LEACH算法的学习摘要
无线传感器网络LEACH路由协议的节能改进算法
无线传感器网络LEACH路由协议的节能改进算法摘要：LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）是一种经典的WSN自适应分簇分层路由协议，但协议没有考虑节点的剩余能量，随机的产生簇头节点，且在分簇过程中没有考虑簇头节点的数量，过多的簇头造成数据冗余，过少的簇头又因数据传输距离过长而消耗过多的能量，缩短了整个网络的生存周期。
针对LEACH存在的以上缺陷，首先在阀值公式中引入节点的能量因素，然后提出一种新的簇头数的计算方法，通过控制簇头数量确保了网络负载的平衡。
仿真结果表明：改进后的算法有效降低了能耗，延长了节点和网络的寿命。
关键词：无线传感器网络，LEACH路由协议，最佳簇头数，能量消耗1 引言无线传感器网络（WSN）是由大量传感器节点以自组织的方式构成的无线网络。
传感器节点通常采用电池供电，其计算和存储能力十分有限，因此节能是无线传感器网络的一个重要研究方向[[1]]。
其中LEACH路由协议是最早提出的一个能量利用率较高的分层路由协议，协议采用分簇的方式，实现网络能量消耗的均衡。
本文针对LEACH协议的一些不足，提出改进算法。
2 LEACH 算法概述LEACH算法是无线传感器网络最早提出的分簇路由协议， LEACH定义了轮的概念，每轮分为簇的建立阶段和稳定状态阶段。
在簇的建立阶段，每个节点产生一个（0,1）之间的随机数，并把它和阀值 T(n)进行比较，如果这个数小于阀值，则该节点成为簇头节点。
T(n)的计算公式为：其中，P是簇头在所有传感器节点中所占的百分比，P=k/n,k为网络中的簇头个数，N为网络中的节点总数，r是当前的轮数，G是前1/P轮中未当选过簇头节点的集合。
在每1/P轮，每个节点有且只能成为一次簇头。
3 簇头选择的改进Leach协议中所有节点被选为簇头的概率是相等的，但他们当选为簇头的概率依然是相等的。
在这种情况下会出现一些剩余能量很少的节点依然被选为簇头节点，这样导致此节点的能量会很快耗尽，出现网络“洞点”使得整个网络的生存时间变短[2]。
基于LEACH路由算法的研究与改进
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摘 要 ： 绍 了无 线 传 感 器 网络 中 Ｌ Ａ Ｈ 路 由算 法 的特 性 ， 针 对 该 算 法 在 选 取 簇 头 节 点 过 程 中的 不 足 之 处 该 文 提 出 了一 种 改 进 方 介 Ｅ Ｃ 并
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无 线 传 感 器 网 络 能 实 时监 测 、 知 、 集 和 处 理 各 种 监 测 对 象 的 信 息 ， 军 事 、 境 监 测 和 工 业 生 产 等 方 面 具 有 十 分 广 阔 的 应 感 采 在 环
案， 通过 为每 一 个 节 点 分 配 标 志 值 的 方 法 ， 免 了无 谓 的 能 量损 失从 而 延 长 了传 感 器 节 点 的 生 存 寿命 。并 且在 原 有 算 法 随机 分 簇 方 避
法的 基 础 上 ， 出了基 于 平 面 直 角 坐 标 系的 分 簇 思 想 ， 得 簇 头 节 点 分 布 更 均 匀 ， 而 均 衡 了整 个 无 线 网络 的 能 量 消耗 。 提 使 从 关 键 词 ： Ｓ ； Ｅ Ｈ 算 法 ； 头 ： 层 路 由算 法 Ｗ Ｎ Ｌ ＡＣ 簇 分
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基于LEACH路由的分簇算法研究
• 73•作为无线传感器网络的重要技术，WSN 路由协议是学术研究的热门话题。
LEACH 协议作为典型的的分簇算法它有很多的优点，但也有不足之处。
本文首先分析了原始的LEACH 算法。
缺点是没有考虑节点的剩余能量和位置。
