LEACH协议的算法结构及最新研究进展
LEACH协议论文分簇路由协议论文
LEACH协议论文分簇路由协议论文摘要：无线传感网络路由协议——leach协议(low energy adaptive clustering hierarchy)是一种经典的分簇路由协议，leach协议相比其他平面路由协议生命周期提高15%以上。
然而leach协议还是存在不少使能耗过大的缺陷，为改进leach协议这些缺陷本文提出了一种节能高效的基于群智能算法的智能分簇路由协议si-crp协议(swarm intelligence-clustering routing protocol)。
关键词：leach协议；分簇路由协议；节能高效；群智能算法；si-crpswarm intelligence-clustering routing protocol based on swarm intelligence algorithmsqian chang-jun(taizhou higher vocational school of mechanical & electrical technology, taizhou 225300, china) abstract: leach(low energy adaptive clustering hierarchy) is a classical clustering routing protocol in wsn routing protocols area. in comparsion with other flat routing protocols, leach can prolong network lifetime by 15%. while there are some shortcomings in leach which waste a lot of energy of sensor nodes,therefore an intelligent routingprotocol-si-crp(swarm intelligence-clustering routing protocol) based on swarm intelligence algorithms is proposed in this dissertation to solve the shortcomings in leach.key words: leach protocol; clustering routing protocol; energy efficiency; swarm intelligence algorithms, si-crp本文提出的智能无线传感器网络分簇路由协议si-crp是以无线传感器网络经典分簇路由协议leach协议的网络结构和路由机制为基础，针对leach协议中的缺点，结合对群智能算法领域的研究提出改进机制，设计出一种基于群智能算法的智能无线传感器网络分簇路由协议。
无线传感器网络LEACH协议的研究及改进
．
Ｌ Ａ Ｈ）并 在 此 基 础 上 针 对其 不 足 对其 进 行 改 进 。仿 真 结 果表 明 ， Ｅ Ｃ ， 改进 后 的 算法 使 网 络 节 点 寿 命 和 网络 寿命 在群 头 节 点百 分 比 取 不 同值 的 情 况 下都 有 所 提 高 ， 取 值 越 高 ， 网络 寿 命 增 加 更 明 显 。 且 其
【 关键词 】 无线传 感器网络 、 ： 传感器网络节点、 低功耗 自适应 集群 型分层协议
１ 引 言 ．
基 于 微 型 机 电 系 统 （ ｃｏ ｅｅｔ ｍ ｃａ ｉ ｌＳ ｓ ｍ ． Ｍｉ － ｌ ｒ ｅｈｎｃ ｙｔ ｓ ｒ ｃｏ ａ ｅ ＭＥ ） 件 的 传 感 器技 术 。 着 低 功 耗数 模 电子 器 件 。 功耗 射 ＭＳ 器 随 低
频设计和廉价微 型无线传感器件的发展也开始大行其道 无线
传 感 器 网 络 （ ｒｌ ｓＳｎｏ ｅｗ ｒ ． Ｎ ｔ 由 一 组 传 感 器 以 Ｗｉ ｅ ｅ ｓｒ ｔｏｋ ＷＳ ）是 ｅｓ Ｎ ＇ ￣ Ａ Ｏ Ｄ Ｈ Ｃ的 方 式 构成 的 无 线 网 络 ． 由散 布 在 一 广 阔 区 域 数 以千 【 计的传 感器节点组成 。ＷＳ Ｎ以数据 、 应用为 中心 。 节点 分布密度 高、 范围广 ， 且大部分处于静止状态 。而 由于相邻节点或 区域之 间数 据 融 合 的存 在 ， 别 是 能 量 的限 制 ． ＷＳ 与 传 统 网 络 及 特 使 Ｎ Ａ Ｏ Ｄ Ｈ Ｃ网 络 有 很 大 的不 同闭 ＷＳ 的 路 由算 法 要 求 具 有 能 量 节点 的节 点 。 Ｎ 有 效性 ， 时 性 ， 实 区域 性 ， 可扩 展 性 ， 自适 应性 ． 