传感器网络学习笔记.ppt

m是i 该簇头所属的簇成员数, E是DA数据融合时
电路消耗的能量。
❖ 从公式(5)可以看出簇头的能量消耗由三部分组成:数 据的接收、融合和发送,其中数据向基站的发送消耗 的能量占的比重最大。由于簇头距离基站远近的不 同使得簇头能量消耗是不平衡的,距离基站较远的簇 头消耗的较快。
LEACH中节点根据自身通信代价最小原则选择距离 较近的簇头加入其簇。
❖ （2）通信损耗能量同传送的数据量和到达目标的 距离平方成正比，采用基于分簇的路由算法相对平 面路由算法具有更好的适应性和节能性。分簇路由 的基本思想是通过簇首对簇内节点间的相关信息融 合及转发机制减少数据的传输量和距离，进而降低 通信能量，达到网络节能的目的。
❖ （3）分簇是无线传感器网络中一个有效的拓 扑控制方法，通过分簇能够延长网络的生存 期，提高网络的能耗均衡性。分簇路由具有 拓扑管理方便、能量利用高效、数据融合简 单等优点,成为当前重点在初始阶段， 每一个节点从0-1中选取一个随机数，如果这 个随机数小于这一“轮”所设定的门阈值 T(n)，那么这个节点就成为簇头。T(n)的计 算公式
T n 1
p
p r mod 1
p , n G
（1）
0,
else
❖ 式(1)中：p是节点成为一个簇头的期望百分比,r为当前的轮 数，G为在最后的1/p 轮中还没有成为过簇头的节点集。节
❖ 无线传感器网络的随机布设、自组织、环境 适应等特点使其在军事、环境、医疗、家庭 和其它商用领域有广阔的应用前景和很高的 应用价值。
为什么采用基于分簇的路由算法
❖ （1）平面路由协议中需要维持较大的路由表 信息，会占用较多的存储空间，同时自组织 协同工作较差，也不能对感知信息进行数据 融合，因此不适用与大规模的网络。
数据传输阶段
❖ 在本轮的数据传输阶段，簇头节点把来自簇 内节点的数据进行数据融合和压缩处理后， 传给远处的基站（BS）。经过一个TDMA 时 刻表后，新的一轮又开始了，如此循环运行， 直到大多数节点的能量耗尽为止。
LEACH的网络模型和能量模型
❖ LEACH协议的网络模型为: (1)网络中有固定基站( Sink节点)且远离传感器节点,研
（4）
其送中天线, L的是高系度统,λ功是耗载因波子波, 长和h。t 分h别r 是接和发
簇形成算法问题
❖ 在数据传输阶段,簇头的能量消耗远远大于普 通节点。假设簇头到基站距离d ≥ d, 则0 其能量消耗 为:
E k, d mikEelec mi 1 kEDA k Eelec mpd 4 （5）
❖ LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy ) 算法
LEACH算法是比较成熟且常用的分簇路由算法。
LEACH算法是MIT学者A.Chandrakasan等人为无线传感器 网络设计的低功耗自适应聚类路由算法。LEACH算法提出了 “轮”（Round）的概念，每轮分为簇的建立阶段和稳定的 数据通信阶段。在簇的建立阶段，随机产生簇头;在数据通信 阶段，簇内节点把数据发给簇头，簇头进行数据融合后再发 送给远处的汇聚节点。
究中不考虑基站的能量消耗,假定其具有充足的能量 供应; (2)网络中所有节点同构且具有有限的能源; (3)网络中所有节点具有相同的起始能量;
(4)节点是静止的; (5)节点总是有数据要发送; (6)节点可感知它的剩余能量,并能改变发射功率。
LEACH的能量模型
❖ 无线能量模型根据发送节点和接收节点的距离d 分为自由空间( Free Space, Fs)模型和多路径 衰减(Multipath,MP)模型,式(2)为发送kbit数据消
耗的能量, ETXelec为射频电路消耗的能量， fs 、mp 分别为两种信道模型下功率放大所需能量, d是0 决定哪种模型的阈值,它由式(3)确定
（2）
❖ 式（3）为接收l bit消耗的能量,全部是射频电路
消耗: ERs k ERxelec k kEelec
（3）
d0
16 2 L hr2 ht2 2
图2 网络中第一个节点死亡时间图
LEACH算法存在的问 题 ❖ 与一般的平面多跳路由算法和静态聚类算法相
点在当选簇头后，需要发布消息告知其它节点自己是簇头。 非簇头的节点根据接受信号的强度来选择它要加入的簇，并
通知相应的簇头。
❖ 最后簇头产生一个TDMA（Time Division Multiple Access）定时消息，并且通知簇内 节点。当簇内节点收到TDMA 同步消息后， 它们将在各自的时间段内发送数据，在时段 外是进入睡眠状态。
基于无线传感器网络的LEACH 算法
引言 无线传感网络的应用 为什么采用基于分簇的路由算法 簇的建立和数据传输 LEACH的网络模型和能量模型 LEACH仿真实验 LEACH算法存在的问题
引言
❖ 无线传感器网络(WSN)是由大量无处不 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。
LEACH仿真实验
❖ 本文利用NS2软件对LEACH算法进行大量的仿 真实验，仿真实验环境参数设置如表1所示。文献 【1】指出：当簇头结点个数比例为3%到5%时，网 络可以达到能量最优的使用情况。这里我们选择动 态确定的簇头结点个数，规定每轮循环中簇头节点 的个数为当前存活节点个数的4%。
图1 网络生命周期
❖ 传感器节点通常使用容量有限、不可更换的 电源，节点的计算、通信、存储能力也非常 有限，这就要求WSN路由协议必须以节约能 源为主要目标，最大限度地延长网络生存时 间。
无线传感网络的应用
❖ 在许多大规模WSN远程监控应用中，传感器 需要将采集到的声音、振动等数据以无线多 跳的通信方式传送到远程基站(BS)以便实现 进一步的分析和处理．同时，BS的控制信息 也通过节点间的协同交互传递到指定区域。