线传感器网络中，传感器节点是体积微小的嵌入式设备，采用能量有限 的电池供电，它的计算能力和通信能力十分有限，所以除了要设计能量高效的 MAC协议、路由协议以及应用层协议之外，还要设计优化的网络拓扑控制机制。 对丁自组织的无线传感器网络而言， 网络拓扑控制对

25、网络性能影响很大。 良好的 拓扑结构能够提高路由协议和 MAC协议的效率，为数据融合、时间同步和目标 定位等很多方面提供根底，有利丁延长整个网络的生存时间。 所以，拓扑控制是 传感器网络中的一个根本问题。在无线传感器网络中，网络的拓扑结构控制有着十分重要的意义，主要表现 在以下几个方面： (1) 影响整个网络的生命周期。基丁无线传感器网络有限的能量， 节能是网络设 计主要考虑的问题之一，拓扑控制的一个重要目标就是在保证网络连通性和覆盖 率的情况下，尽量合理高效地使用网络能量，延长整个网络的生存时间。 (2) 减小节点间通信干扰，提高网络通信效率。无线传感器网络中节点通常密集 分布，如果每个节点

26、都以大功率进行通信， 会加剧节点之间的干扰，降低通信效 率，并造成节点能量的浪费。另一方面，如果选择太小的发射功率，会影响网络 的连通性。 (3) 为路由协议提供根底。在无线传感器网络中，只有活动的节点才能进行数据 转发，而拓扑结构南京邮电大学2021届毕业设计(论文) 6 控制可以确定由哪些节点作为转发节点， 同时确定节点之间的 邻居关系。 (4) 影响数据融合。无线传感器网络中的数据融合指传感器节点将采集的数据发 送给中心节点，中心节点进行数据融合，并把融合后的数据发送给会聚节点。 而 中心节点的选择是拓扑结构控制的一个重要内容。 (5) 弥补节点失效的影响。传感器节点可能部署在恶劣的环境

27、中， 在军事应用中 甚至部署在敌方区域中，所以很容易受到破坏而失效。这就要求网络拓扑结构具 有鲁棒性以适应这种情况。 无线传感器网络特定的应用环境及其固有的特征， 对传感器网络拓扑结构的 设计提出了新的要求。在无线传感器网络中，节点需要完全以自组织的形式构成 自治型网络，并且能够工作在无人值守的恶劣环境当中。 到目前为止，无线传感 器网络拓扑结构的研究主要集中在两个方向，即平面型拓扑结构和层次型拓扑结 构。 (1) 平面型拓扑结构 平面型拓扑结构，所有节点的地位平等、作用相同，既采集数据乂进行数据 通信的中转，网络中不存在集中式控制中心。为了有效地节省能量，远距离节点 之间以多跳通信方式，如图

28、2.3所示。平面结构网络比拟简单，无需任何的结构 维护过程，节点根据预定的路由协议自组织成无线网络。 由丁随机分布、高密度 等特性，源节点和目的节点之间可能存在多条传输路径， 如图2.4中节点A和E 之间存在两条路径:A C D E和A C F E，既可以使用多条路 径实现负载分担，也可以为不同的数据传输需求选择适当的路径。 平面结构网络 中所有的传感器节点理论上是对等的，不存在瓶颈和单点故障，所以比拟健壮， 但是网络规模受限，动态扩展性差，难以维护。在平面结构中，源节点为了获得 目的节点信息通常需要传输大量的查询消息， 而且由丁网络的动态性，如节点失 效、增加等，维护这些动态变化的路由信息需

29、要发送大量的控制消息。 网络规模南京邮电大学2021届毕业设计(论文) 7 越大路由维护的开销就越大，当网络的规模增加到某个程度时，网络的所有带宽 可能被路由协议消耗掉，所以平面式结构的网络扩展性较差。 传感器节点 图2.3平面型拓扑结构 (2) 层次型拓扑结构 层次型拓扑结构中，网络根据具体应用需求，如地理区域、能源、应用类型 等，划分为簇(Cluster),每个簇由一个簇头节点和多个簇成员构成，多个簇头节 点抽象成高一级的网络，在高一级网络中可以继续分簇，形成更高一级网络，最 终形成多层次组织结构的传感器网络,如图 2.4所示。 图2.4层次拓扑结构 层次型拓扑结构中，不同层次以自己的局部