在本文中，改进了缺陷，并将剩余的能量添加到考虑标准中，并且还增加了簇头之间的距离以避免形成热区域和簇头分布太密集。
通过Matlab 仿真，验证了改进的LEACH 算法可以使簇头分布更均匀，更能节省能耗，提高了网络生命周期。
1 LEACH协议LEACH （Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy ）全称是“低能耗自适应分簇型路由算法”，它是一种基于LEACH 协议的算法，因此被称作LEACH 算法，它作为层次型分簇路由算法，是无线传感器中很典型的代表（柳丽娜，无线传感器网络中LEACH 算法的研究和改进：吉林大学，2012）。
第一步，节点的初始化；第二步，选出网络中的簇头节点；第三步，正常部分成为簇头之后的初始化（基站的初始化，公共传感器节点的能量等），属于网络的建立阶段，并且选择簇头是在随机过程中生成的。
然后网络稳定来进行数据传输。
这属于一个循环，然后来回循环直到能量耗尽。
其中在选择簇头的过程中，首先会产生0到1的随机数值，如果产生的此数值比T(n)大，那么该节点就被选为簇首，T(n)就作为能否当选为簇头的标准。
T(n)的表达式为：（1）其中：P 是选举的簇头比例；r 是此时正在进行的轮数；G 是此时还没当选簇头的节点集合。
2 LEACH协议不足在分析了经典的LEACH 分簇算法过程中，虽然优点很多，但也存在一些缺点（唐甲东，蔡明，无线传感器网络路由协议研究-LEACH 路由协议的改进：计算机工程，2013）：（1）簇头很容易产生在一些能量很低的节点上，从而会大大降低网络的寿命。
（2）簇头节点分布不均匀，有些过于集中，因此能量不能达到均衡状态。
LEACH算法的学习摘要
LEACH算法的学习摘要一、LEACH的定义LEACH:低功耗自适应路由算法二、LEACH算法的工作流程1.总述LEACH路由协议主要分为两个阶段：即簇建立阶段(setup phase)和稳定运行阶段(ready phase)。
簇建立阶段和稳定运行阶段所持续的时间总和为一轮(round)。
为减少协议开销，稳定运行阶段的持续时间要长于簇建立阶段。
2.簇建立阶段在簇建立阶段，传感器节点随机生成一个0，1之间的随机数，并且与阈值T(n)做比较，如果小于该阈值，则该节点就会当选为簇头。
T(n)按照下列公式计算：式中：P为节点成为簇头节点的百分数，r为当前轮数，G为在最近的1/p 轮中未当选簇头的节点集合。
簇头节点选定后，广播自己成为簇头的消息，节点根据接收到的消息的强度决定加入哪个簇，并告知相应的簇头，完成簇的建立过程。
然后，簇头节点采用TDMA的方式，为簇内成员分配传送数据的时隙。
3.稳定阶段在稳定阶段，传感器节点将采集的数据传送到簇头节点。
簇头节点对采集的数据进行数据融合后再将信息传送给汇聚节点，汇聚节点将数据传送给监控中心来进行数据的处理。
稳定阶段持续一段时间后，网络重新进入簇的建立阶段，进行下一轮的簇重建，不断循环。
三、LEACH算法的优点1.LEACH算法属于分层路由协议，节点之间反应速度快，簇头进行轮转性选举，能够保证无线传感器网络中各个节点能量均衡的消耗，从而有效地延长无线传感网络的生命周期，低功耗的目的。
2.各个节点之间不再是无序的建立通信路由，数据信息的传递具有一定的规则，普通节点只能向上一级簇头传送数据信息，一级粗托只能向二级簇头传送数据信息。
很大程度上节省了能量，减少了能量的浪费。
3.相近的节点之间接收到的数据信息有可能相同或相近，这就需要簇头进行必要的数据融合。
更好的提升了能量的利用率。
4.每个簇头都要进行数据融合，因为每个簇头接收到的都是局部数据信息，所以数据信息都是比较相关，给数据的融合带来了较快的速度。
LEACH算法讲解
LEACH算法讲解LEACH(low energy adaptive clustering hierarchy)算法是⼀种⾃适应分簇拓扑算法，它的执⾏过程是周期性的，其中定义了“轮”(round)的概念来实现周期性。
