基于静态分簇的LEACH算法改进研究

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基于簇内中转链路新型低功耗LEACH算法的研究

基于簇内中转链路新型低功耗LE ACH算法的研究吕乐群,　孙桂玲,　李维祥,　高艺(南开大学信息技术科学学院,天津300071) 摘要:基于经典LEACH协议,针对簇内通信方式进行了改进,在中转链路建立中,采用数据融合技术,进一步降低簇内通信能量消耗,减少簇首负荷;将动态成簇与静态成簇协同作用,从总能量消耗最低与全局能量均衡两个方面进行了改进。

采用O MNet++进行仿真,表明改进后的算法减小了簇内数据传输总距离,降低了总能量消耗,延长了网络寿命。

关键词:无线传感器网络;中转链路;LEACH-C I C;O MNet++ 中图分类号:T N911.22 文献标识码:A 文章编号:100328329(2010)022*******Research of a New L ow-power L EACH A lgor ithmBa s ed on Rel ay L i n ks i n C lusterL v le2qun,　SUN Gu i2l i ng,　L I W e i2x i a n g,　GAO Y i(C ollege of I n form a t ion Techn i ca l Sc ie n ce,Nanka i U n i ver sity,T i an j i n300071,C h i n a)Ab stra ct:Based on classical LEACH,it i mp r oved the comm unicati on in clusters by building r e lay links and app lying da ta f usion technol ogy.This further reduced the energy consump tion of comm uni2 ca tion within the cluste r and reduced the l oad of cluster heads.B y the syner gy of the dyna m ic and static clustering,it achieved a balance bet ween the t wo targets of the l owest energy c onsu m pti on and global energy balance.The si m ulati on show s that the pr oposed algorithm op ti m izes the average tr ans m ission distance,thus saving the net w ork energy consump tion,p r olonging the life s pan of the entire net work.Key word s:wireless sensor ne t w ork;da ta r e lay link;LEACH-C I C;O MNe t++1　引　言路由控制技术是无线传感器网络的关键技术之一,寻求一种低功耗、鲁棒性好、能随着网络拓扑结构的动态变化实现自适应的路由协议,是攻克W S N 难题的重要方面。

一种基于LEACH路由协议的改进算法

经引起了人们的关注。
级的网络，高一级网络中，可以分簇，次形成在又再
更高一级的网络，至最高级。ＬＡＨ协议就是最为直ＥＣ
典型的一种分层路由协议，针对ＬＡＨ协议的成簇方ＥＣ式引入一种Ｋ一中心点算法来改进ＬＡＨ算法的成ＥＣ
ＣＩｕｊ，ＨａｇｉｇＡｅｉＹｅＵＦｎｍｎ
（ｃｏｌｏｌｃｒｎｃＥｇｅｒｇｉｉｎＵｉｅｓｙ，Ｘｉｎ７０７，ＣｉａＳｈｏｆｅｔｉｎｉｅｉ，ＸｄａｎｖｒｉＥｏｎｎｔ ’ ０ａ１１ｈｎ）
ｗｏｋｌｉ．Ｌｒｉｍｅ￣ｔＥＡＣＨｒｔｃｌｉｌｓｉａｌｓｅｏｔｇｐｏｏｏ．Ｔｈｓｐｐｒｐｏｏｅｎｉｒｖｍｅｔｂｓｄｏｐｏｏｏｓａｃａｓｃｌｃｕｔｒｒｕｉｒｔｃ１ｎｉａｅｒｐｓｓａｍｐｏｅｎａｅｎ
ＬＥＡＣＨｒｔｃｌａｐｙｎｍｅｏｄｌｏｉｈｏｉｒｖｈｃａｉｍｆｔｅｓｌｃｉｎｏｌｓｅｅｄ．Ｓｍｕａｐｏｏｏ，ｐｌｉｇＫ－ｄｉｓａｇｒｔｍｓｔｍｐｏｅｔｅｍｅｈｎｓｏｈｅｅｔｏｆｃｕｔｒｈａｉｌ—
知和数据处理任务。分层路由协议引入分层管理机制，网络节点通常按照不同的分簇算法分成相应的簇（ｌｓｒ。每个簇由一个簇首（ｌｓｒＨａ）多个Ｃｕｔ）ｅＣｕｔｅｄ和ｅ簇成员（ｌｓｒｍｅ）Ｃｕｔｂｒ组成，个簇首节点形成更高ｅＭｅ多

