无线传感器网络LEACH协议分簇算法改良研究

摘要

当今无线传感器网络(Wireless Sensor Network)无疑是网络研究领域的一大热点。相比于传统网络组网模式,无线传感器网络的最大特点在于节点同时具备了数据上传和为其他节点提供转发的功能[1]。这使其能够很好地适应大规模和动态网络的应用要求。借助无线传感器网络自组织性的特点,可以几乎不需要任何安装工作就依靠大量廉价节点完成指定区域的数据采集和监控工作。
　　而无线传感器网络的另一优点在于其脱离了对线路的依赖,这同时也意味着节点需要完全依靠自带的蓄电池工作,完成节点之间转发协作承担传统网络设备中电源线路和网线的功能。因此无线传感器网络节点的功耗和数据传输问题就成为传感器网络协议研究的焦点。
　　本文系统地介绍了无线传感器网络的节点特性、应用、体系结构、协议栈相关资料。同时列举目前应用较广的几种无线传感器协议,包括平面型、分层型和坐标系型三大类。简明阐述了它们的工作原理,优缺点和适用范围。
　　其中分层型协议包含了LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)协议,分层协议的特点在于节点在数据传输时被分为只做数据采集工作的节点,和负责为一定区域内节点提供转发服务的簇头节点[2]。LEACH协议是本文介绍的重点,包括它的能量模型、簇头选择算法、分簇的实现步骤和使其适用的几个基本假设。执行LEACH协议的网络在生命周期内不断经历着簇的重组与数据转发两个阶段的轮替。在簇的重组阶段采用分布式算法产生簇头,算法可以确保所有节点平均承担簇头的任务。通过三次握手簇头完成与周围节点的组簇和传输同步工作。在传输阶段簇内非簇头节点没有数据时处于休眠状态,而簇头则承担转发任务,采用数据融合技术降低网络负载,采用TDMA方式为节点分配信道避免冲突。通过簇的重组,LEACH协议平衡节点由于承担簇头任务而造成的能量损耗上的差异。LEACH协议通过以上机制降低网络能耗,延长网络的生命周期。但LEACH协议的设计也使其应用存在固有缺陷,比如说LEACH以节点等次数地轮流承担簇头任务,这种能量平衡机制要求节点具有相同初始能量和相同的簇头能耗。当布网区域离基站较近时,由于不同簇头与 sink通信能耗不同,使得单轮的簇头能耗不同。而当布网节点质量不同时,节点的初始能量可能不同。以上两种情况都会导致LEACH的能量平衡机制失效。正是因为这个原因LEACH协议在很多布网工作中并不适用。
　　在本文的最后部分,针对LEACH协议过远节点能量消耗过快而不能平衡能耗的缺陷,提出了协议的改进版本LEACH-FC(LEACH-Forwarded By The Cluster Head),引入转发机制使用靠近sink的簇头为远端簇头分担能耗以改善这个问题。针对协议只适用初始能量相同节点的缺陷,提出了改进版本LEACH-SE(LEACH-Select Custer Head By Energy),使用能量做参数选择簇头。并编写了模拟两个版本改良协议与原协议的运行差异的模拟程序验证改良的效率。模拟程序仿真了新协议和原协议的执行过程,验证了新协议的改良效果,所得结果与理论分析一致。
　　以上两个新协议的设计都是在LEACH协议原有的执行框架下执行,从最大程度上保持原协议的优势。在新的协议设计中所作出的最大尝试在于引入能量平衡机制,这种平衡机制不仅会对网络节点条件的差异作出反应,使得协议执行过程中的节点的任务分配向能耗差降低的方向发展,同时还有助于对一些突发意外和“矫枉过正”的改良效果作出反馈,使得网络节点间的任务分配朝向有益能耗平衡的方向。

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第一章 绪论

1.1 课题背景

1.2 研究的现状[4]

1.3 课题研究的主要内容和论文安排

第二章 无线传感器网络的概述

2.1 无线传感器网络简述

2.2 无线传感器网络体系结构

2.3 无线传感器网络特性

2.4 无线传感器路由设计原则

2.5 无线传感器网络的关键技术

2.6 无线传感器网络的应用

2.7 章节小结

第三章 无线传感器网络路由协议研究

3.1 协议特点和研究方向

3.2 技术难点

3.3 主要的无线传感器网络路由协议分类

3.4 章节小结

第四章 对LEACH协议研究

4.1 LEACH协议

4.2 传感器能量模型和相关技术

4.3 LEACH协议设计原则和适用性

4.4 章节小结

第五章 LEACH 协议改良

5.1 LEACH协议改进方向

5.2 LEACH-FC\(LEACH-Forwarded By The Cluster Head\)

5.3 LEACH-SE\(LEACH-Select Custer Head By Energy\)

5.4 模拟测试

5.5 章节小结

第六章 总结和展望

6.1 主要工作和创新点

6.2 未来工作的展望

致谢

参考文献

附录