Leach算法分析

• 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。

计算机与现代化　2009年第9期J I S UANJ I Y U X I A NDA I HUA总第169期文章编号:100622475(2009)0920081203收稿日期:2008209210作者简介:单晓娜(19822),女,山东日照人,南昌大学信息工程学院硕士研究生,研究方向:计算机网络;李力(19582),男,江西上高人,副教授,研究方向:计算机网络应用与安全,传感器网络。

LE ACH 路由协议技术的分析及改进单晓娜,李　力(南昌大学信息工程学院,江西南昌330031)摘要:无线传感器网络作为计算、通信和传感器三项技术相结合的产物,是一种全新的信息获取和处理技术。

本文在简要介绍无线传感器网络的基础上,分析了LE ACH 分级路由协议存在的一些问题以及如何解决这些问题。

关键词:无线传感器网络;网络层;层次路由协议;LACHS 协议中图分类号:TP393 文献标识码:A do i:10.3969/j .issn .100622475.2009.09.023Ana lysis and I m prove m en t of L EACH Routi n g Protocol TechnologySHAN Xiao 2na,L IL i(School of I nf or mati on Engineering,Nanchang University,Nanchang 330031,China )Abstract:A s a result of combinati on of m icr osens or technol ogy,l ow power computing and wireless net w orking,wireless sens or net w ork is a novel technol ogy about acquiring and p r ocessing inf or mati on .This paper briefly intr oduces the architecture of wireless sens or net w ork,analyzs s o me p r oble m s of the LE ACH r outing p r ot ocol and how t o s olve these p r oble m s .Key words:wireless sens or net w ork;net w ork layer;grading r outing p r ot ocol;LACHS p r ot ocol0　引　言无线传感器网络是由一组传感器节点以自组织的方式构成的无线网络,其目的是协作的感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息,并将信息发送给观察者。

LEACH算法的学习摘要一、LEACH的定义LEACH:低功耗自适应路由算法二、LEACH算法的工作流程1.总述LEACH路由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。

2.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。

T(n)按照下列公式计算：式中：P为节点成为簇头节点的百分数，r为当前轮数，G为在最近的1/p 轮中未当选簇头的节点集合。

簇头节点选定后，广播自己成为簇头的消息，节点根据接收到的消息的强度决定加入哪个簇，并告知相应的簇头，完成簇的建立过程。

然后，簇头节点采用TDMA的方式，为簇内成员分配传送数据的时隙。

3.稳定阶段在稳定阶段，传感器节点将采集的数据传送到簇头节点。

簇头节点对采集的数据进行数据融合后再将信息传送给汇聚节点，汇聚节点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，网络重新进入簇的建立阶段，进行下一轮的簇重建，不断循环。

三、LEACH算法的优点1.LEACH算法属于分层路由协议，节点之间反应速度快，簇头进行轮转性选举，能够保证无线传感器网络中各个节点能量均衡的消耗，从而有效地延长无线传感网络的生命周期，低功耗的目的。

2.各个节点之间不再是无序的建立通信路由，数据信息的传递具有一定的规则，普通节点只能向上一级簇头传送数据信息，一级粗托只能向二级簇头传送数据信息。

很大程度上节省了能量，减少了能量的浪费。

3.相近的节点之间接收到的数据信息有可能相同或相近，这就需要簇头进行必要的数据融合。

更好的提升了能量的利用率。

4.每个簇头都要进行数据融合，因为每个簇头接收到的都是局部数据信息，所以数据信息都是比较相关，给数据的融合带来了较快的速度。

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)。

LEACH算法讲解LEACH(low energy adaptive clustering hierarchy)算法是⼀种⾃适应分簇拓扑算法，它的执⾏过程是周期性的，其中定义了“轮”(round)的概念来实现周期性。

每轮循环分为族的建⽴阶段和稳定的数据通信阶段。

1、在簇的建⽴阶段，相邻节点动态地形成簇，随机产⽣簇头；2、在数据通信阶段，簇内节点把数据发送给簇头，簇头进⾏数据融合并把结果发送给汇聚节点。

由于族头需要完成数据融合、与汇聚节点通信等⼯作，所以能量消耗⼤。

LEACH算法能够保证各节点等概率地担任簇头，使得⽹络中的节点相对均衡地消耗能量。

1、簇头选举⽅法LEACH算法选举簇头的过程如下：节点产⽣⼀个0~1之间的随机数，如果这个数⼩于阀值T（n），则发布⾃⼰是簇头的公告消息。

在每轮循环中，如果节点已经当选过簇头，则把T(n)设置为0，这样该节点不会再次当选为簇头。

对于未当选过簇头的节点，则将以T（n）的概率当选；随着当选过簇头的节点数⽬增加，剩余节点当选簇头的阀值T（n)随之增⼤，节点产⽣⼩于T（n)的随机数的概率随之增⼤，所以节点当选簇头的概率增⼤。