30、概念进行交互， 聚集起来实现期南京邮电大学2021届毕业设计论文 8 望的全局任务。分层组织结构中，簇内成员节点负责感知任务，以多跳方式将采 集的信息发送到簇头节点。簇头节点作为簇类的中心节点，担负着与远程终端通 讯、发布簇类管理信息、执行更高层次的数据融合和数据分析等使命。为了有效 利用能源和延长网络的生命周期，簇头节点通常依据能量概率分布由网络节点轮 流充当。这样可以使簇头节点的高能量消耗平均到网络节点上， 同时也防止了固 定簇头引起的网络的脆弱性和不稳定性， 而且可以通过簇拆分来增加簇的个数或者簇聚合形成更高一级网络来提高 整个网络的容量。但缺点是，为了维护层次化结构需要仔细设计簇头选择

31、算法。 而且簇问节点为了完成数据通信需要经过簇头转发,因此不一定能使用最正确路 由，例如图2.4中的A、B节点，物理距离很接近，在平面结构中可以直接通信， 但分簇后需要通过两个簇的簇头中继进行通信。 2.4 WSN网络协议栈 无线传感器网络多采用五层协议标准：应用层、传输层、网络层、数据链路 层、物理层。与互联网协议栈的五层协议相对应。 另外，协议栈还包括能量管理 平台、移动管理平台和任务管理平台。这些管理平台使得传感器节点能够按照能 源高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据， 并支持多任务和 资源共享。各层协议和平台的功能如下： 湘理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术；

32、傲据链路层负责数据成帧、帧检测、媒体访问和过失控制； 胸络层主要负责路由生成与路由选择； ?专输层负责数据流的传输控制，是保证通信效劳质量的重要局部； 跄用层包括一系列基丁监测任务的应用层软件； 角它量管理平台管理传感器节点如何使用能源，在各个协议层都需要考虑节省能 量； 福动管理平台检测并注册传感器节点的移动，维护到会聚节点的路由，使得传 感器节点能够动态跟踪其邻居的位置； ?g务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度监测任务。南京邮电大学2021届毕业设计(论文) 9 2.5 WSN的特征 一、 与无线网络的区别 传感器网络集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，节点数目庞大(上 千甚至上万

33、)，分布密集，因环境和能量的耗尽，容易出现故障，节点通常固定 不动。能量、处理能力、存储能力、通信能力有限。不同丁传统无线网络的高服 务质量和高效的宽带的利用，节能是其设计的tr要考虑因素。 二、 节点的限制 (1) 电池能量有限。 (2) 通信能力有限(能量消耗和通信距离关系 E正比丁 d)。 (3) 计算和存储能力有限。 三、 传感器网络的特点 (1) 大规模网络。 (2) 自组织网络。 (3) 动态性网络。 (4) 可靠性网络。 (5) 应用性相关的网络。 (6) 以数据为中心的网络。2.5无线传感器网络协议栈 南京邮电大学2021届毕业设计论文 10 第三章 WSN路由协议 由丁 WS

34、略由协议分类标准有很多，因此路由协议的分类方法也多种多样。 根据路由协议不同的工作原理将路由协议划分为两种类型， 并分析每种类型的典 型路由协议。 3.1平面路由 平面路由认为传感器网络中的各节点具有相同的功能和平等的角色， 节点或 将自己的事件检测结果主动报告给其他节点， 或者是其他节点向检测事件的节点 发出查询信息，数据传输通过多节点的多跳路由协作转发完成。信息协商传感器 SPINSensor Protocols for Information via Negotiation 是平而路由中第一 个以数据为中心的算法，通过节点问的协商机制减少数据冗余和能量损耗。 SPIN 是一种基丁协商机制

