無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)LEACH協(xié)議分簇算法改良研究.pdf

1、當(dāng)今無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network)無(wú)疑是網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)。相比于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)模式,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的最大特點(diǎn)在于節(jié)點(diǎn)同時(shí)具備了數(shù)據(jù)上傳和為其他節(jié)點(diǎn)提供轉(zhuǎn)發(fā)的功能[1]。這使其能夠很好地適應(yīng)大規(guī)模和動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用要求。借助無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)自組織性的特點(diǎn),可以幾乎不需要任何安裝工作就依靠大量廉價(jià)節(jié)點(diǎn)完成指定區(qū)域的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控工作。
　　而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的另一優(yōu)點(diǎn)在于其脫離了對(duì)線路的依賴(lài),這同時(shí)也意

2、味著節(jié)點(diǎn)需要完全依靠自帶的蓄電池工作,完成節(jié)點(diǎn)之間轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作承擔(dān)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中電源線路和網(wǎng)線的功能。因此無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的功耗和數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題就成為傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究的焦點(diǎn)。
　　本文系統(tǒng)地介紹了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)特性、應(yīng)用、體系結(jié)構(gòu)、協(xié)議棧相關(guān)資料。同時(shí)列舉目前應(yīng)用較廣的幾種無(wú)線傳感器協(xié)議,包括平面型、分層型和坐標(biāo)系型三大類(lèi)。簡(jiǎn)明闡述了它們的工作原理,優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。
　　其中分層型協(xié)議包含了LEACH(Low Ener

3、gy Adaptive Clustering Hierarchy)協(xié)議,分層協(xié)議的特點(diǎn)在于節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)被分為只做數(shù)據(jù)采集工作的節(jié)點(diǎn),和負(fù)責(zé)為一定區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)提供轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)的簇頭節(jié)點(diǎn)[2]。LEACH協(xié)議是本文介紹的重點(diǎn),包括它的能量模型、簇頭選擇算法、分簇的實(shí)現(xiàn)步驟和使其適用的幾個(gè)基本假設(shè)。執(zhí)行LEACH協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)在生命周期內(nèi)不斷經(jīng)歷著簇的重組與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)兩個(gè)階段的輪替。在簇的重組階段采用分布式算法產(chǎn)生簇頭,算法可以確保所有節(jié)點(diǎn)平均承擔(dān)簇

4、頭的任務(wù)。通過(guò)三次握手簇頭完成與周?chē)?jié)點(diǎn)的組簇和傳輸同步工作。在傳輸階段簇內(nèi)非簇頭節(jié)點(diǎn)沒(méi)有數(shù)據(jù)時(shí)處于休眠狀態(tài),而簇頭則承擔(dān)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù),采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載,采用TDMA方式為節(jié)點(diǎn)分配信道避免沖突。通過(guò)簇的重組,LEACH協(xié)議平衡節(jié)點(diǎn)由于承擔(dān)簇頭任務(wù)而造成的能量損耗上的差異。LEACH協(xié)議通過(guò)以上機(jī)制降低網(wǎng)絡(luò)能耗,延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。但LEACH協(xié)議的設(shè)計(jì)也使其應(yīng)用存在固有缺陷,比如說(shuō)LEACH以節(jié)點(diǎn)等次數(shù)地輪流承擔(dān)簇頭任務(wù),這種能

5、量平衡機(jī)制要求節(jié)點(diǎn)具有相同初始能量和相同的簇頭能耗。當(dāng)布網(wǎng)區(qū)域離基站較近時(shí),由于不同簇頭與 sink通信能耗不同,使得單輪的簇頭能耗不同。而當(dāng)布網(wǎng)節(jié)點(diǎn)質(zhì)量不同時(shí),節(jié)點(diǎn)的初始能量可能不同。以上兩種情況都會(huì)導(dǎo)致LEACH的能量平衡機(jī)制失效。正是因?yàn)檫@個(gè)原因LEACH協(xié)議在很多布網(wǎng)工作中并不適用。
　　在本文的最后部分,針對(duì)LEACH協(xié)議過(guò)遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)能量消耗過(guò)快而不能平衡能耗的缺陷,提出了協(xié)議的改進(jìn)版本LEACH-FC(LEACH-Forw

6、arded By The Cluster Head),引入轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制使用靠近sink的簇頭為遠(yuǎn)端簇頭分擔(dān)能耗以改善這個(gè)問(wèn)題。針對(duì)協(xié)議只適用初始能量相同節(jié)點(diǎn)的缺陷,提出了改進(jìn)版本LEACH-SE(LEACH-Select Custer Head By Energy),使用能量做參數(shù)選擇簇頭。并編寫(xiě)了模擬兩個(gè)版本改良協(xié)議與原協(xié)議的運(yùn)行差異的模擬程序驗(yàn)證改良的效率。模擬程序仿真了新協(xié)議和原協(xié)議的執(zhí)行過(guò)程,驗(yàn)證了新協(xié)議的改良效果,所得結(jié)果與理論分