下载文档原格式
无线传感器网络LEACH算法的改进无线传感器网络（WSN）是由大量的小型传感器节点组成的自组织网络，用于收集和传输环境中的数据。
WSN 的目标是提高监控、控制和处理环境数据的效率和准确性。
然而，WSN 中的传感器节点有限的计算和存储资源，以及有限的能源。
因此，如何在最小化能量消耗的同时提高数据传输效率是一个关键问题。
WSN 中广泛使用的协议之一是LEACH（Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy）协议，该协议构建了分簇结构，以减少数据传输过程中节点的能量消耗。
LEACH 是一个分簇算法，它通过选择聚类头（Cluster Head）来组织节点。
聚类头节点收集所有从其它传感器节点收集到的数据，将数据进行压缩和聚合后，转发至基站（Base Station）。
LEACH 协议的问题在于，在网络生命周期内，聚类头的选举是随机的，并不能保证选择的聚类头是能量最高的节点，因此会导致一些节点的能量消耗过快，从而缩短了整个网络的生命周期。
为此，我们对 LEACH 协议进行了改进，提出一种改进的 LEACH 算法，以下将详细说明改进内容。
改进算法采用了一种动态簇头选举策略，根据节点的能量进行簇头节点的选择。
在最初的网络部署过程中，节点随机地选择自己的簇头。
在后续的网络运行过程中，根据每个节点的能量动态选择簇头节点。
节点能量越高，则被选为簇头节点的概率越大，与此同时，为了平衡网络负载和能量消耗，簇头节点的角色应该定期轮流转换。
改进算法还引入了一种数据传输的动态策略。
在常规 LEACH 算法中，每个节点定期向簇头节点传输数据，这样会导致簇头节点的能量迅速消耗。
与此相反，改进算法通过根据节点的能量和簇头节点的状态（能量，负载等因素）确定数据传输的目标节点，减少了无效的数据传输，从而提高了整个网络的生命周期。
实验对比结果显示，改进算法在能量效率和数据传输效率上均表现出较大幅度的提高。
无线传感器网络LEACH路由协议的节能改进算法摘要：LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）是一种经典的WSN自适应分簇分层路由协议，但协议没有考虑节点的剩余能量，随机的产生簇头节点，且在分簇过程中没有考虑簇头节点的数量，过多的簇头造成数据冗余，过少的簇头又因数据传输距离过长而消耗过多的能量，缩短了整个网络的生存周期。
针对LEACH存在的以上缺陷，首先在阀值公式中引入节点的能量因素，然后提出一种新的簇头数的计算方法，通过控制簇头数量确保了网络负载的平衡。
仿真结果表明：改进后的算法有效降低了能耗，延长了节点和网络的寿命。
关键词：无线传感器网络，LEACH路由协议，最佳簇头数，能量消耗1 引言无线传感器网络（WSN）是由大量传感器节点以自组织的方式构成的无线网络。
传感器节点通常采用电池供电，其计算和存储能力十分有限，因此节能是无线传感器网络的一个重要研究方向[[1]]。
其中LEACH路由协议是最早提出的一个能量利用率较高的分层路由协议，协议采用分簇的方式，实现网络能量消耗的均衡。
本文针对LEACH协议的一些不足，提出改进算法。
2 LEACH 算法概述LEACH算法是无线传感器网络最早提出的分簇路由协议， LEACH定义了轮的概念，每轮分为簇的建立阶段和稳定状态阶段。
在簇的建立阶段，每个节点产生一个（0,1）之间的随机数，并把它和阀值 T(n)进行比较，如果这个数小于阀值，则该节点成为簇头节点。
T(n)的计算公式为：其中，P是簇头在所有传感器节点中所占的百分比，P=k/n,k为网络中的簇头个数，N为网络中的节点总数，r是当前的轮数，G是前1/P轮中未当选过簇头节点的集合。
在每1/P轮，每个节点有且只能成为一次簇头。
3 簇头选择的改进Leach协议中所有节点被选为簇头的概率是相等的，但他们当选为簇头的概率依然是相等的。
在这种情况下会出现一些剩余能量很少的节点依然被选为簇头节点，这样导致此节点的能量会很快耗尽，出现网络“洞点”使得整个网络的生存时间变短[2]。
一种无线传感器网络路由协议范文LEACH的改进算法组织多跳网络，其日的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域感知对象的信息，并发送给观察者，传感嚣、感知对象和观察者构成了传感器网络的3个要素.传感器节点由汇聚节点SN（inknode）和普通传感器节点组成.无线传感器网络节点一般以电池供电，但针对应用业务的不同需求，有时需要太阳能、震动能、风能、热能等额外能量提取技术.WSN的能耗主要分为通信能耗、感知能耗和计算能耗，其中通信能耗所占比重最大，所以均衡通信能耗能有效的延长整个网络的生存时间，在无线传感器网络中，网络的拓扑控制与优化重要性表现在：影响整个网络的生存时问；减小节点间通信干扰，提高网络通信效率和为路由协议提供基础，在无线传感器网络体系结构中，网络层的路由技术对无线传感器网络的性能好坏有着重要影响.