35、的以数据为中心的路由算法， SPIN先对节点收到的数据的 特点进行高层次的抽象，形成描述节点收到数据特点的元数据 meta-data。在 转发收到的数据前，节点 A先用元数据与相邻节点B进行协商，发送ADV信号 判断节点B是否需要该数据图la。如果节点B对元数据代表的数据有需求， 就发出反应信号REO图lb。否那么就丢弃该ADV信号，然后节点A就将数据DATA 转发给节点B图lc。节点B收到从节点A转发来的数据后，采用与节点A相同 的处理方法。先用元数据与其相连的所有节点协商是否需要该数据，发送 ADV 信号图1d。如果节点有需求那么回复REC号，无需求那么直接将ADV信号丢弃 图 1e，然后

36、节点B将向所有回复REC信号的节点发送数据DATA囹1f。 SPIN算法并没有明确定义元数据的格式。其具体格式和应用相关，如 ADV 和REC勺格式可根据具体应用做详细规定。 另外，当拓扑结构发生变化时，每个 节点只需在局部范围内维护与其相邻的节点状态， 不需全网播送，既节省能量乂 降低对节点运算能力的要求，这种SPIN称为SPIN-1。但SPIN-1不能保证远程数 据的正确递送，如远端节点需要数据而与源节点相邻的近端节点那么不需要， 在转 发的开始就将代表该数据的元数据丢弃， 不做REC复，造成数据递送失败。为 了解决这一问题，在 SPIN-2在SPIN-1的根底上参加了能量门限机制。在递送

37、数 据前先检测相邻节点的能量，如果能量值低丁某一个门限值，那么认为该节点没有 足够能力完成远程递送任务，将该数据转发给其他有足够能量的相邻节点。 除此 之外，针对不同的应用情况，SPIN的其他扩展协议，如SPIN- BC和SPIN-RL针 对传感器网络这种多播网络、SPIN-PP和SPIN-EC针对传统的点对点网络都做出 专门优化。 南京邮电大学2021届毕业设计论文 11 (a ) ( h ) (d ) (e ) ( f ) 图3.1 SPIN算法执行过程 3.2层次路由 层次路由也称为以分簇为根底的路由是最早产生并应用丁有线网络的，满 足大规模网络的高效通信。因此层次路由的概念也被引入到

38、WS,用丁满足传 感器节点的低能耗和高效率通信。在层次路由中，高能量节点可用丁数据转发、 数据查询、数据融合、远程通信和全局路由维护等高耗能应用场合；低能量节点 用丁事件检测、目标定位和局部路由维护等低耗能应用场合。 这样，将不同的应 用按照节点不同的能力合理分配， 使节点能充分发挥各自优势，以应付大规模网 络情况，并有效提高整个网络的生存时间。层次路由主要包括两个层次的路由： 一是用丁选择簇头节点，二是用丁路由选择。LEACHlow-energy adaptiveclustering hierarchy 是一个提出较早的基丁分簇思想的 WSN1I次路 由算法。与传统网络固定网关节点能量较充足

39、相比， WS町的节点能量有限，故 不能用同定簇头节点作为网关。LEACHl WS阡随机选择少数节点作簇头，考虑 到网络中各节点能耗的平衡性，让其他没有做过簇头的节点轮流作为簇头， 使网 络不会因少数节点先耗尽能量造成网络瘫痪。南京邮电大学2021届毕业设计(论文) 12 图3.2 LEACH网络结构 LEACK法分簇头建立和稳定状态两阶段，前者是 LEACHT法实现的关键， 后者是数据传输的保证。在簇头建立阶段，节点随机选择一个数值 r (Or1), 如果该随机数r小于阈值T(n)，贝U该节点成为这一轮的一个簇头。用 G表示最 后的1/p轮中没有被选为簇头的节点集合，p表示簇头节点浓度(如5%

40、)，那么T(n) 为： _ P 一，、 T(n) = - p - TT (3-1) 1 一 P mod 1 p 1 LEACH勺分簇机制可降低网络的整体能耗，延长网络生存时间；在簇内节点 间采用TDM斯码，在簇头与基站间采用CDM/码，保证信息有效传输；数据采 集和簇头节点都是周期性的，网络适合监测连续变化事件。南京邮电大学2021届毕业设计(论文) 13 第四章 LEACH路由协议的分析与研究 LEACH是第一个在无线传感器网络中提出的层次式路由协议。其后的很多 层次式路由协议都是在它根底上提出来的。因此这里我们着重介绍 LEACH协议。 4.1 LEACH协议模型 LEAC匿MIT的Cha