错 性 等 特 点 。 容 根 据 传 感 器 节 点 参 与 通 信 的方 式 ， 由 协 议 可 以 分 为 １ 直 路 ３ １ ： 接 通 信 型 协 议 ， 泛 式 路 由 协 议 ， 坦 型 路 由协 议 ， 次 式 路 由 洪 平 层 协 议 。 直接 通 信 型 协 议 中 ，传 感 器节 点 直接 发 送 数 据 给 ｓ ｋ节 ｉ ｎ 点， 只适 用 于 小 型 的 网络 ． 着 节 点 数 目的 增 加 ， 随 网络 中 的 数 据 冲 突也 将 变 得 非 常 严 重 。 泛式 路 由协 议 是 一 种 古 老 的 协 议 ， 洪 不 需 要维 护 网络 的 拓 扑 结 构 和路 由计 算 ．接 收 到 消 息 的 节 点 以广 播 形式 转 发数 据 包 给 所 有 的 邻 节 点 ．但 它 没 有 考 虑 能 源 方 面 的 限制 ． 有” 源盲区” 具 资 的缺 点 。对 于平 坦 型路 由 协议 的 网 络 中 ， 所 有节 点都 是 平 等 对 待 的 。 一个 节 点 需 要发 送 数 据 的 时 候 ， 当 可 能 通过 其 他 的节 点 作 为 中转 节 点进 行 转 发 ． 后 到 达 ｓ ｋ节 点 ． 最 ｉ ｎ 但 是也 由此 可 见 在 ｓ ｋ节 点 附 近 的 节 点 参 与数据 中转 的概 率 要 ｉ ｎ 比远离 它 的节 点 参 与 的 概 率 高 ．这 样 汇 聚 节 点 附 近 的 节 点 经 常 由 于频 繁 地 参 与 数 据 中 转 ， 很 快 地 耗 光 能 量 。 层 次 式 路 由协 而 而 议 的基本思想是将传感 器节点 分成 不同 的集群 ．集群 内部通信 由群 头 节 点 来 完 成 ．群 头 节点 进 行 数据 聚 集 和 融 合 减 少 传 输 信 息 量 ． 后 群头 节 点 把 处 理 后 的数 据 传 送 给 ｓ ｋ节 点 。 最 ｉ ｎ 这种 方 式 能满 足 传 感 器 网 络 的 可 扩 展 性 ．有 效 地 维 持 传 感 器 节 点 的 能量 消 耗 ． 而 延 长 网络 生 命 周 期 。 从 ’ ２ 无线 传 感 器 网 络 Ｌ Ａ Ｈ 路 由协 议 ． Ｅ Ｃ 基 于 传 统 路 由 协 议 ． Ｒ Ｗ． Ｈ ｉ ｅｍ ｎ等 人 提 出 了 低 功 耗 自适 ｅ ｚｌ ａ ｎ 应 集群 型 分 层路 由协 议 （ｏ ｎｒｙ Ｌｗ Ｅ ｅｇ
无线传感器网络LEACH协议的研究与改进
无线传感器网络LEACH协议的研究与改进摘要：LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）是一种经典的WSN 分层路由协议，它采取自适应分簇算法，一定程度上延长了网络生存期。
然而LEACH路由协议的簇头随机产生，没有考虑节点的剩余能量，未达到簇头最优。
LEACH簇头与基站直接通信，如果两者距离较远，则会带来较大的能量损耗。
结合LEACH及LEACH现有的一些改进算法。
综合考虑了节点的剩余能量和簇首节点数目，簇头和基站之间采用单跳和多跳结合策略，有效地降低了能耗，保证了网络负载的平衡。
关键字：LEACH协议；无线传感器网络；簇头选举算法Abstract：LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy) is a classic WSN hierarchical routing protocol, it has taken to extend the lifetime of the network adaptive clustering algorithm, to a certain extent. However, the routing protocol LEACH cluster head randomly generated, without considering the residual energy of the node, the cluster head does not reach the optimum. LEACH cluster head directly communicate with the base station, if the distance between the two, it will bring greater energy loss. LEACH and LEACH combining some of the existing improved algorithms. Considering the remaining energy