随着国内外无线传感器网络的研究发展，许多路由协议被提了出来，从网络拓扑结构的角度可以大体把它们分为两类：平面路由结构和层次路由结构，层次路由算法是现有无线传感器网络路由算法的研究重点，下面将概述一下LEACH路由协议研究：LEACH是无线传感器网络中提出的第一个层次型路由协议，运用了数据压缩技术和分层动态技术，通过随机选取某些节点为簇头来均衡网络内部负载；文描述了一种基于LFACH的改进型非均匀分簇协议UCS（unequalcluteringize），协议的中心是：考虑候选簇头节点到基站的远近，构造出大小非均匀的簇，从而实现了网络中节点能耗的均衡；文中的LEACH-C是LEACH协议自身的提出者后来在LFACH协议上所做的改进算法；文提出的TEEN （threholdenitiveenergyefficienten-ornetworkprotocol）是阈值敏感能量高效传感器网络协议，它采用与LEACH类似的簇结构和运行方式，定义了软、硬两个阈值来确实是否发送数据；文提出的混合有效能量分布式分簇HEED（hybirdenergy-efficientditributedclutering）算法是在LEACH算法簇头分布不均匀这一问题基础之上做出的对LEACH协议的改进；在文中，高能效传感器采集信息协议PFGASIS（power-efficientgatheringinenorinformationytem）是使用贪婪算法GA （greeciyalgorithm）形成链式的簇结构；文中，LEACH-M协议中引入了遗传模拟退火算法.LEACH算法与一般平面多跳路南算法相比，可以将网络生命周期延长15%，但却存在簇受开销大、重复形成簇和簇规模分布不合理等不足，为此本文提出一种改进算法.1LEACH协议简介Ll算法概述LEACH协议是由MIT的Heinzelman等提出的，该算法是为无线传感器网络设计的一种低功耗自适应的分层路由协议，假定了一个均匀的、节点能量有限的密集传感器网络，各节点向接收点报告其数据.LEACH协议将基于TDMA的MAC协议与聚类协}义和一个简单的“路由”协议集成在一起，其基本是：通过循环的方式随机选择簇头节点，对簇头节点进行轮换，把整个网络的能量负载平均分配到各个节点上，从而平衡和降低能耗、延长网络的生存周期.LEACH协议提出“轮”的概念，算法的执行过程是周期性的，每轮循环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，随机选择节点作为簇头节点，簇头节点确定后即向周围广播，其他节点根据接收到的广播信号的强弱来选择要加入的簇，并告知相应的簇头节点，从而网络被划分为若干个簇.在数据通信阶段，网络完成簇结构构建，普通节点将采集数据发送给簇头节点，由簇头节点对数据进行处理（如数据融合）操作，再转发给汇聚节点，为了避免额外的处理开销，数据通信阶段一般持续较长的时间.每一轮结束后，网络将重新进入下一轮，继续执行这两个阶段的过程.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，如果这个数小于阈值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，这样该节点就不再会再次当选为簇头，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阈值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，当只剩一个节点未当选时，T（n）=1，表示这个节点一定当选.T（n）如式（1）所示：其中：P簇头在所有节点中所占的百分比；r是选举轮数；rmod（l/P）代表这一轮循环中当选簇头的节点个数；G这一轮循环中未当选过簇头的节点集合.采用这种随机选举簇头的方法，需要得到节点总数与簇头数的最优比；因为基站是在远离仿真区域的位置，与距离较远的节点通信时，需要设置一些簇头节点提升通信的效率，但是也不能过多（在极端情况下，每一个节点都是簇头，和没有分簇是一样的，没有多跳和数据融合优势），在相对低的比值处有一个最优的数值；在一种典型的情况下，Heinzelman等认为最优值是5%，但是这要依赖于特定的设置并且要求预先确定.LEACH协议采用了随机选举簇头的方式来轮换簇头，避免了簇头过分消耗能量，采用数据融合则有效地减少了通信量，与一般的多跳路由协议和静态聚类算法相比，能够将网络生命延长15%.1.2算法不足1）由于LEACH协议是假定所有节点都能直接和基站进行通信，而且每个节点都具备支持不同MAC的能力，因此该协议不大适合在大规模部署的应用场景.2）LEACH协议没有说明簇头节点要怎么分布才更加均匀，有可能在实际应用中出现一个区域有很多的簇头节点，而有的很大的区域没有任何的簇头节点，这样会出现网络能耗不均衡.3）LFACH协议假定每个节点的能耗都差不多，这使得该协议不适用于节点能量不均衡负载的网络部署中.4）LEACH协议的簇头选举算法没有考虑剩余能量低的节点当选为簇头节点的情况，该节点很快会耗尽能量提早失效.