《单片机原理与接口技术》期中论文
论文题目LEACH协议簇头
选择算法的改进
姓名
学号
学院电气工程学院
专业班级2008级通信工程
目录
引言 (4)
1 LEACH协议 (4)
1.1 LEACH 协议介绍 (4)
1.2 LEACH 协议的能量损耗模型 (6)
1.3 LEACH 的不足在于： (6)
1.4 LEACH 协议的优化 (6)
1.4.1 基本思想 (6)
1.4.2改进细节 (7)
2 簇头选择算法的改进LEACH-H (8)
2.1簇头初选 (8)
2.2簇头调整过程 (9)
3仿真结果 (11)
4仿真分析 (11)
5结束语 (13)
参考文献 (15)
EACH协议簇头选择算法的改进
专业：通信工程姓名：马进虎
摘要LEACH 协议存在簇头节点个数和位置分布不稳定的现象。在改进的LEACH-H 协议在簇头节点的选举过程中, 充分考虑了簇头节点剩余能量因素, 设定了簇头的能量阀值, 防止了低能量的节点成为簇头。在此基础上引进簇头调整过程, 该过程通过排除紧密邻居簇头和增加必要的簇头, 在一定程度上解决了LEACH 协议存在的问题,从而达到均衡网络能量消耗, 延长生存期的目的。网络仿真证明了新算法的可行性，具有更高的能量使用率和更长的生存时间。
关键词WSN; LEACH; 簇头选择; LEACH—M
Abstract In LEACH , the number and the locations of
cluster-heads are both unstable. In order to avoid low energy cluster-head , inthe process of cluster-head electing , LEACH-H takes remaining energy into consideration , designs energy threshold of cluster-head. Acluster-head adjusting phase is devised , which can eliminate close neighbor cluster-heads and necessarily add cluster-heads. This phase willsolve the above problems to a certain extent , attain the load equilibrium and further lengthen the network lifetime. The simulation results showthat the new algorithm is feasible，higher energy usage and longer survival time.
Key words WSN; LEACH; selecting cluster-heads ; LEACH-M
引言
LEACH(Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy)协议是无线传感器网络层次型自适应成簇路由协议。它将传感器网络节点划分成“簇”,并引入了“轮”的概念,各节点独立地按照概率随机决定自己是否做“簇头”,通过周期性的簇头选举和网络重组过程,避免了簇头节点能耗过大,平衡了网络负载,大大节约了通信过程中的能量消耗。另外,簇头节点在处理数据的时候用到了数据融合技术和数据压缩技术,使得传输的数据量大大减小。因而与一般的多跳协议或者静态成簇算法相比,LEACH 可以将网络的生命周期延长15 % 。然而,LEACH 选簇首的方法常常呈现不稳定状态,即在一次实现中会出现簇首个数远远偏离期望值和分布位置集中在网络覆盖区域一侧的现象。本文对簇头选择算法进行改进,提出了新的协议LEACH—H。
1 LEACH协议
1.1 LEACH 协议介绍
LEACH 协议的每一轮可分成簇建立和稳定数据传输2个阶段。在簇建立阶段,各节点自主地运行簇头选举算法以确定自己是否成为簇头节点。成为簇头的节点向周围节点广播信息,其他节点根据接收到的广播信息的强度来选择它所要加入的簇,并告知相应的簇头。在稳定数据传输阶段,簇内节点把数据发送给簇头,簇头进行数据融合并把结果以一跳通信方式发送给sink 节点。簇头需要完成数据融合、与
汇聚节点通信等任务,能量消耗较大。因此,每一轮结束要按照上述方法重新选择簇头,以平均分担中继通信业务来均衡能量消耗。LEACH的簇头选举算法是分布式的算法,没有任何中心节点控制选举或对选举进行协调。每个节点独立自主地决定是否成为簇头。选举时,节点产生一个0～1 之间的随机数,若该随机数小于阀值T( n) ,则发布自己是簇头的公告消息。
T( n) 的公式为:
式中, p 为簇头节点在传感器网络所有节点中所占百分比的期望值; r 为当前选举的轮数; G 是在最近1/ p 轮中没有当选过簇头的节点集合。通过该算法,每个节点都会在1/ p 轮中当选一次簇头节点。通过研究发现LEACH 选簇首的方法无论从数量上还是分布的位置上都常常呈现不稳定状态。当簇首个数太少时,失去分层的意义;当簇首个数太多时,由于簇首要直接与远端的sink 节点通信,发射功率较大,会导致整个网络能耗过大;簇首位置过偏会导致部分节点簇内通信半径过大,能耗不均匀,这都会影响网络寿命,使得网络的负载平衡程度下降。研究发现,上述现象的发生源于每次簇首选举的过程完全依赖于各节点产生随机数的过程,由于随机数产生的不稳定性导致了簇首状态的不稳定性。
1.2 LEACH 协议的能量损耗模型
图1 LEACH 协议的能量损耗模型
LEACH 协议的能量损耗模型主要有接收机和发射机两部分组成。
发射机：发生电路发送放大器组成。
接收机主要是接收电路。
1.3 LEACH 的不足在于：
（1）各节点自行随机决定是否成为簇头，导致簇头在某一区域特别集中，某一区域又特别稀疏。
（2）LEACH 假定所有节点初始能量相同，但实际上这点未必成立。即使成立，由于消耗不均，运行一段时间后剩余能量也会不一致。
（3）簇头的选择没有考虑节点的剩余能量，有可能导致某些节点的能量提早耗尽。
（4）EACH 选簇首的方法无论从数量上还是分布的位置上都常常呈现不稳定状态。
1.4 LEACH 协议的优化
1.4.1 基本思想