每轮循环分为族的建⽴阶段和稳定的数据通信阶段。
1、在簇的建⽴阶段，相邻节点动态地形成簇，随机产⽣簇头；2、在数据通信阶段，簇内节点把数据发送给簇头，簇头进⾏数据融合并把结果发送给汇聚节点。
由于族头需要完成数据融合、与汇聚节点通信等⼯作，所以能量消耗⼤。
LEACH算法能够保证各节点等概率地担任簇头，使得⽹络中的节点相对均衡地消耗能量。
1、簇头选举⽅法LEACH算法选举簇头的过程如下：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），则发布⾃⼰是簇头的公告消息。
在每轮循环中，如果节点已经当选过簇头，则把T(n)设置为0，这样该节点不会再次当选为簇头。
对于未当选过簇头的节点，则将以T（n）的概率当选；随着当选过簇头的节点数⽬增加，剩余节点当选簇头的阀值T（n)随之增⼤，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。
当只剩下⼀个节点未当选时，T(n）=1，表⽰这个节点⼀定当选。
T（n)可表⽰为：其中，P是簇头数量占全部节点数量的百分⽐（⼀般会设为⼀个固定值，如 0.05 ），r是选举轮数，r mod (1/P)代表这⼀轮循环中当选过簇头的节点个数，G是在最后1/P轮中没有成为簇头的节点集。
2、数据通信当簇头选定之后，簇头节点主动向⽹络中节点⼴播⾃⼰成为簇头的消息。
接收到此消息的节点，依据接收信号的强度，选择它所要加⼊的簇，并发消息通知相应的簇头。
基于时分多址(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，并以⼴播的形式通知所有的簇内节点。
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。
简述LEACH算法的基本原理。
简述LEACH算法的基本原理。
LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）算法是一种无线传感器网络中常用的能量有效的数据聚集协议。
其基本原理是将传感器节点分为若干个簇，每个簇有一个簇头节点，簇头节点负责收集和汇总本簇内的数据并将其传输到基站，从而减少无线传输的能量消耗，延长网络寿命。
LEACH算法的具体实现步骤如下：
1. 初始阶段：每个节点随机选择一个数值作为阈值，若节点的能量水平高于该阈值，则该节点有可能成为簇头节点。
2. 簇头节点选择阶段：每个节点通过计算与其距离的平方和来确定与其最近的簇头节点，并将自己加入该簇头节点所在的簇中。
每个簇头节点根据自己的能量水平计算出一个概率值，该概率值与其他节点的能量水平成反比，能量水平越高的节点成为簇头节点的概率越小。
簇头节点将自己的概率值广播给其他节点，每个节点通过比较自己的概率值和簇头节点的概率值来决定是否成为簇头节点。
3. 簇内通信阶段：每个节点将数据发送给其所在的簇头节点，簇头节点负责汇总和压缩数据，并将数据传输到基站。
4. 轮换阶段：为了平衡能量消耗，每个簇头节点轮流充当簇头节点，其他节点
重新选择簇头节点。
LEACH算法的优点是能够有效地减少能量消耗，延长网络寿命，同时具有良好的可扩展性和自适应性。
但是由于其随机性较强，可能导致网络中出现簇头节点密集或稀疏的情况，从而影响网络性能。
一种安全的LEACH路由算法
Ｐ 一
分布式任务管理、嵌入式软件系统、网络信息处理、拓扑结
构 控 制 和 安全 等 众 多方 面 的 内容 。 由于 工作 环 境 和 工作 方 式
文献标识 Ａ 码：
中 圈分类 Ｔ ３１２ 号： Ｐ１５ ・
一
种 安 全 的 Ｌ ＡＣ 路 由算 法 Ｅ Ｈ
庞 飞，林 科 ，黄廷磊
（ 林 电子 科技 大 学 计 算 机 与控 制 学 院 ，广 西 桂 林 ５ １０ ） 桂 ４ ０４
摘 要 ：在研究低功耗 自 适应集簇分层型路 由协议的基础 上，从路 由安全的攻防角度入手 ，分析现有各种路由攻击手段的原理、特点及危