不利于延长网络的生存时间，网络的鲁棒性也不好.5）簇头节点将采集到的数据通过数据融合后直接发送到基站，若传感器节点分布在很广的范围内，经过很多轮后，距离基站近的簇头节点与距离基站远的节点剩余能量相差很大；如果传感器节点的初始能量值一致，距离汇聚节点远的节点能量最先消耗完，从而导致整体网络生存时间缩短；假设簇头节点和汇聚节点之间只采用多跳路由方式转发数据，那么在网络节点部署区.域广、节点数日众多的情形下，距离基站近的区域的节点因为频繁参与数据的转发，能量消耗极快，该区域的节点反而很容易死掉，进而影响整个网络的生命周期.针对LEACH路由协议的不足，本文提出一种改进的算法，我们且称为NEWLEACH.2.1NEWLEACH算法的基本思想因为涉及到距离，先简单介绍下LEACH的物理模型：LEACH算法采用第一顺序无线电能量模型FORM（firtorderradiomodel），该模型由发送电路、放大电路和接收电路组成.假定信道是双向对称的，即节点A传送数据到节点B的能量消耗与B传送到A是相同的.在传输距离为d时，传感器节点发送和接收kbit消息所消耗的能量见式（2）和式（3）.其中：E是发送电路和接收电路无线电通信消耗的功率值，信号传输距离为d.信号在无线信道传输中的能量消耗与距离dr成正比，在短距离无线传输，即dd0时，r=4.上述的两种能量衰减模型分别称为自由空间（freepace）衰减模型和多路信道衰减（multi-pathfading）模型.εam，，为自由空间衰减模型的衰减系数，εf为多路信道衰减模型的衰减系数.因此，根据发送节点与接收节点之间的距离，发送节点可以使用不同的能耗模型计算发送数据所需要的能量.Et某（k，d）表示发送节点所消耗的总能量，En某（k）表示接收节点所消耗的总能量，分别表示接收电路和传送电路中所消耗的功率值，并且是发送端发送消息经过放大器时所消耗的能量.本文的算法基本思想是：从上面的能量消耗模型可以看出，能量消耗其实也和距离有关，在设计优化的簇头选举方法时，应该根据距离来选择不同的能量衰减模型；簇头的最优选择应该是，在当前轮数剩余能量较高的，又或者是距离基站更近的节点，在数据的通信阶段，应该选择当前轮剩余节点剩余能量最高的节点进行数据融合，如果该节点恰好是簇头节点，在完成数据融合后，将数据发送给基站；如果是普通节点，在完成了数据融合后，将数据转发给簇头节点，簇头节点再发送给基站.2.2NEWLEACH算法2.2.1簇头选举假设仿真区域是在100m某100m的区域内进行的，基站的坐标是在（50，175），我们称为b，存仿真区域内有一个中心点，我们称为center，任一节点到b的距离为（d1，到centei‘的距离为d2，如图l所示.从图中我们可以看出d1》d2，因此在设计距离因子时，把节点到基站的距离看成多路信道衰减模型，把节点到中心点的距离看成自由空间衰减模型根.据不同的情况选用不同的模型，使得距离基站近的有更大几率当选为簇头.传统的LFACH协议不涉及节点的剩余能量问题，改进的NEWLEACH算法用节点的当前剩余能量和初始能量相比，这样做可以使剩余能量更多的节点有更大几率称为簇头，改进后的簇头选举如式（4）所示.式（4）是在式（1）的基础上做的一个改进：在最坏的情况下（‰…。
无线传感器网络LEACH协议的研究与改进摘要：LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）是一种经典的WSN 分层路由协议，它采取自适应分簇算法，一定程度上延长了网络生存期。
然而LEACH路由协议的簇头随机产生，没有考虑节点的剩余能量，未达到簇头最优。
LEACH簇头与基站直接通信，如果两者距离较远，则会带来较大的能量损耗。
结合LEACH及LEACH现有的一些改进算法。
综合考虑了节点的剩余能量和簇首节点数目，簇头和基站之间采用单跳和多跳结合策略，有效地降低了能耗，保证了网络负载的平衡。
关键字：LEACH协议；无线传感器网络；簇头选举算法Abstract：LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy) is a classic WSN hierarchical routing protocol, it has taken to extend the lifetime of the network adaptive clustering algorithm, to a certain extent. However, the routing protocol LEACH cluster head randomly generated, without considering the residual energy of the node, the cluster head does not reach the optimum. LEACH cluster head directly communicate with the