一种基于LEACH协议的分簇路由算法

ｃｎｐｏｏｇｔｅｎｔｒｉｉ．ＢａｅｎｔｅｒｓａｃｆｔｅＬＥＡＣＨｒｔｃｌｍｐｏｅｅｃｕｔｒｈａｅｅｔｎａｄｔｅｃｍｍｕｉａａｒｌｎｅｗｏｋｌ￣ｔｈｍｅｓｄｏｈｅｅｒｈｏｈｐｏｏｏ，ｉｒｖｓｔｌｓｅｅｄｓｌｃｏｏｈｉｎｈｎｃ —
中图分类号：Ｐ０．Ｔ３１６文献标识码：Ａ文章编号：７ —２Ｘ２１）７０１— ３１３６９（０１０ — ０３０６
ＡｕｔｒｎｕｉｇＡｌｏｉｈＢａｅｎＬＥＡＣＨＣｌｓｅｉｇＲｏｔｎｇｒｔｍｓｄｏ
ｉｃａｓｂｔｅｌｓｅｅｄａｄｓｎｏｂｌｎｅｅｅｇｏｓｍｐｉｆｗｉｅｓｓｎｏｅｗｏｋｎｒｌｎｅｗｏｋｌ — ｆｎｍｅｈｉｍｅｗｅｎｃｕｔｒｈａｎｉｋｔａａｃｎｒｙｃｎｕｔｎｏｒｌｓｅｓｒｎｔｒｓａｄｐｏｏｇｔｅｎｔｒｉｅｏｎｏｅｈｆｉｔ．ｓｌｆｔｅｓｕａｏｘｅｉｎｓｎａａｈｗａｅｎｔｒｉｅｃｃｅａｄｎｔｒｎｒｙｃｎｕｔｏｆｔｅｍｏｉｍｅＲｅｕｔｏｉｌｔｎｅｐｒｍｅｔｕｉｇＭ Ⅱ ｂｓｏｔｔｔｅｗｏｋｌ — ｙｌｅｗｏｋｅｅｇｏｓｍｐｎｏｄ — ｓｈｍｉｈｈｆｎｉｈｌＥＡＣＨｇｒｔｍａｅｂｅｒａｌｍｐｖｄｔａｅＬＥＡＣＨｌｏｔｍ．ｆｄＬｅｌｉａｏｈｈｖｅｎｇｅｔｉｒｅｎｔｙｏｈｈａｇｒｈｉＫｅｒｓ：ｒｌｓｎｏｅｗｏｋｓｏｕｎｒｔｃｌ；Ｌｙｗｏｄｗｉｅｓｓｓｒｎｔｒ；ｒｔｇｐｏｏｏｓＥＡＣＨ；ｎｔｒｎｒｙｃｎｕｔｎｅｅｉｅｗｏｋｅｅｇｏｓｍｐｏｉ