当只剩下⼀个节点未当选时，T(n）=1，表⽰这个节点⼀定当选。

T（n)可表⽰为：其中，P是簇头数量占全部节点数量的百分⽐（⼀般会设为⼀个固定值，如 0.05 ），r是选举轮数，r mod (1/P)代表这⼀轮循环中当选过簇头的节点个数，G是在最后1/P轮中没有成为簇头的节点集。

2、数据通信当簇头选定之后，簇头节点主动向⽹络中节点⼴播⾃⼰成为簇头的消息。

接收到此消息的节点，依据接收信号的强度，选择它所要加⼊的簇，并发消息通知相应的簇头。

基于时分多址(Time Division Multiple Address，简称TDMA)的⽅式，簇头节点为其中的每个成员分配通信时隙，并以⼴播的形式通知所有的簇内节点。

这样保证了簇内每个节点在指定的传输时隙进⾏数据传输，⽽在其他时间进⼊休眠状态，减少了能量消耗。

器被价格低廉的金属谐振器所取代，这不仅满足了产品电性能指标，还实现了产品的低成本化要求，使所设计生产的产品在市场上更能满足客户需求，并且更具竞争力。

参考文献[1]Narrow-band multiple-coupled cavity synthesis.A.E.ATIA,MEMBER,IEEE,A. E.WILLIAMS,AND R.W.NEWCOMB,FELLOW,IEEE[2]General Coupling Matrix Synthesis Methods for Cheby-shev Filtering Functions”Richard J.Cameron,Senior Member,IEEE作者成果：孙尚传，男，一九六三年生，深圳市大富科技股份有限公司董事长兼总裁，安徽机电学院工业电气自动化专业学士，北京大学光华管理学院工商管理硕士，安徽省蚌埠市十佳科技工作者，由其本人或与他人合作共获专利授权８０余项。

其中包括：序号专利名称专利号１缓冲装置ＺＬ２００９１０１８０２３０．Ｘ２螺钉装置及使用该螺钉装置的腔体滤波器ＺＬ２００９１０１４７６４５．７３一种高能束焊接夹具ＺＬ２０１１２００３２７４３．９４一种气体加速装置和高能束焊接用装置ＺＬ２０１１２００３２７３５．４５一种高能束焊接装置ＺＬ２０１１２００３２７３３．５６腔体滤波器、通信设备以及射频通信装置ＺＬ２０１０２０６８１６５６．１７一种射频通信设备ＺＬ２０１０２０６７５５２４．８８一种射频通信设备ＺＬ２０１０２０６７５５３２．２９腔体滤波器、信号处理模块及通信设备ＺＬ２０１０２０６９５９９０．２１０一种腔体滤波器ＺＬ２０１０２０６９６４５１．０１１一种射频通信设备ＺＬ２０１０２０６９６４５４．４１２腔体滤波器及通信设备以及射频通信装置ＺＬ２０１０２０６７９９２０．８１３室内覆盖模块ＺＬ２０１０２０６６４０６０．０１４一种腔体四功分器内连接件及腔体四功分器ＺＬ２０１０２０６６７０５７．４１５一种腔体三功分器内连接件及腔体三功分器ＺＬ２０１０２０６６７０１８．４１６一种腔体二功分器内连接件及腔体二功分器ＺＬ２０１０２０６６７０４８．５１７介质滤波器、介质谐振杆安装结构以及通信设备ＺＬ２０１０２０６４６０８０．５１８一种功率分配装置及其壳体与盖板ＺＬ２０１０２０６９５９１１．８１９一种功率分配装置及其耦合件ＺＬ２０１０２０６９６０２６．１２０室内覆盖模块ＺＬ２０１０２０６９２４２０．８无线传感器网络中LEACH算法改进与分析□余海霞凌永发安坤陈楠云南民族大学电气信息工程学院ＬＥＡＣＨ算法主要通过循环的方式随机选择簇头（Ｃｌｕｓｔｅｒｈｅａｄ），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、提高整个网络的生存时间的目的。

简述LEACH算法的基本原理。

LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）算法是一种无线传感器网络中常用的能量有效的数据聚集协议。