base station, if the distance between the two, it will bring greater energy loss. LEACH and LEACH combining some of the existing improved algorithms. Considering the remaining energy is used between nodes and cluster head node number, cluster head and base single-hop and multi-hop combined with strategies to effectively reduce energy consumption, to ensure the balance network load.KEYWORDS: Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy（LEACH）；Wireless Sensor Network（WSN）;cluster－head selection algorithm1 引言无线传感器网络（WSN）不需要固定网络支持，具有快速展开、抗毁性强等优势，能够适用于人们无法接近的恶劣或特殊环境，在军事、商业、医疗、家庭和环境监测等方面广泛应用。
无线传感器网络LEACH算法的改进
无线传感器网络是一种由许多微型传感器节点组成的网络，这些节点具有感知、处理
和通信能力。
传感器节点通过无线通信协议相互通信，将数据从感知区域传输到基站。
在
无线传感器网络中，能量消耗是一个重要的问题，因为传感器节点通常由有限的电池供电。
如何有效地利用能量，延长网络的生命周期，是无线传感器网络中的一个主要研究方向。
LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）是一种经典的无线传感器网络能量感知分簇协议，它通过节点自适应选择簇头节点，并以簇的方式进行数据传输，以减
少节点的能量消耗。
LEACH算法存在一些缺点，如簇头节点选取不均匀、传输延迟较大等。
研究人员提出了一些改进的LEACH算法，以提高网络的能量效率和性能。
一种改进的LEACH算法是基于混合区域和分层的LEACH协议。
该算法将感知区域分为
多个重叠的混合区域，每个区域由一个簇领导节点负责。
在每个混合区域内，采用分层的
方式选择簇头节点。
具体而言，首先通过节点之间的距离和能量等因素选取一些候选节点，然后根据节点的能量和距离进一步筛选出簇头节点。
这种混合区域和分层的方式可以有效
减少能量消耗，并增加网络的稳定性。
还有一些其他的LEACH算法改进方法，如基于遗传算法的LEACH协议、基于人工蜂群
算法的LEACH协议等。
这些算法在簇头节点选取、能量均衡调度等方面进行了改进，以提
高无线传感器网络的能量效率和性能。
无线传感器网络路由协议LEACH的研究与改进摘要:无线传感器网络由许多具有低功率无线收发装置的传感器节点成,能够有效地感知、采集和处理网络覆盖区域中的相关信息,并发送给远处的基站进一步处理。
由于传感器节点能量有限,路由协议必须尽可能地减少能量消耗,延长网络生命周期。
在LEACH算法基础上,提出一种改进的路由算法,改进后的算法采用相对固定的成簇方式,每隔一轮重新构建簇。
利用图论中的prim算法,选择每轮中Ped最大的簇头作为根节点,在簇头节点之间构造树形路由,簇头之间以多跳方式将收集到的数据发送到根节点,然后通过根节点将整个网络收集到的数据发送到基站。
仿真结果表明,与LEACH算法相比,改进算法降低了能耗,有效延长了网络生存周期。
关键词:无线传感器网络。
LEACH算法。
分簇。
生命周期。
能量消耗Abstract: W ireless sensor networks consisting of a large number of small sensorswith low-power transceiver canbe an effective tool for apperceiving, collecting and computing data in a variety of environment.The collected datamustbe transmitted to the base station for further processing. Based on LEACH algorithm, this paper presents a novel clustering algorithm in which clusterare relatively fixed and the nodes re-organize themselves into new clusters every other round. It utilizes the Prim algorithm inthe graph theory