Ｌｏ Ｅｎ ｒ ｙＡｄ ｐ ｉ ｅＣｌ ｓｅ ｉ ｇ Ｈｉ ｒ ｒ ｈ ｗ ｅ ｇ ａ ｔｖ ｕ ｔ ｒ ｎ ｅ ａ ｃ ｙ
Ｐ ＡＮＧ ｅ ． Ｎ ． Ｆ ｉ ＬＩ Ｋｅ ＨＵＡＮＧ ｎ — ｉ Ｔｉ ｇ ｌ ｅ （ ｃ ｏ ｌ ｆ ｏ ｕｅ ＆ Ｃ ｎ ｒｌＧｕｌ ｉｅｓ ｙｏ Ｅ ｅ ｔ ｎ ｅ ｈ ｏｏ ｙ Ｇｕｌ ４ ０ ４ Ｃ ｉａ Ｓ ｈ ｏ Ｃ ｍｐ ｔ ｏ ｒ ｏ ｔ ， ｉｎＵｎｖ ｒｉ ｆ ｌ ｒ ｉ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ， ｉ ｎ １ ０ ， ｈｎ ） ｏ ｉ ｔ ｃｏｃ ｉ５
害，提出一种基于身份认证 的密钥协商安全 防范密钥管理对策 ，同时利用秘密共享技术防范关键点攻击 ，为无线传感器 网络安全路由的设
计 与实 现 提 供 一 个可 行 的 方 案 。 关健 词 ：无 线传 感 器 网络 ；身份 认 证 ；密钥 协商Leabharlann ；密 钥 管理 ；秘 密 共 享
无线传感器网络LEACH算法的改进与仿真
无线传感器网络LEACH算法的改进与仿真万传飞;杜尚丰【摘要】LEACH(low energy adaptive clustering hierarchy)是无线传感器网络层次型拓扑控制中最重要和最具代表性的算法之一.分析了LEACH协议的工作原理,并针对其在簇头选择上存在的不足,提出改进:考虑节点的能量和位置状况,通过引入能量、密度和距离调节参数来修正簇头当选阚值,从而选择出综合性能更为优越的节点担任簇首.仿真实验结果显示,改进后的算法在降低能耗、延长网络生存时间以及保证监测覆盖度等方面比LEACH具有更加优良的性能.%LEACH is one of the most important and representative hierarchical topology control protocols in wireless sensor networks.In this paper we analyze the operating principle of LEACH protocol and present an improved algorithm,which takes into account the protocol' s shortcoming in selecting cluster-head, that rectifies the elected threshold of cluster head by introducing energy, density and distance adjust parameters considering the energy and position circumstance of the nodes, hence the node with higher predominance in comprehensive performance is selected to be the cluster head.Simulation results demonstrate that the improved algorithm outperforms the LEACH protocol in performances of energy reduction, network lifetime prolongation and monitoring coverage assurance, etc.【期刊名称】《计算机应用与软件》【年(卷),期】2011(028)004【总页数】4页(P113-116)【关键词】无线传感器网络;层次型拓扑控制;LEACH【作者】万传飞;杜尚丰【作者单位】中国农业大学信息与电气工程学院,北京,100083;中国农业大学信息与电气工程学院,北京,100083【正文语种】中文0 引言低功耗自适应分簇算法LEACH［1，2］是1999年由麻省理工大学(MIT)电子工程与计算机科学学院的Heinzelman W.R等人提出的，它是第一个以分簇为基础的层次路由协议，是无线传感器网络层次型拓扑控制最重要和最具代表性的算法。
