基于无线传感器LEACH算法改进方法的研究文献综述

单位代码01学号分类号TP312密级文献综述基于无线传感器LEACH算法改进方法的研究院（系）名称信息工程学院专业名称网络工程2013年4月6日基于无线传感器LEACH算法改进方法的研究摘要黄河科技学院毕业论文（文献综述）第1页作为一种新的信息获取方式和处理模式，无线传感器网络(wirelesssensornetwork，简称WSN)目前已成为国内外备受关注的研究热点。无线传感器网络(WSN)是众多的传感器通过无线通信的方式，相互联系，处理、传递信息的网络。该网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，可以实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种对象的信息，并对这些信息进行处理，传送给所需用户。本文主要对无线传感网络特点和路由协议作了说明，介绍了LEACH路由协议的工作原理。并针对它存在的不足，比较分析了DCHS路由算法、LEACH-C和LEACH-F算法。关键词：无线传感器网络，LEACH算法，路由协议1无线传感器网络的特点无线传感器网络的特点无线传感器网络除了具有无线网络的移动性、断接性等共同黄河科技学院毕业论文（文献综述）第2页特征以外,还具有很多其他鲜明的特点[1]。（1）传感节点体积小，成本低，计算能力有限。无线传感器网络是在MEMS技术、数字电路技术基础上发展起来的，传感节点各部分集成度很高，因此具有体积小的优点，当然从应用角度讲，减小节点尺寸也是必须考虑的设计要素。传感网络是由大量的传感节点组成的，单个节点的成本直接影响到网络的总体成本，如果总体成本比使用传统传感器的成本高，势必会影响无线传感网络的竞争力。（2）传感节点数量大、易失效，具有自适应性。根据应用的不同，传感器节点的数量可能达到几百万个，甚至更多。此外，传感器网络工作在比较恶劣的环境中，经常有新节点加入或已有节点失效，网络的拓扑结构变化很快，而且网络一旦形成，人很少干预其运行。因此，传感器网络的硬件必须具有高强壮性和容错性，相应的通信协议必须具有可重构和自适应性。（3）通信半径小，带宽很低。无线传感器网络是利用“多跳”来实现低功耗下的数据传输，因此其设计的通信覆盖范围只有几十米。和传统无线网络不同，传感器网络中传输的数据大部分是经过节点处理过的数据，因此流量较小。根据目前观察到的现象特性来看，传感数据所需的带宽将会很低(1~100kbit/s)。（4）电源能量是网络寿命的关键。无线传感器网络中通常运行在人无法接近的恶劣甚至危险的远程环境中，能源无法替代，只能选择扭扣式电池供电，电源能量极其有限，因此电源效率是设计考虑的关键因素。（5）数据管理与处理是传感器网络的核心技术[2]。对于观察者来说，传感器网络的核心是感知数据，而不是网络硬件。以数据为中心的特点要求传感器网络的设计必须以感知数据管理和处理为中心，把数据库技术和网络技术紧密结合，从逻辑概念和软、硬件技术两个方面实现一个高性能的以数据为中心的网络系统，使用户如同使用通常的数据库管理系统和数据处理系统一样自如地在传感器网络上进行感知数据的管理和处理。黄河科技学院毕业论文（文献综述）第3页2WSN层次路由协议概述无线传感器的路由协议起着监控网络拓扑的变化，建立、维护和删除节点间路由，保证在恶劣的环境中节点间信息的准确、高效和及时传递。无线传感器网络节点间以AdHoc方式进行通信，每个节点都可以充当路由器的角色，并且每个节点都具备动态搜索、定位和恢复链接的能力。路由协议负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点，主要包括两方面的功能：一是寻找源节点和目的节点间的优化路径；二是将数据分组沿着优化路径正确的出发[3]。它的路由协议有平面路由协议、分簇路由协议、能量感知路由协议、基于查询的路由协议、基于地理位置的路由协议等[4]，本文针对分簇路由协议进行说明。