to form tree routing among cluster-head nodes, and selects the cluster-head with the largestPedas the rootnode. The cluster heads send data to the root node in a multi-hop manner and the root node then sends the gathered data bythe whole network to the base station. Simulation results show that compared with LEACH, the improved algorithm can reduce the energy consumption and prolong the lifetime of the network.Key Words：wireless sensor network, LEACH algorithm, clustering, lifetime, energyconsume1、前言无线传感器网络被认为是在一定空间范围内密集分布的由大量体积小、廉价、电池供电的通信器件构成的自组织系统．由于无线传感器网络大都需要在无人看管、不更换电池或者几乎不可能更换电池的条件下长时间的工作，如何提高能量的有效利用率并延长网络寿命便成了一个重要问题．网络数据传输离不开路由协议,路由协议对网络的整体性能有重要影响,因此,作为无线传感器网络核心技术之一的路由协议一直是研究的热点。
无线传感器网络LEACH算法的改进无线传感器网络（WSN）是由大量分布在空间中的无线传感器节点组成的网络，用于监测、收集和传输环境信息或事件。
它被广泛应用于环境监测、军事监测、医疗保健、工业自动化等领域。
由于传感器节点的能量有限，传感器节点之间的通信受限，需要能耗较低的网络协议来延长网络的寿命。
LEACH（Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy）算法是一种用于节能的无线传感器网络协议，通过聚类和轮换角色的方式降低传感器节点的能量消耗，延长整个网络的寿命。
LEACH算法仍然存在一些问题，需要进行改进。
本文将介绍LEACH算法的基本原理，以及一些对LEACH算法的改进方法，以提高其在无线传感器网络中的性能和效率。
一、LEACH算法介绍1. LEACH算法基本原理LEACH算法是一种典型的分簇式无线传感器网络协议，它通过聚类和轮换簇头的方式降低传感器节点的能量消耗。
LEACH算法的基本原理如下：（1）初始化阶段：初始化每个节点的能量，并设置阈值T，根据T决定哪些节点将成为簇头节点。
（2）簇头选择阶段：每个节点以概率的方式成为簇头节点，概率与其剩余能量成正比。
（3）簇形成阶段：非簇头节点将根据其距离最近的簇头节点进行加入。
（4）数据传输阶段：簇头节点收集数据并传输给基站。
（5）簇头轮换阶段：为了均衡网络中各个节点的能量消耗，每个簇头节点在每一轮中都会轮换。
2. LEACH算法存在的问题尽管LEACH算法在节能方面有一定的优势，但是它也存在一些问题：（1）簇头选择过程没有考虑传感器节点的位置及其与基站之间的距离。
（2）没有考虑网络中节点的能量消耗不均匀问题。
（3）没有充分考虑网络中的数据传输量，可能导致某些簇头节点负载过重。
1. 基于节点位置的改进通过引入节点位置信息，可以更合理地选择簇头节点，避免一些节点成为簇头节点后，由于其位置过远而导致能量消耗过大。
可以根据节点与基站之间的距离进行簇头节点的选择，以减少能量消耗。
无线传感器网络改进的LEACH-ID算法摘要：分析了经典的分簇路由协议LEACH，针对LEACH中的簇头个数、簇中成员数太多或太少，从而导致节点加快死亡、网络能量利用率低的问题，通过计算最优簇头数、控制簇中成员数，均衡了网络中能量的消耗，提高了网络能量的利用率，延长了网络寿命。
同时给出一种简单的产生临时ID的方法，保证了相互间较大概率的互异性。
仿真实验结果表明，LEACH??ID协议与LEACH 协议相比延长了网络寿命，推迟了第一个死亡节点出现的时间，提高了能量利用率。
?ス丶?词：无线传感器网络；LEACH协议；簇头；临时ID号?ブ型挤掷嗪牛? TP393.04; TN915.04文献标志码：A英文标题??Improved LEACH??ID algorithm for wireless sensor networks?び⑽淖髡呙?SHI Ye??ling, CHEN Bin??bing?び⑽牡刂?