41、ndrakasan等人为无线传感器网络设计的低功耗自适应聚 类路由算法。与一般的平面多跳路由协议和静态聚类算法相比，LEACK以将网络 生命周期延长15%,主要通过随机选择聚类首领，平均分担中继通信业务来实现。 LEAC定义了 “轮(round)的概念，一轮由初始化和稳定工作两个阶段组成。为 了防止额外的处理开销，稳定态一般持续相对较长的时间。 如图3.4所示： 初始化阶段 稳定工作阶段 / _ 图4.1 LEACH协议的时序图 在初始化阶段，聚类首领是通过下面的机制产生的。传感器节点生成 0,1之间 的随机数，如果大丁阈值T,那么选该节点为聚类首领.T的计算方法如下： (4-1) 其中p为节

42、点中成为聚类首领的白分数，是当前的轮数。 当簇头选定之后，簇头节点主动向网络中节点播送自己成为簇头的消息 (ADV_CH)。接收到此消息的节点，依据接收信号的强度，选择它所要参加的簇， 并发消息通知相应的簇头(JOIN_REQ)。基丁时分多址(Time Division Multiple Address简称TDMA)的方式，簇头节点为其中的每个成员分配通信时隙，并以 播送的形式通知所有的簇内节点(ADVSCH)。这样保证了簇内每个节点在指定的 传输时隙进行数据传输，而在其他时间进入休眠状态，减少了能量消耗。在稳定 工作阶段，节点持续采集监测数据，在自身传输时隙到来时把监测数据传给簇头 节点(D

43、ATA)，如图3.5所示。簇头节点对接收到数据进行融合处理之后，发送 到Sink节点，这是一种减小通信业务量的合理工作模式。持续一段时间以后， 整个网络进入下一轮工作周期，重新选择簇头节点。南京邮电大学2021届毕业设计论文 14 LEACH协议采用动态转换簇头的方法来平均网络节点的能量消耗，使因能 量耗尽而失效的节点呈随机分布状态，因而与一般的多跳路由协议和静态簇算法 相比，LEACH可以将网络生命周期延长15%。但是LEACH协议在每轮固定簇 头节点后在划分簇的过程中，簇头节点开销较大。并且簇头节点的选择无法到达 最优，有可能簇头节点位丁网络的边缘或者几个簇头节点相邻， 某些节点不得不 传

44、输较远的距离来与簇头通信，这就导致了大量能量消耗。而且LEACH协议所 有簇头节点直接与Sink节点通信，采用连续数据发送模式和单跳路径选择模式， 使得每轮中簇头节点能耗巨大，因此不适合在大规模的传感器网络中应用。 4.2 LEACH的改良型协议 4.2.1 LEACH-GAHSB 议 针对LEACH协议以上缺点，对其进行改良得到了新的低能耗路由协议 LEACH-GAHS LEACH-Genetic Algorithm Head Set，改良之处主要包括：1 结合能量信息、簇头个数、距离信息，采用遗传算法进行全局簇的生成， 使得形 成的簇在整体上功耗较低，节省能量；2在簇的形成初始阶段，簇头根

45、据收到 簇内成员的报文强度选择其中局部节点形成簇内候选簇头集， 随后在数轮循环下 使得局部簇内候选簇头能中选一次簇头， 能到达能耗均衡的效果；3由丁可以 从簇内候选簇头其中推选出簇头，在一定循环下可以不重新建簇从而节省了能 量。具体LEACH-GAHS过程图如下： 南京邮电大学2021届毕业设计(论文) 15 图 4.3 LEACH-GAHS 过程图 南京邮电大学2021届毕业设计论文 16 4.2.2 SEP 协议 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死亡时间(也就是

46、稳定期)。稳定期的延长对丁许多应用 程序是至关重要的，因为它们从传感器网络的反应要求必须是可靠的。 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(初始 能量高的节点)成为簇头的概率大丁普通的节点(初始能量低的节点) ，这就相 当丁对丁能源消耗的约束。 SEP协议假定每个节点知道网络的总能量， 然后根据节点的剩余能量计算出 成为簇头的最正确概率。开始时先给每个节点分配一个权重对应丁最优概率 Popt , 权重必须等丁每个节点的初始能量除以普通节点的初始能量。 并且还定义Pnrm为 普通节点加权选举的概率,P adv为高级节点加权选举的概率。 Popt P nrm