is used between nodes and cluster head node number, cluster head and base single-hop and multi-hop combined with strategies to effectively reduce energy consumption, to ensure the balance network load.KEYWORDS: Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy（LEACH）；Wireless Sensor Network（WSN）;cluster－head selection algorithm1 引言无线传感器网络（WSN）不需要固定网络支持，具有快速展开、抗毁性强等优势，能够适用于人们无法接近的恶劣或特殊环境，在军事、商业、医疗、家庭和环境监测等方面广泛应用。
无线传感器网络LEACH协议研究
无线传感器网络LEACH协议的研究摘要：无线传感器网络因其在军事、经济、民生等方面广阔的应用前景成为21世纪的前沿热点研究领域[1]。
在传感器节点能量有限的情况下，提高路由效率，延长网络寿命成为无线传感器网络需考虑的问题。
由于采取分簇，数据融合的思想，LEACH协议有着较高的路由效率，但在实际应用，尤其是大规模网络中，仍存在负载不均衡等问题。
本文主要分析了LEACH协议的基本思想及优缺点，随后针对大规模的网络环境对其分簇算法进行改进。
前人提出一种有效的方法计算最优簇首个数，本文推算出适合本文中网络环境的公式并加以应用。
本文用NS2进行仿真，仿真后的结果表明，改进后的分簇算法更为有效，延长了网络寿命，增大了网络传送数据量。
关键词：无线传感器网络；路由协议；LEACH；分簇思想Research on Routing Protocol of LEACH in WSNShen Y uanyiDept. of Information and Telecommunication,NUPTABSTRACT：Nowadays, wireless sensor network has become a hot spot of 21st century because of its wide application on military, economy and human life. On the condition that the energy of a sensor node is limited, how to improve the routing efficiency and expand the network’s lifespan has been an important issue to consider. LEACH maintains quite high routing efficiency for its idea of clustering and data gathering. But in practical, it still has problems such as load unbalance especially in large scale network. The article mainly analyses the basic idea of LEACH, the benefits and drawbacks of it and later introduce an improvement on clustering algorithm according to large scale network.Key words：WSN；routing protocol; LEACH; clustering1LEACH协议介绍与分析1.1 LEACH算法思想算法基本思想[2]是：以循环的方式随机选择簇头节点，将整个网络的能量负载平均分配到每个传感器节点中，从而达到降低网络能源消耗、提高网络整体生存时间的目的。
无线传感器网络路由协议LEACH研究报告与改
无线传感器网络路由协议LEACH的研究与改进摘要:无线传感器网络由许多具有低功率无线收发装置的传感器节点成,能够有效地感知、采集和处理网络覆盖区域中的相关信息,并发送给远处的基站进一步处理。
由于传感器节点能量有限,路由协议必须尽可能地减少能量消耗,延长网络生命周期。
在LEACH算法基础上,提出一种改进的路由算法,改进后的算法采用相对固定的成簇方式,每隔一轮重新构建簇。
利用图论中的prim算法,选择每轮中Ped最大的簇头作为根节点,在簇头节点之间构造树形路由,簇头之间以多跳方式将收集到的数据发送到根节点,然后通过根节点将整个网络收集到的数据发送到基站。