(School of Electrical Engineering and Information, Sichuan University, Chengdu Sichuan 610065, China英文摘要)??Abstract:Classical clustering communication protocol of LEACH was analyzed. Concerning the problem that the amounts of cluster heads andtoo many or too few members of the cluster may cause the accelerated death of the nodes and low energy use of the network, by calculating optimal clustering heads and controlling members of the cluster, the consumed energy was balanced, the usage rate of the network energy was improved and the network??s lifetime was prolonged. At the same time, a simple and effective method of assigning temporary ID was given, which can assure the dissimilarity of the IDs with large probability. The simulation results indicate that, compared with LEACH, LEACH??ID extends the lifetime of network, delays the first node??s death time, and enhances the energy efficiency.英文关键词??Key words:Wireless Sensor Network (WSN); LEACH protocol; clusterhead; temporary ID number??0 引言??由于工作环境和自身构造所限，无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)传感器节点的计算、通信能力及能量都十分有限，对于节点的更换和充电也较难实现。
无线传感器网络LEACH算法的改进无线传感器网络（WSN）是由大量的分布式传感器节点组成的网络系统，用于监测、收集和传输环境中的数据。
WSN可以应用于许多领域，如环境监测、智能交通系统、医疗保健和军事应用等。
由于传感器节点通常由电池供电，因此能源是WSN中一个非常有限的资源，因此如何有效地利用能源是WSN中的一个重要问题。
LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）是一种经典的WSN能源管理协议，它通过将传感器节点划分为不同的簇并采用轮流工作的方式来延长网络的寿命。
LEACH算法也存在一些问题，例如簇头节点的选取不够公平、能量分配不均匀、数据传输过程中的能量消耗大等。
研究人员对LEACH算法进行了不断改进以解决这些问题，并提出了许多改进的版本，比如VLEACH、M-LEACH、TEEN等。
本文将重点介绍LEACH算法的改进及新版本的发展情况，深入分析其改进思路和效果，为WSN的性能优化提供一定的参考。
一、 LEACH算法的改进方向1. 簇头节点的选取原始的LEACH算法中簇头节点的选取是通过随机数生成的方式进行的，这使得簇头节点的选取不够公平。
改进的LEACH算法一般会引入一些能量或距离的参数，使得选取簇头节点更加公平和均匀。
比如VLEACH算法通过引入节点的剩余能量和节点到基站的距离两个参数，采用加权随机数生成的方式选取簇头节点，从而使得簇头节点的分布更加均匀。
2. 能量分配在传统LEACH算法中，簇头节点负责整个簇的数据聚合和传输，导致簇头节点的能耗较大，簇内节点的能量耗尽速度不一致。
改进的LEACH算法一般会引入数据负载均衡的机制，将簇头节点的聚合任务分摊给其他节点，从而使得能量分配更加均匀。
M-LEACH算法引入了多簇头节点的概念，使得簇内节点可以选择不同的簇头节点进行数据传输，从而实现了能量的均衡分配。
3. 消息传输改进的LEACH算法还会引入一些新的机制以减少数据传输过程中的能量消耗。
基于无线传感器LEACH算法改进方法的研究文献综述位代码01号类号TP312级文献综述基于无线传感器LEACH算法改进方法的研究院（系）名称信息工程学院黄河科技学院毕业论文（文献综述）第2 页专业名称网络工程2013年4月6日基于无线传感器LEACH算法改进方法的研究摘要作为一种新的信息获取方式和处理模式，无线传感器网络(wireless sensor network，简称WSN)目前已成为国内外备受关注的研究热点。
无线传感器网络(WSN)是众多的传感器通过无线通信的方式，相互联系，处理、传递信息的网络。
该网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，可以实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种对象的信息，并对这些信息进行处理，传送给所需用户。