47、 二 - 1 am Popt Padv = (1 +a) 1 am 其中a为高级节点的初始能量是普通节点初始能量的倍数， m为高级节点在总节 点数中所占比例。普通节点与高级节点成为簇头的阀值分别为 T(Snrm)和T(Sadv), 计算公式如下: T (Sadv ) = - ! - 1 一Padv If mod 1 padv 其中r是当前轮数。从而可以保证剩余能量高的节点成为簇头的概率大丁剩余能 量低的节点。 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) 由丁稳定期的延长，SEP协

48、议的吞吐量也高丁其他聚类协议。 (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。 (4-2) (4-3) T (Snrm )= - 1 -Pnrm P nrm A mod 1 pnrm (4-4) P adv (4-5) 南京邮电大学2021届毕业设计(论文) 17 本文将重点分析LEACH与SEP协议，并通过MATLAB仿真比照两种协议 的性能。南京邮电大学2021届毕业设计论文 18 第五章 LEACH与 SEP 协议 MATLAB真比拟 5.1 MATLAB仿真平台介绍 MATLAB是一种对技术计算高性能的语言。它集成了计算，可视化和编程 丁一个易用的环境

49、中，在此环境下，问题和解答都表达为我们熟悉的数学符号。 典型的应用有： 数学和计算 算法开发 建模，模拟和原形化 数据分析，探索和可视化 科学与工程制图 应用开发，包括图形用户界面的建宜 MATLAB是一个交互式的系统,其根本数据元素是无须定义维数的数组。这 让你能解决很多技术计算的问题，尤其是那些要用到矩阵和向量表达式的问题。 而要花的时间那么只是用一种标量非交互语言 例如C或Fortran写一个程序的时 间的一小局部。. 名称“MATLAB代表matrix laboratory 矩阵实验室。 MATLAB最初是编 写来提供给对由LINPACK和EINPACK工程开发的矩阵软件简易访问的。今

50、天, MATLAB使用由LAPACK和ARPACK工程开发的软件，这些工程共同表现了 矩阵计算的软件中的技术开展。 MATLAB已经与许多用户输入一同开展了多年。在大学环境中，它是很多数 学类、工程和科学类的初等和高等课程的标准指导工具。在工业上， MATLAB 是高产研究、开发和分析所选择的工具。 MATLAB以一系列称为工具箱的应用指定解答为特征。对多数用户十分重要 的是，工具箱使你能学习和应用专门的技术。工具箱是是 MATLAB函数M- 文件的全面的综合，这些文件把MATLAB的环境扩展到解决特殊类型问题上。 具有可用工具箱的领域有：信号处理，控制系统神经网络，模糊逻辑，小波分析， 模拟

51、等等。 5.2 LEACH与 SE附真结果 为具体比拟LEACH与SEP协议性能，我们依据文献2进行模拟实验：在 MATLAB编程环境中首先产生一个100X100的区域，并在其内部随机生成一个 含有100个节点坐标不同的连通图，而且随机选择 100*m个节点作为高级 节点。假设每个节点在网络形成前需要传感的数据类型， 且能检测到出现在 其检测范围内的事件。Sink在网络区域内，不考虑 Sink的能耗。普通节点初始 初始能量(D (2) (3) (4) (5) (6) 南京邮电大学2021届毕业设计论文 19 为50mJ,100*m个节点为高级节点所含能量为普通节点的 a倍。 MATLAB中的实

52、验结果图如图5.1所示。 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 图5.1 LEACH协议运行 从图5.1可以看出，图中“ +代表高级节点，“。代表普通节点，红色代表 节点已经死亡，黑色代表节点为簇头。南京邮电大学2021届毕业设计论文 20 图5.2 LEACH协议运行1999轮后 mn _ _ 1 1 1 1 1 T 1 1 * + 1 1 + % *+ 90 十 卞 * + - 80 L * + 一 =m*n+1) S1(i).E=Eo; S1(i).ENERGY=0; plot(S1(i).xd,S1(i).yd, o); hold on; end %Rand

