基于混合聚类算法的无线传感器网络LEACH协议改进研究

摘要

随着信息网络技术迅猛发展，无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）已经广泛应用于科研数据采集和生产生活各类场景，例如已经为某些数据指标监控、军用侦查、农业生产管理以及环境污染监测等领域做出了很大贡献。WSN是由大量的微型传感器节点组成的一种自组织网络，这些节点往往具备特定物质感知技术和无线通信等功能。通过WSN能够实时监测和收集在各种环境下的特定物理环境信息，改变了传统人工采集物理环境数据的方式，不仅高效还省时省力。WSN综合融入了通信、计算机等各学科技术，加之其对经济发展和智能信息化有很大推动作用，因此很多科研人员都开始对WSN特别是其低能耗路由协议进行研究。
　　无线传感器网络低能耗问题一直是研究重点，解决通信低能耗的核心是能量高效的路由协议，由于组成WSN的传感器节点一般很小，携带的能量很有限，由于环境原因也不可能实现更换电源。因此设计一种高效且低能耗的网络路由协议，能够让WSN中节点能量消耗更加均衡，有效降低节点的通信负担，进而达到延长整个网络的生命周期的效果，这对推动WSN路由协议发展与生活应用具有重要意义。
　　首先，本论文对无线传感器网络的相关原理概念和能耗问题进行了阐述，接着介绍WSN路由协议并分析了几种经典的路由协议，将LEACH协议选为研究对象，深入剖析了其工作原理和能耗模型，分析了其优缺点和一般改进方向。
　　其次，针对LEACH协议随机选取簇头和分簇不均等因素而导致的能量消耗不均衡等缺点，本论文突破传统的方法，采用类比思想，LEACH协议的成簇过程本质就是聚类划分过程，本论文用遗传算法获取K-means算法的初始聚类中心，吸取两者优点，再结合 WSN路由协议的成簇特点，设计了一种面向求解WSN分簇路由协议簇划分问题的一种改进型的K-means算法，本论文称之为混合聚类算法，将它应用于LEACH协议的成簇过程，解决了分簇不均匀问题；并且综合考虑了节点剩余能量、与汇聚节点距离以及与簇中心距离等因素，构造了一种基于混合策略的评价函数来用来完成簇头（cluster-head，CH）选择工作，解决了簇头分布不合理问题；在稳定期根据实际情况采取单跳和多跳相结合的通信机制，避免了单跳情况下簇头的远距离通信，使得簇头与基站的通信的路径是能量消耗最小的，经过对LEACH协议三个工作阶段的改进，本论文提出了一种新的能量高效利用的LEACH-HGKM路由协议。
　　最后采用Matlab对改进后的协议和LEACH协议进行了仿真实验，通过对实验结果分析，表明改进后的LEACH-HGKM协议与LEACH协议相比，不仅其网络生命周期得到有效延长，而且可以有效提高网络节点的能耗均衡性，提升了网络的负载均衡性，实现了两者消耗相同的能量时，改进后的协议可以传输更多的数据到基站的效果，达到了预期研究目标。本论文主要成果和创新有以下几点：
　　（1）针对LEACH分簇不均匀缺点，设计了一种混合聚类算法和簇均衡调整策略用于改进LEACH协议的成簇过程，使得网络分簇更加均匀；
　　（2）将节点剩余能量、节点与基站的距离及与簇中心距离作为影响因子来构造出一种评价函数来完成簇头选择工作，使得当选的簇头节点的剩余能量相对更多，与基站通信距离更短，达到降低簇内外的通信能耗的效果。在稳定阶段，采取单跳和多跳相结合的通信方式，先推导出簇头需要多跳传输的条件，再在剩下的簇头集合中选择离基站近且剩余能量大的簇头作为候选中转节点，再在候选节点中选择通信能耗最小的作为正式中转节点，实现多跳传输，其他情况簇头则进行单跳传输方式；
　　（3）采用分而治之方法，以LEACH协议框架为基础，分别对LEACH协议的簇头选择、簇的建立和稳定阶段设计了相应改进方案，提出了一种新的低能耗LEACH-HGKM协议，经实验证明了改进后的协议与LEACH相比具有更优的性能。

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1引言

1.1研究背景与意义

1.2国内外研究现状和发展趋势

1.3无线传感器网络的一些技术挑战

1.4本论文主要研究内容和创新点

1.5本论文章节结构安排

2无线传感器网络与其路由协议概述

2.1无线传感器网络基本概念介绍

2.2无线传感器网络体系结构

2.3无线传感器网络的特点

2.4无线传感器网络路由协议概述

2.5本章小结

3 LEACH协议的研究和一般改进方向

3.1 LEACH协议工作机制研究

3.2 LEACH协议网络模型和能耗分析模型

3.3 LEACH协议的优缺点分析

3.4 LEACH协议的一般改进方向

3.5本章小结

4混合聚类算法设计及其在LEACH协议改进的应用

4.1遗传算法

4.2聚类分析和K-means算法

4.3基于聚类思想改进LEACH的例子

4.4混合聚类算法设计

4.5本章小结

5一种改进的LEACH协议LEACH-HGKM总体设计

5.1 LEACH改进的总体思路及目标

5.2最优簇头比例理论

5.3采用的网络模型

5.4基于LEACH协议的改进方案详述

5.5 LEACH-HGKM协议具体流程描述与分析

5.6本章小结

6实验仿真与分析

6.1实验环境和参数设置

6.2目标及效果评价指标

6.3实验结果和分析

6.4本章小结

7总结与展望

7.1研究工作总结

7.2未来的工作展望

致谢

参考文献