本文主要对无线传感网络特点和路由协议作了说明，介绍了LEACH路由协议的工作原理。
并针对它存在的不足，比较分析了DCHS路由算法、LEACH-C和LEACH-F算法。
关键词：无线传感器网络，LEACH算法，路由协议黄河科技学院毕业论文（文献综述）第2 页1无线传感器网络的特点无线传感器网络的特点无线传感器网络除了具有无线网络的移动性、断接性等共同特征以外,还具有很多其他鲜明的特点[1]。
（1）传感节点体积小，成本低，计算能力有限。
无线传感器网络是在MEMS技术、数字电路技术基础上发展起来的，传感节点各部分集成度很高，因此具有体积小的优点，当然从应用角度讲，减小节点尺寸也是必须考虑的设计要素。
传感网络是由大量的传感节点组成的，单个节点的成本直接影响到网络的总体成本，如果总体成本比使用传统传感器的成本高，势必会影响无线传感网络的竞争力。
（2）传感节点数量大、易失效，具有自适应性。
根据应用的不同，传感器节点的数量可能达到几百万个，甚至更多。
此外，传感器网络工作在比较恶劣的环境中，经常有新节点加入或已有节点失效，网络的拓扑结构变化很快，而且网络一旦形成，人很少干预其运行。
因此，传感器网络的硬件必须具有高强壮性和容错性，相应的通信协议必须具有可重构和自适应性。
（3）通信半径小，带宽很低。
无线传感器网络是利用“多跳”来实现低功耗下的数据传输，因此其设计的通信覆盖范围只有几十米。
和传统无线网络不同，传感器网络黄河科技学院毕业论文（文献综述）第2 页中传输的数据大部分是经过节点处理过的数据，因此流量较小。
根据目前观察到的现象特性来看，传感数据所需的带宽将会很低(1~100kbit/s)。
（4）电源能量是网络寿命的关键。
无线传感器网络中通常运行在人无法接近的恶劣甚至危险的远程环境中，能源无法替代，只能选择扭扣式电池供电，电源能量极其有限，因此电源效率是设计考虑的关键因素。
（5）数据管理与处理是传感器网络的核心技术[2]。
对于观察者来说，传感器网络的核心是感知数据，而不是网络硬件。
以数据为中心的特点要求传感器网络的设计必须以感知数据管理和处理为中心，把数据库技术和网络技术紧密结合，从逻辑概念和软、硬件技术两个方面实现一个高性能的以数据为中心的网络系统，使用户如同使用通常的数据库管理系统和数据处理系统一样自如地在传感器网络上进行感知数据的管理和处理。
2 WSN层次路由协议概述无线传感器的路由协议起着监控网络拓扑的变化，建立、维护和删除节点间路由，保证在恶劣的环境中节点间信息的准确、高效和及时传递。
无线传感器网络节点间以Ad Hoc 方式进行通信，每个节点都可以充当路由器的角色，并且每个节点都具备动态搜索、定位和恢复链接的能力。
路由协议负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点，主要包括两方面的功能：一是寻找源节点和目的节点间的优化路径；二是将数据分组沿着优化路径正确的出发[3]。
它的路由协议有平面路由协议、分簇路由协议、能量感知路由协议、基于查询的路由协议、基于地理位置的路由协议等[4]，本文针对分簇路由协议进行说明。
在分簇路由协议中，网络通常被划分为簇群，每个簇群由一个或多个成员组成，形成最高一级的网络。
在高一级网络中，又可以分簇群，再次形成更高一级的网络，直至形成最高级的网络。
分级结构中，簇群头节点不仅负责所管辖群内信息的收集和融合处黄河科技学院毕业论文（文献综述）第2 页理，还负责簇群间的转发[5]。
分簇路由协议中每个簇群的形成通常是基于传感器节点的保留能量和簇群头节点的接近程度，同时为了延长整个网络的生存期，簇群头节点的选择需要周期更新。
分簇路由协议的优点是适合大规模的传感器网络环境，可扩展性较好。
缺点是簇群头节点的可靠性和稳定性对全网性能的影响较大，信息的采集和处理也会消耗簇群头节点的大量能量。
分簇路由协议主要有LEACH，PEGASIS，TEEN，APTEEN，TTDD，EARSN等，以下主要分析了典型的LEACH路由算法[6]。
3 LEACH路由协议工作原理低功耗自适应聚类分级LEACH协议是无线传感器网络中最早提出的分层路由算法。
LEACH可以将网络整体生存时间延长15%。
它的基本思想是通过等概率地随机循环选择簇头，将整个网络的能量负载平均分配到每个传感器节点，从而达到降低网络能量耗费、延长网络生命周期的目的[7]。
LEACH的执行过程是周期性的，每轮循环的基本过程是：（1）簇的建立阶段。
每个节点选取一个介于0和1之间的随机数，如果这个数小于某个阀值，该节点成为簇头。
然后，簇头向所有节点广播自己成为簇头的消息。
每个节点根据接收到广播信号的强弱来决定加入哪个簇，并回复该簇簇头。
（2）数据传输阶段。
簇内的所有节点按照TDMA(时分复用)时隙向簇头发送数据。
黄河科技学院毕业论文（文献综述） 第2 页簇头将数据融合之后把结果发给基站。