其基本原理是将传感器节点分为若干个簇，每个簇有一个簇头节点，簇头节点负责收集和汇总本簇内的数据并将其传输到基站，从而减少无线传输的能量消耗，延长网络寿命。

LEACH算法的具体实现步骤如下：
1. 初始阶段：每个节点随机选择一个数值作为阈值，若节点的能量水平高于该阈值，则该节点有可能成为簇头节点。

2. 簇头节点选择阶段：每个节点通过计算与其距离的平方和来确定与其最近的簇头节点，并将自己加入该簇头节点所在的簇中。

每个簇头节点根据自己的能量水平计算出一个概率值，该概率值与其他节点的能量水平成反比，能量水平越高的节点成为簇头节点的概率越小。

簇头节点将自己的概率值广播给其他节点，每个节点通过比较自己的概率值和簇头节点的概率值来决定是否成为簇头节点。

3. 簇内通信阶段：每个节点将数据发送给其所在的簇头节点，簇头节点负责汇总和压缩数据，并将数据传输到基站。

4. 轮换阶段：为了平衡能量消耗，每个簇头节点轮流充当簇头节点，其他节点
重新选择簇头节点。

LEACH算法的优点是能够有效地减少能量消耗，延长网络寿命，同时具有良好的可扩展性和自适应性。

但是由于其随机性较强，可能导致网络中出现簇头节点密集或稀疏的情况，从而影响网络性能。

无线传感网络中的能量优化算法无线传感网络（Wireless Sensor Network, WSN）由大量分散的传感器节点组成，这些节点可以感知环境中的物理信息，并将数据通过无线信号传输到基站节点。

然而，传感器节点通常由于能源有限而导致寿命较短，因此能量优化算法在无线传感网络中起着至关重要的作用。

本文将介绍一些常见的能量优化算法，并对它们的原理和应用进行分析。

一、分簇算法1. LEACH算法LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）是一种经典的分簇算法，在无线传感网络中得到广泛应用。

LEACH算法通过均匀地将传感器节点划分为多个簇来降低整体能耗。

每个簇由一个簇首节点负责进行数据聚合和传输，其他节点通过与簇首节点的短距离通信来减少能量消耗。

LEACH算法通过轮流选举簇首节点的方式，实现了能量的均衡分配，以延长整个网络的寿命。

2. HEED算法HEED（Hybrid Energy-Efficient Distributed Clustering）算法是一种改进的分簇算法，它根据节点的能量水平和节点之间的通信距离选择簇首节点。

HEED算法通过在能量消耗较低且距离较近的节点之间建立簇来实现能量的有效利用。

此外，HEED算法还引入了节点的剩余能量因素，以进一步优化簇首节点的选择过程。

二、路由算法1. SPAN算法SPAN（Sensor Protocols for Asynchronous Network）算法是一种经典的无线传感网络路由算法，它通过优化路由路径和节点的休眠机制来降低能源消耗。

SPAN算法使用浅度睡眠和深度睡眠的方式来控制节点的活跃时间，从而减少能量的消耗。

同时，SPAN算法还引入了数据预处理和数据融合的策略，以减少节点之间的通信量，从而降低了能源开销。

2. AODV算法AODV（Ad hoc On-Demand Distance Vector）算法是一种基于距离向量的路由协议，适用于无线传感网络中的动态拓扑环境。

leach协议簇头计算公式的详细计算过程Leach 协议是一种用于无线传感器网络的分簇路由协议，其中簇头的选择是一个关键环节。

下面咱们就来详细聊聊 Leach 协议簇头计算公式的计算过程。

在 Leach 协议中，簇头的选择可不是随便定的。

它有一套自己的计算公式，这个公式的目的就是为了让网络中的节点能够相对公平、有效地承担起簇头的职责，从而优化整个网络的性能。

先来说说这个公式里涉及到的一些参数。

比如说，有节点成为簇头的概率 P，网络中节点的总数 N，还有已经轮数 r 等等。

具体的计算公式是这样的：T(n) = P / (1 - P * (r mod (1 / P))) ，当 n ∈ G这里面，T(n) 表示节点 n 成为簇头的阈值，G 是在这一轮还没有被选为簇头的节点集合。

那这个公式到底咋用呢？咱来举个例子哈。

比如说一个无线传感器网络里，一共有 100 个节点，设定节点成为簇头的概率 P 是 0.1，现在已经进行到第 5 轮了。

那咱们来算一算节点 20 这一轮成为簇头的可能性。

首先算 (r mod (1 / P)) ，也就是 5 mod （1 / 0.1） = 5 mod 10 = 5 。

然后算 1 - P * (r mod (1 / P)) ，也就是 1 - 0.1 * 5 = 0.5 。

最后算 T(20) ，也就是 0.1 / 0.5 = 0.2 。

如果随机生成的一个 0 到 1 之间的数小于 0.2，那节点 20 就在这一轮被选为簇头啦。

在实际的应用中，这个公式可不是光算算就行的。

比如说，网络中的节点分布不均匀，有的地方节点密集，有的地方稀疏。

在节点密集的区域，如果按照这个公式简单计算，可能会导致簇头过于集中，这样就会加重某些区域的通信负担，影响整个网络的性能。

我之前就碰到过这样一个情况。

在一个监测森林环境的无线传感器网络中，由于树木分布的影响，有些区域的节点比较集中。

按照最初的 Leach 协议簇头计算公式选择簇头，结果就发现那些节点密集的区域能耗特别快，数据传输也不太稳定。