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。

自适应分簇拓扑算法EC-LEACH的研究

自适应分簇拓扑算法EC-LEACH的研究
陈建明;王青海;路建军
【期刊名称】《测试技术学报》
【年(卷),期】2008(022)006
【摘要】LEACH(Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy)是一种自适应分簇拓扑算法.针对LEACH算法存在的问题,本文提出了一种改进算法--EC-LEACH(Energy Comparison LEACH).该算法采用与LEACH算法相同的前提假设,对LEACH算法的某些参数进行了改进,主要包括:①从节点能量方面考虑,修改了LEACH算法的簇头选举阈值;②综合考虑节点的能量状况与节点度,采用簇头主动"让贤"的方法选择簇头.仿真结果表明,改进后的算法能够有效平衡节点的能量消耗分布,有效延长网络生存时间.
【总页数】6页(P538-543)
【作者】陈建明;王青海;路建军
【作者单位】装甲兵工程学院,信息工程系,北京,100072;装甲兵工程学院,信息工程系,北京,100072;装甲兵工程学院,信息工程系,北京,100072
【正文语种】中文
【中图分类】TP393
【相关文献】
1.基于Agent技术的无线传感网络拓扑分簇算法仿真研究 [J], 刘佳;黄友锐;唐超礼;曲立国;韩涛
2.分簇拓扑下Backpressure算法的延迟性改进研究 [J], 彭超;刘玉英;王飞;王鹤
3.无线传感器网络分簇拓扑的覆盖区域节点调度优化算法研究 [J], 孙超;赵路路;张影;刘彬;郝晓辰
4.K连通的分簇式无线传感器网络拓扑控制算法研究 [J], 孟中楼;王殊;王骐;赵峰
5.动态拓扑环境下无线传感器网络分簇算法研究 [J], 刘彩苹;李仁发;付彬
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LEACH协议的改进与仿真研究

文章编号:100721385(2008)022*******LEACH 协议的改进与仿真研究王琳霖1　李曰沈2　田　丰1(11沈阳航空工业学院,辽宁沈阳　110034;21沈阳通盛交通设施标牌厂,辽宁沈阳　110044)摘　要:无线传感器网络由能量受限的节点组成,高效节能的路由算法是路由设计的关键问题。

在LE ACH 算法的基础上,提出了一种新的分簇式路由策略,从簇头个数的确定、簇头选举方法对LE ACH 算法进行了改进,数据传输方式允许采用多跳方式与基站节点通信,仿真结果表明该算法具有降低网络能耗、延长网络生命周期的优点。

关键词:无线传感器网络;分簇路由;簇头;多跳中图分类号:T N915文献标识码:A 无线传感器网络(w ireless sensor net work,简称W S N )[1]是一种新的信息获取和处理模式,具有自组织、动态性、无中心、硬件资源有限、电源容量有限等特点。

基于这些特点,无线传感器网络也面临着一系列问题,因此如何有效地使用能量降低能耗,最大化网络生命周期成为无线传感器网络研究的重点之一。

传感器网络中,网络层的路由技术对W S N 的性能有着极其重要的影响。

随着W S N 研究的发展,许多适合不同网络环境的路由协议陆续出现,分簇路由协议具有拓扑管理方便、能量利用高效、数据融合简单等优点[2][3],成为当前重点研究的路由技术。

以网络的拓扑结构为基础的分簇路由协议,网络被划分为簇,每个簇由一个簇头和多个簇内成员组成,低一级网络的簇头是高一级网络中的簇内成员,由最高层的簇头与基站通信,如图1所示。

图1　分簇路由协议拓扑结构收稿日期22作者简介王琳霖(2),女,山东济南人,助工在每个簇内,根据一定的机制算法,协调成员节点之间的工作,簇内成员节点将数据信息发送到簇头,簇头负责簇内信息的收集和数据的融合处理以及簇间转发,最后发送至基站B S 完成通信。

本文提出了一种基于LEACH 低功耗自适应分层路由算法的改进策略,通过改变簇头选举策略并采用多跳算法BEM 达到提高网络生命周期的目的。

无线传感器网络LEACH算法的综合改进

无线传感器网络LEACH算法的综合改进陈楠，徐塞虹北京邮电大学计算机科学与技术学院，北京（100876）E-mail：chennan6062@摘要：本文通过研究无线传感器网络的层次型路由协议LEACH算法，指出了其存在的一些缺点，并对其某些改进算法进行深入研究，在此基础上进一步改进，吸取已有算法的优点，弥补其中的不足，提出了一种新的分簇算法及簇的维护算法。