（3）重新成簇。
在持续工作一段时间之后，网络重新进入启动阶段，进行下一轮的簇头选取并重新建立簇。
3.1 LEACH 及DCHS 算法每个节点产生一个0~1之间的随机数，如果这个数小于阀值T(n)，则该节点向周围节点广播它是簇头的消息[8]。
T （n ）的计算公式为：[]otherwise Gn p p p m T ∈⎪⎩⎪⎨⎧⨯=,0)rmod(1/-1)( (1)其中：p 是簇头占所有节点的百分比，即节点当选簇头的概率；r 是目前循环进行的轮数；G 是最近1/p 轮中还未当选过簇头的节点集合。
从T （n ）我们可以看出，当选过簇头的节点在接下来的1/p 轮循坏中将不能成为簇头，剩余节点当选簇头的阈值T （n ）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。
p 值决定了每轮产生的簇头数量，在实际应用中，最佳p 值的确定是十分困难的，这与网络规模和节点密度有关。
另外，T （n ）没有考虑能量因素，这种算法必须基于两个前提假设才能达到每个节点平均耗费能量的预期目标：（1）每个节点初始能量均等；（2）每个节点担任簇头期间耗费的能量均等。
然而，由于每个簇的大小以及簇头到基站的距离不一样，前提假设（2）不符合现实。
针对LEACH [9]中T （n ）计算公式（1）的不足，DCHS [10] (deterministic cluster ．head selection)将能量因素考虑进来，改进了T （n ）的计算方法。
[]max __n E )(1/mod r -1)(n current new E p p pn T =(2)黄河科技学院毕业论文（文献综述） 第2 页current E n_表示节点的当前能量，m ax n_E 表示节点的初始。
公式（2）的改进，使能量消耗比例较低的节点优先当选簇头，实验结果表明，该节点选取算法能在LEACH 基础上有效提高网络生命20%~30%。
然而，公式（2）的这种改进还有一个缺陷，当网络运行了相当长一段时间之后，所有节点的当前能量current E n_都变的很低，那么阀值T （n ）就会变小，所有节点成为簇头的概率都大大降低，每轮当选的簇头数量减小，最终导致网络能量耗费不均衡。
网络生命周期缩短，为此DCHS 再次改进了T （n ）的计算方法。
[]⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=max __max __11E )rmod(1/1)(n current n s n current n new E E p div r E p p p n T(3)s r 表示节点连续未当选过簇头的轮次，一旦当选了簇头，重置为0，公式(3)的改进有效地解决了公式(2)的缺陷，综合考虑了节点能量和阀值大小对簇头选取的影响，使算法更公平合理。
3.2 LEACH-C 和LEACH-F 算法LEACH-C [11] (LEACH-centralized)和LEACH-F [12] (LEACH-fixed)都是集中式的簇头产生算法，由基站负责挑选簇头。
LEACH 是每个节点根据随机数自决定是否当选簇头，每轮产生的簇头没有确定的数量和位置。
LEACH-C 根据全局信息挑选簇头，可以有效解决LEACH 的这一不足，每个节点把自身地理位置和当前能量报告给基站，基站根据所有节点的报告计算平均能量，当前能量低于平均能量的节点不能成为候选簇头，从剩余候选节点中选出合适数量和最优地理位置的簇头集合是一个NP 问题，基站根据所有成员节点到簇头距离平方和最小的原则，采用模拟退火算法（simulated annealing ）解决该NP 问题，最后，基站黄河科技学院毕业论文（文献综述）第2 页把簇头集合和簇的结构广播出去。
LEACH-F也是在LEACH基础上做了一些改变。
簇的形成与LEACH-C一样，也是基站采用模拟退火算法生成簇，同时，基站为每个簇生成一个簇头列表，只是簇内节点轮流当选簇头顺序。
一旦簇头生成后，簇的结构就不再改变，簇内节点根据簇头列表依次成为簇头与LEACH和LEACH-C相比，LEACH-F最大的优点就是无须每轮循环都构成簇，减少了构造簇的开销，但是，LEACH-F并不适合正式的网络应用，因为他不能动态处理节点的加入、失败和移动，同时，它还增加了簇间的信号干扰。
4 总结文中对无线传感器网络特点进行描述。
主要针对无线传感器网络路由协议LEACH黄河科技学院毕业论文（文献综述）第2 页算法的不足进行分析。
LEACH是最典型的分层路由算法，它的主要目的是延长了网络整体生存时间。
不足是簇头能量消耗比较大，簇与簇之间节点的能量消耗不均衡，簇头节点能耗分布不均匀，导致有的簇和某些节点快速死亡，从而降低了网络的性能。
而在它的基础上，引入了DCHS算法，LEACH-C和LEACH-F集中分簇路由算法，来进一步优化LEACH算法。
DCHS算法把能量因素和阀值大小影响簇头选取都考虑在内，使能量消耗低的节点优先当选簇头，有效的提高了网络生存时间。