在分簇路由协议中，网络通常被划分为簇群，每个簇群由一个或多个成员组成，形成最高一级的网络。在高一级网络中，又可以分簇群，再次形成更高一级的网络，直至形成最高级的网络。分级结构中，簇群头节点不仅负责所管辖群内信息的收集和融合处理，还负责簇群间的转发[5]。分簇路由协议中每个簇群的形成通常是基于传感器节点的保留能量和簇群头节点的接近程度，同时为了延长整个网络的生存期，簇群头节点的选择需要周期更新。分簇路由协议的优点是适合大规模的传感器网络环境，可扩展性较好。缺点是簇群头节点的可靠性和稳定性对全网性能的影响较大，信息的采集和处理也会消耗簇群头节点的大量能量。分簇路由协议主要有LEACH，PEGASIS，TEEN，APTEEN，TTDD，EARSN等，以下主要分析了典型的LEACH路由算法[6]。黄河科技学院毕业论文（文献综述）第4页3LEACH路由协议工作原理低功耗自适应聚类分级LEACH协议是无线传感器网络中最早提出的分层路由算法。LEACH可以将网络整体生存时间延长15%。它的基本思想是通过等概率地随机循环选择簇头，将整个网络的能量负载平均分配到每个传感器节点，从而达到降低网络能量耗费、延长网络生命周期的目的[7]。LEACH的执行过程是周期性的，每轮循环的基本过程是：（1）簇的建立阶段。每个节点选取一个介于0和1之间的随机数，如果这个数小于某个阀值，该节点成为簇头。然后，簇头向所有节点广播自己成为簇头的消息。每个节点根据接收到广播信号的强弱来决定加入哪个簇，并回复该簇簇头。（2）数据传输阶段。簇内的所有节点按照TDMA(时分复用)时隙向簇头发送数据。簇头将数据融合之后把结果发给基站。（3）重新成簇。在持续工作一段时间之后，网络重新进入启动阶段，进行下一轮的簇头选取并重新建立簇。3.1LEACH及DCHS算法每个节点产生一个0~1之间的随机数，如果这个数小于阀值T(n)，则该节点向周围节点广播它是簇头的消息[8]。T（n）的计算公式为：otherwiseGnpppmT,0)rmod(1/-1)((1)其中：p是簇头占所有节点的百分比，即节点当选簇头的概率；r是目前循环进行的轮数；G是最近1/p轮中还未当选过簇头的节点集合。从T（n）我们可以看出，当选过簇头的节点在接下来的1/p轮循坏中将不能成为簇头，剩余节点当选簇头的阈值T（n）增大，节点产生小于T(n)的随机数的概率随之增大，所以节点当选簇头的概率增大。p值决定了每轮产生的簇头数量，在实际应用中，最佳p值的确定是十分困难的，这与网络规模和节点密度有关。另外，T（n）没有考虑能量因素，这种算法必须基于两黄河科技学院毕业论文（文献综述）第5页个前提假设才能达到每个节点平均耗费能量的预期目标：（1）每个节点初始能量均等；（2）每个节点担任簇头期间耗费的能量均等。然而，由于每个簇的大小以及簇头到基站的距离不一样，前提假设（2）不符合现实。针对LEACH[9]中T（n）计算公式（1）的不足，DCHS[10](deterministiccluster．headselection)将能量因素考虑进来，改进了T（n）的计算方法。max__nE)(1/modr-1)(ncurrentnewEpppnT(2)currentEn_表示节点的当前能量，maxn_E表示节点的初始。公式（2）的改进，使能量消耗比例较低的节点优先当选簇头，实验结果表明，该节点选取算法能在LEACH基础上有效提高网络生命20%~30%。然而，公式（2）的这种改进还有一个缺陷，当网络运行了相当长一段时间之后，所有节点的当前能量currentEn_都变的很低，那么阀值T（n）就会变小，所有节点成为簇头的概率都大大降低，每轮当选的簇头数量减小，最终导致网络能量耗费不均衡。网络生命周期缩短，为此DCHS再次改进了T（n）的计算方法。max__max__11E)rmod(1/1)(ncurrentnsncurrentnnewEEpdivrEpppnT(3)sr表示节点连续未当选过簇头的轮次，一旦当选了簇头，重置为0，公式(3)的改进有效地解决了公式(2)的缺陷，综合考虑了节点能量和阀值大小对簇头选取的影响，使算法更公平合理。