仿真结果表明,与LEACH算法相比,改进算法降低了能耗,有效延长了网络生存周期。
关键词:无线传感器网络。
LEACH算法。
分簇。
生命周期。
能量消耗Abstract: W ireless sensor networks consisting of a large number of small sensorswith low-power transceiver canbe an effective tool for apperceiving, collecting and computing data in a variety of environment.The collected datamustbe transmitted to the base station for further processing. Based on LEACH algorithm, this paper presents a novel clustering algorithm in which clusterare relatively fixed and the nodes re-organize themselves into new clusters every other round. It utilizes the Prim algorithm inthe graph theory to form tree routing among cluster-head nodes, and selects the cluster-head with the largestPedas the rootnode. The cluster heads send data to the root node in a multi-hop manner and the root node then sends the gathered data bythe whole network to the base station. Simulation results show that compared with LEACH, the improved algorithm can reduce the energy consumption and prolong the lifetime of the network.Key Words：wireless sensor network, LEACH algorithm, clustering, lifetime, energyconsume1、前言无线传感器网络被认为是在一定空间范围内密集分布的由大量体积小、廉价、电池供电的通信器件构成的自组织系统．由于无线传感器网络大都需要在无人看管、不更换电池或者几乎不可能更换电池的条件下长时间的工作，如何提高能量的有效利用率并延长网络寿命便成了一个重要问题．网络数据传输离不开路由协议,路由协议对网络的整体性能有重要影响,因此,作为无线传感器网络核心技术之一的路由协议一直是研究的热点。
LEACH协议的簇头多跳算法的研究
Ｉ ＳＮ ０ ９ ３ ４ Ｓ １０ － ０ ４
Ｅ—ｍａ ｌ ｎ ｏ ｅ Ｃ ｎｅ．ｎ ｉ：ｉｆ ＠ Ｃ Ｃ． ｔ ｅ ｈｔ ／ ｔｐ：ｗｗｗ．ｎｚ ． ｔ ｎ ／ ｄ ｓｎｅ． ｅ Ｔｅ： ｌ ＋８６ ５１ ６ ９６ ５ ０ ４ —５ —５ ９０ ３ ６９ ９６
Ｃ ｍ ｕ ｒ ｎ ｗｅ ｇ ｎ ｅ ｈ ｏ ｇ ｏ ｐ ｔ ｏ ｌ ｅ ｄＴ ｃ ｎ ｌ ｙ电脑 知 识 与技术 ｅＫ ｄ ａ ｏ
摘 要 ： 着侍 感 器技 术 、 机 电 系统 、 随 微 现代 网络 和 无 线 通 信 等技 术 的快 速 发 展 ， 功 耗 成 为 无 线 传 感 网络 中 关键 性 的 问题 ， 过研 究 低 通 无 线 传感 器 网络 的分 簇 式路 由协 议 ， 析 了 Ｌ Ａ Ｈ 协议 的不 足 并提 出 自己的 改进 思路 （ Ｅ Ｃ ＭＥ 协议 ） 分 Ｅ Ｃ Ｌ Ａ Ｈ－ 。仿 真 结 果显 示 改进 后 的 ＬＡ Ｅ ＣＨ 算 法 在性 能上 有 所提 高 。
关 键 词 ：Ｅ Ｌ ＡＣＨ－ Ｅ 协 议 ； 头 多跳 ； 络 生 存 时 间 ； 线 传 感 网络 ； 功 耗 Ｍ 簇 网 无 低
LEACH协议研究与优化 论文
LEACH协议研究与优化摘要：近年来在微电子技术、通信技术、无线传输技术方面取得的巨大成就使得低成本、低功耗、小体积短通信距离的多功能无线传感器的实现成为可能。
在传感器节点能量有限的情况下，提高路由效率，延长网络寿命成为无线传感器网络需考虑的问题。