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LEACH算法的学习摘要
一、LEACH的定义
LEACH:低功耗自适应路由算法
二、LEACH算法的工作流程
1.总述
LEACH路由协议主要分为两个阶段：即簇建立阶段(setup phase)和稳定运行阶段(ready phase)。
簇建立阶段和稳定运行阶段所持续的时间总和为一轮(round)。
为减少协议开销，稳定运行阶段的持续时间要长于簇建立阶段。
2.簇建立阶段
在簇建立阶段，传感器节点随机生成一个0，1之间的随机数，并且与阈值T(n)做比较，如果小于该阈值，则该节点就会当选为簇头。
T(n)按照下列公式计算：
式中：P为节点成为簇头节点的百分数，r为当前轮数，G为在最近的1/p 轮中未当选簇头的节点集合。
簇头节点选定后，广播自己成为簇头的消息，节点根据接收到的消息的强度决定加入哪个簇，并告知相应的簇头，完成簇的建立过程。
然后，簇头节点采用TDMA的方式，为簇内成员分配传送数据的时隙。
3.稳定阶段
在稳定阶段，传感器节点将采集的数据传送到簇头节点。
簇头节点对采集的数据进行数据融合后再将信息传送给汇聚节点，汇聚节点将数据传送给监控中心来进行数据的处理。
稳定阶段持续一段时间后，网络重新进入簇的建立阶段，进行下一轮的簇重建，不断循环。
三、LEACH算法的优点
1.LEACH算法属于分层路由协议，节点之间反应速度快，簇头进行轮转性选举，能够保证无线传感器网络中各个节点能量均衡的消耗，从而有效地延长无线传感网络的生命周期，低功耗的目的。
2.各个节点之间不再是无序的建立通信路由，数据信息的传递具有一定的规则，普通节点只能向上一级簇头传送数据信息，一级粗托只能向二级簇头传送数据信息。
很大程度上节省了能量，减少了能量的浪费。
3.相近的节点之间接收到的数据信息有可能相同或相近，这就需要簇头进行必要的数据融合。
更好的提升了能量的利用率。
4.每个簇头都要进行数据融合，因为每个簇头接收到的都是局部数据信息，所以数据信息都是比较相关，给数据的融合带来了较快的速度。
5.LEACH路由算法采用TDMA和CDMA的MAC层机制进行各个节点间的数据信息的传递，保证了簇内各个节点有序的跟簇头节点的传递数据，也保证了簇头Sink节点进行有序的信息传递，从而避免了簇内和簇间的相互通信冲突。
6.LEACH路由协议感应外界的环境信息，是周期性的进行检测，各个周期之间不间断地进行。
LEACH协议非常适合长期、连续性的进行环境的检测。
为野外长时间、不间断地检测提供了保证。
7.有些检测不需要随时获取检测的数据信息，只是当环境中有意外、异常情况发生时，才进行必要的检测盒数据信息的传递。
这种不需要周期性的信息传递，减少了无线传感器网络的能量消耗，提高了网络的生命周期。
8.每进行完一轮数据信息的传送，网络进行重新的簇头选举，保证了各个节点之间能量的均衡消耗，提高了能量的利用率。
四、LEACH算法的缺点
1.LEACH路由协议算法中没有说明簇头节点如何进行选举分配，才能保证网络数
据传递的更优。
2.LEACH路由协议算法中每进行一轮的数据传输，全网就进行一次簇头的重新选举，一些不必要的全网簇头选举需要消耗过多的能量，大部分的电池能量可能被浪费在簇头的重新选举中，节点消耗能量过多，进而过早的死去，从而降低了能量的利用率，降低了网络生命周期。
3.在经典的LEACH路由算法中，簇头的选举不具有合理性，通过简单的公式设定簇头选举的阈值，不利于提高无线传感器网络能量的利用率。
没有考虑节点的剩余能量。
密度以及地理位置的影响。
五、LEACH算法的改进方向
1.把簇头的全网选举，改为簇头的簇内选举。
2.用多跳的方式解决簇头距离Sink节点太远、耗电太快的问题。