节点均匀分布的无线传感器网络LEACH算法改进研究

单位代码01学号分类号TP312密级毕业论文节点均匀分布的无线传感器网络LEACH算法改进研究2013年5月15日院(系)名称信息工程学院专业名称网络工程黄河科技学院毕业论文第I页节点均匀分布的无线传感器网络LEACH算法改进研究摘要无线传感器网络在当前国际上备受关注，是多学科交叉的前沿研究热点领域。无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、无线网络通信技术、分布式信息处理技术，能够协作的实时监测、感知与采集各种环境或监测对象等信息，通过嵌入式系统对信息的处理，以及自组织网络多跳中继方式将信息传送到终端用户。无线传感器网具有组网快捷、灵活等诸多优点，具有很高的研究价值与十分广阔的应用前景。本文对无线传感器网络及路由协议进行了介绍，主要是针对LEACH协议的缺点，分析了改进算法LEACH-G。原有的LEACH协议采用簇头节点随机选取的方式，改进后的LEACH-G协议根据簇头节点的选择，通过考虑节点的剩余能量和距离，来提高网络的负载和均衡性。并且簇头节点之间采用多跳的通信方式，保证了数据尽快的传到基站，弥补了LEACH算法单跳的不足，从而使网络寿命相应的延长。本协议改进的仿真在MATLAB仿真平台上实现，通过对仿真结果的分析与比较，改进后的协议有效地延长了网络生命周期，提高了网络的效率。关键词：无线传感器网络，路由协议，LEACH-G，LEACH黄河科技学院毕业论文第II页NodesuniformlydistributedwirelesssensornetworksLEACHimprovedarithmeticresearchAuthor:CaiWenlingTutor:WuHaiyanAbstractWirelessSensorNetworks(WSN),crossedbymanysubjects,istheadvancedresearchhotspotfieldofrecentinternationalattention.TheWirelessSensorNetworks,whichincludethesensortechnology,embeddedtechnology,wirelessnetworkcommunicationtechnology,distributedinformationprocesstechnology,isabletoreal-timemonitor,apperceiveandcollecttheinformationofenvironmentormonitorobject.Theinformationisprocessedbyembeddedsystemandsenttoterminaluserviarandomautonomouswirelesscommunicationnetworkwiththemulti-hoprelaymanager.Itisbeingwidelyusedincommercialandmilitaryfields.Inthispaper,thewirelesssensornetworksandroutingprotocolsfortheshortcomingsoftheLEACHprotocol,analysisoftheimprovedalgorithmLEACH-G.Theclusterheadnoderandomlyselected,theoriginalLEACHprotocolLEACH-Gprotocolimprovedaccordingtothechoiceoftheclusterheadnode,bytakingintoaccounttheresidualenergyofthenodeanddistance,toimprovethenetworkloadandbalance.Andmulti-hopcommunicationbetweentheclusterheadnodetoensurethatthedatatransmittedtothebasestationassoonaspossible,tomakeupforsingle-hopLEACHalgorithminsufficient,sothatthenetworklifetimeextension.ThisAgreementimprovedsimulationinMATLABsimulationplatform,analysisandcomparisonofthesimulationresults,theimprovedprotocoleffectivelyextendthenetworklifecycle,improvetheefficiencyofthenetwork.Keywords：wirelesssensornetworks，routingprotocol，LEACH-G，LEACH黄河科技学院毕业论文第III页目录1绪论.................................................................................................................................11.1无线传感器网络概述..............................................................................................11.2无线传感器网络的特点..........................................................................................22无线传感器网络路由协议............................................................................................42.1路由协议分类..........................................................................................................42.2分簇路由协议..........................................................................................................53LEACH协议的分析及改进...........................................................................................63.1LEACH算法描述....................................................................................................63.2LEACH协议的优缺点............................................................................................73.3LEACH改进方案....................................................................................................84仿真实验与结果分析..................................................................................................124.1MATLAB仿真工具介绍.......................................................................................124.2LEACH算法仿真分析..........................................................................................124.3LEACH与改进的LEACH-G的比较...................................................................145总结...............................................................................................................................15致谢..................................................................................................................................16参考文献..........................................................................................................................17黄河科技学院毕业论文第1页1绪论1.1无线传感器网络概述无线传感器网络[1]（WSN）是指将大量的具有通信与计算能力的微小传感器节点，通过人工布设、空投、火炮投射等方法设置在预定的检测区域，构成“智能”自治监控网络系统，能够检测、感知和采集各种环境或检测对象的信息。由于传感器节点数量众多，布设时智能采用随机投放的方式，传感器节点的位置不能预先确定。节点之间可以通过无线信道连接，并具有很强的协同能力，通过局部的数据采集、预处理以及节点之间的数据交互来完成全局任务，同时节点之间采用自组织网络拓扑结构。由于传感器节点密集布设的，因此节点之间的距离很短，在传输信息方面多跳（multi-hop）、对等（peertopeer）通信方式方式比传统的单跳、主从通信方式更适合在无线传感器网络中使用，例如：使用多跳的通信方式可以有效的避免在长距离无线信号传播过程中遇到的信号衰落和干扰等各种问题。如图1.1所示。图1.1无线传感器网络体系结构图远程任务管理外部网络（UAV、卫星通信网、互联网等）用户数据传输或信令交互传感节点感知现场目标黄河科技学院毕业论文第2页1.2无线传感器网络的特点无线传感器网络的工作模式与传统的网络不同，并且它具有很多独特而又鲜明的特点。（1）大规模网络。为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点，传感器节点数量可能达到成千上万，甚至更多。传感器网络的大规模性包括两方面的含义：一方面是传感器节点分布在很大的地理区域内，比如在原始大森林采用传感器网络进行森林防火和环境监测，需要部署大量的传感器节点；另一方面，传感器节点部署很密集，在一个面积不是很大的空间内，密集部署了大量的传感器节点[2]。传感器网络的大规模性具有如下优点：通过不同空间视角获得的信息具有更大的信噪比（signal-to-noiseratio）；通过分布式处理大量的采集信息能够提高监测的精确度，降低对单个节点传感器的精度要求；大量冗余节点的存在，使得系统具有很强的容错性能；大量节点能够增大覆盖的监测区域，减少洞穴或者盲区。（2）自组织网络。在传感器网络应用中，通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方[3]。传感器节点的位置不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系预先也不知道，比如通过飞机播撒大量传感器节点到面积广阔的原始森林中，或随意放置到人不可到达或危险的区域。这样就要求传感器节点具有自组织的能力，