关键词：无线传感器网络，层次型路由协议，LEACH算法，改进中图分类号：TP3931.引言传感器技术、通信技术和计算机技术是现代信息技术的三大支柱，它们分别完成对被测量对象的信息提取、信息传输及信息处理。

将这三种技术融合在一起的无线传感器网络技术给人们生活的各个领域带来了极大的影响。

作为一种全新的技术，无线传感器网络给科技工作者提出了很多具有挑战性的课题，其中路由协议就是热点之一，传统网络的路由协议远远不能满足无线传感器网络的特点和要求，因此，该领域具有很大的研究价值[1]。

本论文在已经提出来的分层次路由协议的基础上进行进一步改进，从而使网络性能又进一步的提升。

2.研究背景无线传感器网络是由大量功率低、体积小、价格便宜的传感器节点组成的，这些节点实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或者被监测对象等诸多用户所感兴趣的信息，并对这些信息进行分布式处理，随后传递给用户，使用户随时随地都可以获取所需的信息。

由于传感器网络所具有的特点，其应用前景十分广泛。

但是由于无线传感器网络这些特点的存在，导致节点能量资源、计算能力和带宽等资源都非常有限，尤其是其有限的能量直接影响传感器网络的生命周期以及网络的信息质量。

因此，设计有效的策略，降低节点能源损耗，提高网络生命周期成为无线传感器网络的核心问题。

影响节点能源损耗的因素有很多，其中最重要的就是路由协议以，但是传统的那些路由协议应用于无线传感器网络中在某些方面存在一定的缺陷，所以基于传统路由协议，W.R Heinzelman等人提出了低功耗自适应集群型分层路由协议（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy Protocol），LEACH协议[2]是第一个在无线传感器网络中提出的层次式路由协议，其后的大部分层次式路由协议都是在它的基础上发展而来的。