[1]由于采取分簇，数据融合的思想，LEACH协议有着较高的路由效率，但在实际应用，尤其是大规模网络中，仍存在负载不均衡等问题。
本文主要分析了LEACH协议的基本思想及优缺点，随后针对大规模的网络环境对其分簇算法进行改进。
关键词：无线传感网络路由协议LEACH 分簇思想Abstract：In recent years, microelectronic technology, communications technology, the tremendous achievements made wireless transmission technology enables low cost, low power, small size short communication distance multifunctional wireless sensors to achieve possible. In the case of limited energy of sensor nodes to improve routing efficiency and prolong the network lifetime becomes a problem in wireless sensor networks need to be considered. As a result of clustering, data fusion ideas, LEACH routing protocol has a higher efficiency, but in practical applications, especially large-scale networks, there are still load imbalance and other issues. This paper analyzes the advantages and disadvantages of the basic idea of LEACH, followed by improvements in its clustering algorithm for large-scale network environment.Keywords：WSN routing protocol LEACH clustering1.概述无线传感器网络因其在军事、经济、民生等方面广阔的应用前景成为21世纪的前沿热点研究领域。
leach协议
leach协议协议名称：Leach协议一、引言本协议旨在规定Leach协议的标准格式和内容，以便确保协议的准确性和一致性。
二、背景Leach协议是一种用于无线传感器网络中的分簇协议，它通过将传感器节点分为若干簇来实现能量高效和高性能的数据传输。
本协议的目标是最大限度地延长网络生命周期，提高能量利用效率和网络性能。
三、协议内容1. 网络拓扑1.1 网络结构：Leach协议采用星型拓扑结构，其中一个节点作为簇头（CH），其他节点作为普通节点。
1.2 簇头选择：每个节点根据能量水平选择成为簇头的概率，能量越高，成为簇头的概率越大。
1.3 簇头通信：簇头负责与其他节点进行通信，收集数据并将其传输到基站。
2. 簇形成过程2.1 簇头选择阶段：- 每个节点根据能量水平计算成为簇头的概率。
- 节点根据概率选择是否成为簇头。
- 若节点成为簇头，则广播该消息给其他节点。
2.2 簇成员选择阶段：- 普通节点接收到簇头广播的消息后，根据一定的规则选择加入某个簇。
- 节点将自己的信息发送给所选择的簇头。
2.3 簇维护阶段：- 簇头周期性地向簇成员发送控制信息，以维护簇内的通信。
- 簇头负责收集簇成员的数据，并将其传输到基站。
3. 数据传输3.1 数据聚合：簇头负责收集簇成员的数据，并进行数据聚合处理。
3.2 数据传输：簇头将聚合后的数据传输到基站。
3.3 能量平衡：为了平衡网络中各个节点的能量消耗，簇头在传输数据之前会使用轮流的方式选择簇成员进行数据传输。
4. 能量管理4.1 能量消耗：节点在进行通信和数据处理时会消耗能量。
4.2 能量补充：节点通过能量收集装置或充电设备补充能量。
4.3 能量均衡：Leach协议通过簇头轮流传输数据的方式，使得网络中各个节点的能量消耗相对均衡。
5. 安全性5.1 身份验证：节点之间的通信需要进行身份验证，以确保通信的安全性。
5.2 数据加密：敏感数据在传输过程中需要进行加密处理，以防止数据泄露。
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LEACH协议的算法结构及最新研究进展
1 LEACH协议算法结构