3.2LEACH-C和LEACH-F算法LEACH-C[11](LEACH-centralized)和LEACH-F[12](LEACH-fixed)都是集中式的簇头产生算法，由基站负责挑选簇头。LEACH是每个节点根据随机数自决定是否当选簇头，每轮产生的簇头没有确定的黄河科技学院毕业论文（文献综述）第6页数量和位置。LEACH-C根据全局信息挑选簇头，可以有效解决LEACH的这一不足，每个节点把自身地理位置和当前能量报告给基站，基站根据所有节点的报告计算平均能量，当前能量低于平均能量的节点不能成为候选簇头，从剩余候选节点中选出合适数量和最优地理位置的簇头集合是一个NP问题，基站根据所有成员节点到簇头距离平方和最小的原则，采用模拟退火算法（simulatedannealing）解决该NP问题，最后，基站把簇头集合和簇的结构广播出去。LEACH-F也是在LEACH基础上做了一些改变。簇的形成与LEACH-C一样，也是基站采用模拟退火算法生成簇，同时，基站为每个簇生成一个簇头列表，只是簇内节点轮流当选簇头顺序。一旦簇头生成后，簇的结构就不再改变，簇内节点根据簇头列表依次成为簇头与LEACH和LEACH-C相比，LEACH-F最大的优点就是无须每轮循环都构成簇，减少了构造簇的开销，但是，LEACH-F并不适合正式的网络应用，因为他不能动态处理节点的加入、失败和移动，同时，它还增加了簇间的信号干扰。黄河科技学院毕业论文（文献综述）第7页4总结文中对无线传感器网络特点进行描述。主要针对无线传感器网络路由协议LEACH算法的不足进行分析。LEACH是最典型的分层路由算法，它的主要目的是延长了网络整体生存时间。不足是簇头能量消耗比较大，簇与簇之间节点的能量消耗不均衡，簇头节点能耗分布不均匀，导致有的簇和某些节点快速死亡，从而降低了网络的性能。而在它的基础上，引入了DCHS算法，LEACH-C和LEACH-F集中分簇路由算法，来进一步优化LEACH算法。DCHS算法把能量因素和阀值大小影响簇头选取都考虑在内，使能量消耗低的节点优先当选簇头，有效的提高了网络生存时间。LEACH-C根据全局信息挑选簇头，有效的解决了LEACH每轮挑选簇头时不能确定簇头个数和地理位置的不足。LEACH-F是不用每轮循环都构成簇，解决了节点构造簇的能量消耗问题。黄河科技学院毕业论文（文献综述）第8页参考文献[1]孙利明，李建中，陈渝等.无线传感器网络[M].北京：清华大学出版社.2005.[2]唐宏，谢静，鲁玉芳.无线传感器网络原理及应用[M].北京：人民邮电出版社.2010.[3]D.Li,K.Wong,Y.H,andA.Saied.Detection,castigationandtrackingoftargetsindistributedsensornetworks.IEEESignalProcessingMagazine,2002.19(2):876-883[4]王汝传，孙力娟主编.无线传感器网络技术及应用[M].北京：人民邮电出版社.2011.[5]刘化君，刘传清.物联网技术[M].北京：电子工业出版社.2010.[6]Heinemann,ChandrakasanA,BalKrishnanH.Energy-Efficientcommunicationprotocolforwirelesssensornetworks.In:Proc.ofthe33rdAnnualHawaiiInt’lConf.onSystemSciences.Maui:IEEEComputerSociety.2000.3005-30l4.[7]HandyMJ,HawseM,ZimmermannD.Lowenergyadaptiveclusteringhierarchywithdeterministiccluster-headselection.In:Proc.ofthe4thI