基于不均匀分簇的LEACH协议的改进研究方案

簇的稳矧卯段簇的稳定阶段
１ＬＡＣＥＨ协议简介
ＬＡＨ协议是最早出现的分簇路由协议，Ｅｃ圆其基本思想是采用等概率周期性的方法选择簇头，将整个网络的能量负载平均分配到每个传感器节点上，从而达到降低网络能量耗费、延长网络生命周期的目的。ＥＣＬＡＨ的执行过程是周期性的，每轮循环过程如图ｌ示。在簇的形成阶段，所网络节点采用自组织的方式，成簇的过程中，头的选取是随机的，在簇且采用随机轮换策略。这种选择方式从一定程度上提高了网络节点的使用能效，也减少了网络节点路由
采用多路径衰减模型。接收节点若接收数据包时的能耗为位
ＥＲ：＝ｋｋｘ（）２
簇中的节点数为，且节点发送比特信息时需要时Ａ
，
间 ÷ ，单位帧节送＝）则簇内点发信息的间为总时
ｎ６
＝
由公式（）（）以看出，收节点的能耗仅１和２可接
用于信号接收、解码等过程，与距离无关。发送数据
的增益耗费是总耗能的主要部分。
１２簇头轮换时间间隔．
）因此，送数据经过一轮的总时间是，发 ×一，中：其
即ＬＡＨ协议利用无线传感器网络一般采用一阶组成，：ＥＣ
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ｇｒｅａｔｌｙｉｍｐｏｖｒｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＥＡＣＬＨｒｏｕｔｉｎｇｐｏｔｒｏｃｏｌ；ｃｌｕｓｔｅｉｎｒｇ；ｒｏｔａｔｉｏｎ；ｍｕｌｔｉ — ｈｏｐ
无线传感器网络（ＷｉｒｅｌｅｓｓＳｅｎｓｏｒＮｅｔｗｏｒｋ，ＷＳＮ）是由大
ａｌｇｏｉｔｒｈｍａｎｄｉｍｐｏｖｒｅｄａｌｇｏｉｔｒｈｍ，ｃｏｎｉｆｒｍｉｎｇｔｈｅｉｍｐｒｏｖｅｄａｌｇｏｉｔｒｈｍｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈＬＥＡＣＨｌｇａｏｉｒｔｈｍｐｅｆｒｏｒｍａｎｃｅｈａｓｂｅｅｎ
ｓｔａｒｔｗｏｒｋｉｎｇ，ｎｏｄｅｉｎｔｈｅｃｌｕｓｔｅｒｎｕｉｔｅｌｅｃｔｅｄａｓｔｈｅｃｌｕｓｔｅｒｈｅａｄｎｏｄｅｉｎｔｕｒｎ，ｕｓｉｎｇａｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｏｆｓｉｎｇｌｅ－ｈｏｐａｎｄｍｕｌｔｉ－ｈｎｔＯｆＬＥＡＣＨａｌｇｏｒｉｔｈｍｂａｓｅｄｏｎｓｔａｔｉｃｃｌｕｓｔｅｒｉｎｇ
ＨＡＮＴａｏ，ＬＩＸｕｎ — ｍｉｎｇ
（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｎｅｒｏｏＴ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ，ＨｏｈａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００００，Ｃｈｉｎａ）
量无处不在的、具有通信与计算能力的微小传感器节点密集布设在无人值守的监控区域而构成的能够根据环境自主完成指定任务的“ 智能” 自治测控网络系统。无线传感器网络的发展最初起源于战场监测等军事应用。而现今无线传感器网络被应用于很多民用领域，如环境与生态监测、健康监护、家居自动化以及交通控制等。由于ＷＳＮ的网络节点多是由电池供电，所以其路由算法要考虑高效节能，才能够使整个网
ｐｒｏｐｏｓｅｄａｓｔａｔｉｃｃｌｕｓｔｅｉｒｎｇｌｇａｏｉｒｔｈｍｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｉｔ：ｍａｉｎｌｙｒｅｌｆｅｃｔｅｄｉｎｔｈｅｕｓｅｏｆｓｔａｔｉｃｃｌｕｓｔｅｉｒｎｇｉｎｎｅｔｗｏｒｋｓｗｈｅｎｔｈｅｙ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＬＥＡＣＨａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｓａｔｙｐｉｃｌａｃｌｕｓｔｅｉｎｒｇｐｒｏｔｏｃｏｌｐｒｏｐｏｓｅｄｔｏｍｅｅｔｔｈｅｎｅｅｄｓｏｆｅｎｅｒｇｙ－ｅｆｉｆｃｉｅｎｔ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒ
第２２卷第６期
Ｖｏ１．２２
Ｎｏ．６
电子设计工程
ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＤｅｓｉｇｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
２０１４年３月
Ｍａｒ．２０１４
基于静态分簇的ＬＥＡＣＨ算法改进研究
韩涛。李训铭
（河海大学能源与电气学院，江苏南京２１００００）摘要：ＬＥＡＣＨ算法是为满足高效节能需要而提出的一种典型的分簇协议。在此基础上，提出了一种改进算法：主要体现在在网络开始工作时使用静态分簇，以簇为单位进行簇内节点轮换当选为簇首，簇间以及簇与基站间的通讯采
ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｃｌｕｓｔｅｒ－ｃｌｕｓｔｅｒａｎｄｃｌｕｓｔｅｒ－ＢＳ（ｂａｓｅｓｔａｔｉｏｎ）．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｕｓｉｎｇＮＳ２ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｃｏｍｐａｉｒｓｏｎｏｆＬＥＡＣＨ
用单跳与多跳结合的方式。最后使用ＮＳ２对ＬＥＡＣＨ算法和改进的算法进行仿真对比，证实了改进后的算法在与
ＥＡＬＣＨ算法相比性能有了很大的提高。
关键词：ＬＥＡＣＨ路由协议；静态分簇；轮换；多跳中图分类号：ＴＰ３９３文献标识码：Ａ文章编号：１６７４ — ６２３６（２０１４）０６ — ０１０９ — ０４