LEACH这个协议的解释是：低功耗自适应集簇分层型协议。
通过名字，我们就能想到这个协议的大概作用了。
那么在这之中，我们先来研究一下它的算法。
该算法基本思想是：以循环的方式随机选择蔟首节点，将整个网络的能量负载平均分配到每个传感器节点中，从而达到降低网络能源消耗、提高网络整体生存时间的目的。
仿真表明，与一般的平面多跳路由协议和静态分层算法相比，LEACH协议可以将网络生命周期延长15%。
LEACH在运行过程中不断的循环执行蔟的重构过程，每个蔟重构过程可以用回合的概念来描述。
每个回合可以分成两个阶段：蔟的建立阶段和传输数据的稳定阶段。
为了节省资源开销，稳定阶段的持续时间要大于建立阶段的持续时间。
蔟的建立过程可分成4个阶段：蔟首节点的选择、蔟首节点的广播、蔟首节点的建立和调度机制的生成。
蔟首节点的选择依据网络中所需要的蔟首节点总数和迄今为止每个节点已成为蔟首节点的次数来决定。
具体的选择办法是：每个传感器节点随机选择0-1之间的一个值。
如果选定的值小于某一个阀值，那么这个节点成为蔟首节点。
选定蔟首节点后，通过广播告知整个网络。
网络中的其他节点根据接收信息的信号强度决定从属的蔟，并通知相应的蔟首节点，完成蔟的建立。
最后，蔟首节点采用TDMA方式为蔟中每个节点分配向其传递数据的时间点。
稳定阶段中，传感器节点将采集的数据传送到蔟首节点。
蔟首节点对蔟中所有节点所采集的数据进行信息融合后再传送给汇聚节点，这是一种叫少通信业务量的合理工作模型。
稳定阶段持续一段时间后，网络重新进入蔟的建立阶段，进行下一回合的蔟重构，不断循环，每个蔟采用不同的CDMA代码进行通信来减少其他蔟内节点的干扰。
LEACH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。
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。
在稳定阶段，传感器节点将采集的数据传送到簇首节点。
簇首节点对采集的数据进行数据融合后再将信息传送给汇聚中心，汇聚中心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，网络重新进行簇的建立阶段，进行下一轮的簇重建，不断循环。
2 LEACH协议的特点
1 为了减少传送到汇聚节点的信息数量，蔟首节点负责融合来自蔟内不同源节点所产生的数据，并将融合后的数据发送到汇聚点。
2 LEACH采用基于TDMA/CDMA的MAC层机制来减少蔟内和蔟间的冲突。
3 由于数据采集是集中的和周期性的，因此该协议非常适合于要求连续监控的应用系统。
4 对于终端使用者来说，由于它并不需要立即得到所有的数据，因此协议不需要周期性的传输数据，这样可以达到限制传感器节点能量消耗的目的。
5 在给定的时间间隔后，协议重新选举蔟首节点，以保证无线传感器网络获取同意的能量分布。
尽管LEACH能够提高网络的生存时间，但是协议所使用的假设条件仍存在着一些值得讨论的问题，问题这主要体现在：
1 由于LEACH假定所有节点能够与汇聚节点直接通信，并且每个节点都具备支持不同MAC协议的计算能力，因此该协议不适合在大规模的无线传感器网络中应用。
2 协议没有说明蔟首节点的数目怎么分布才能及于整个网络。
因此，很可能出现被选的蔟首节点集中在网络某一区域的现象，这样就会使得一些节点的周围没有任何蔟首节点。
3 由于LEACH假定在最初的蔟首选择回合中，所有的节点都携带相同的能量，并且每个成为蔟首的节点都消耗大致相同的能量。
因此，协议不适合节点能量不均衡的网络。
节点经过蔟头选举成为蔟头后发布通告消息告知其他节点。
其他节点根据与蔟头节点的距离选择加入哪个蔟。
3展望
人们采用各种策略来设计路由协议,其中好的路由协议应该具有以下特点:高效利用能量几乎是设计的第一策略;针对节点易失效的特点,采用多径路由机制。
通过对当前的各种路由协议进行分析与总结,可以看出将来W SN s路由协议研究的某些策略与发展趋势:
(1)减少通信量以节约能量。
由于W SN s中数据通信最为耗能,因此应在协议中尽量减少数据通信量。
例如,可在数据查询或者数据上报中采用某种过滤机制,抑制节点上传不必要的数据;采用数据聚合机制,在数据传输到sink点之前就完成可能的数据计算。
(2)保持通信量负载平衡。
通过更加灵活地使用路由策略让各个节点分担数据传输,平衡节点的剩余能量,提高整个网络的生存周期。
例如,可在层次路由中采用动态的簇头。
(3)路由协议应具有容错性。
由于W SN s节点容易发生故障因此应尽量利用节点易获得的网络信息使整个网络瘫痪。
如何建立节能、高效、健壮、安全的路由协议将是无线传感器网络研究中的重点课题。