53、om Election of Advanced Nodes if (temp_rnd01m*n+1) S1(i).E=Eo*(1+a) S1(i).ENERGY=1; plot(S1(i).xd,S1(i).yd, +); hold on; OF 南京邮电大学2021届毕业设计论文 28 end end S1(n+1).xd=sink.x; S1(n+1).yd=sink.y; plot(S1(n+1).xd,S1(n+1).yd, x); %First Iteration figure(1); %counter for CHs countCHs1=0; %counter for CHs pe

54、r round rcountCHs1=0; cluster1=1; countCHs1; rcountCHs1=rcountCHs1+countCHs1; flag_first_dead1=0; for r=0:1:rmax r %Operation for epoch if (mod(r, round(1/p) )=0) for i=1:1:n S1(i).G=0; S1(i).cl=0; end end hold off ; %Number of dead nodes dead1=0; %Number of dead Advanced Nodes dead_a1=0;南京邮电大学2021届

55、毕业设计(论文) 29 %Number of dead Normal Nodes dead_n1=0; %counter for bit transmitted to Bases Station and to Cluster Heads packets_TO_BS1=0; packets_TO_CH1=0; %counter for bit transmitted to Bases Station and to Cluster Heads %per round PACKETS_TO_CH1(r+1)=0; PACKETS_TO_BS1(r+1)=0; for i=1:1:n %checking

56、 if there is a dead node if (S1(i).E0 S1(i).type= N; if (S1(i).ENERGY=0) plot(S1(i).xd,S1(i).yd, o); end if (S1(i).ENERGY=1) plot(S1(i).xd,S1(i).yd, +); end hold on; end %ALIVE=100-dead; % plot(i,ALIVE,b-); end plot(S1(n+1).xd,S1(n+1).yd, x); STATISTICS1(r+1).DEAD=dead1; DEAD1(r+1)=dead1; DEAD_N1(r+

57、1)=dead_n1; DEAD_A1(r+1)=dead_a1; %When the first node dies if (dead1=1) if (flag_first_dead1=0) first_dead1=r flag_first_dead1=1; end end countCHs1=0; cluster1=1; for i=1:1:n if (S1(i).E0) temp_rand1=rand; if ( (S1(i).G)=0) %Election of Cluster Heads if (temp_rand1= (p/(1-p*mod(r,round(1/p) countCH

58、s1=countCHs1+1; packets_TO_BS1=packets_TO_BS1+1; PACKETS_TO_BS1(r+1)=packets_TO_BS1; S1(i).type= C; S1(i).G=round(1/p)-1; C1(cluster1).xd=S1(i).xd; C1(cluster1).yd=S1(i).yd; plot(S1(i).xd,S1(i).yd, k*); distance1=sqrt( (S1(i).xd-(S1(n+1).xd) )A2 + (S1(i).yd-(S1(n+1).yd) )do) 南京邮电大学2021届毕业设计论文 30 S1(

59、i).E=S1(i).E- ( (ETX+EDA)*(4000) + Emp*4000*( distance1*distance1*distance1*distance1 ); end if (distance10 ) if (cluster1-1=1) min_dis1=sqrt( (S1(i).xd-S1(n+1).xd)A2 + (S1(i).yd-S1(n+1).yd)A2 ); min_dis_cluster1=1; for c=1:1:cluster1-1 temp1=min(min_dis1,sqrt( (S1(i).xd-C1(c).xd)A2 + (S1(i).yd-C1(c

60、).yd)A2); if ( temp1do) S1(i).E=S1(i).E- ( ETX*(4000) + Emp*4000*( min_dis1 * min_dis1 * min_dis1* min_dis1); end if (min_dis10) S1(C1(min_dis_cluster1).id).E = S1(C1(min_dis_cluster1).id).E- ( (ERX + EDA)*4000 ); PACKETS_TO_CH1(r+1)=n-dead1-cluster1+1; end南京邮电大学2021届毕业设计论文 32 S1(i).min_dis=min_dis1