无线传感器网络分簇路由协议综述

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]。

无线传感器网络中的分簇路由算法研究无线传感器网络是指由许多无线传感器节点组成的网络。

这些无线传感器节点能够感知和采集环境中的各种信息，并将这些信息传送到网络的其他节点或基站中。

在无线传感器网络中，节点通常需要通过中继节点进行数据传输，因此网络的路由算法非常关键。

分簇路由是无线传感器网络中一种常见的路由方式。

它将网络中的节点划分为若干个簇(cluster)，每个簇由一个簇头(cluster head)节点负责管理。

簇头节点负责收集其所属簇内其他节点的数据，并将数据通过中继节点传送到基站。

分簇路由算法的目标是使网络中的能量消耗尽量均衡，延长网络的寿命。

在无线传感器网络中，节点的能量是非常宝贵的资源。

因此，节能是无线传感器网络设计中的一项重要考虑因素。

而分簇路由算法正好可以通过簇头节点的选择和簇内节点间的协作来实现对节点能量消耗的优化。

簇头节点的选择是分簇路由算法中的关键问题。

一种常见的选择策略是节点的能量水平。

通常，能量水平较高的节点被选为簇头节点，以便能够承担更多的工作量。

然而，这种方法可能导致能量的不均衡消耗，使得某些节点的能量很快耗尽，从而降低了整个网络的寿命。

因此，一些研究者提出了其他的簇头选择策略，例如轮流选择、基于节点距离的选择等。

除了簇头节点的选择，簇内节点之间的通信机制也是分簇路由算法中需要考虑的问题。

簇内节点通常需要以无线方式与簇头节点通信，并将采集的数据传送给簇头节点。

为了降低能量消耗，一种常见的做法是将簇内节点分为几个级别，使得距离较近的节点之间直接通信，而距离较远的节点则通过跳点方式进行通信。

这种分级通信方式可以有效降低节点之间的能量消耗，延长网络的寿命。

除了上述提到的问题，还有一系列的挑战和问题需要在无线传感器网络中的分簇路由算法中解决。

例如，网络中的节点可能会由于环境因素或节点故障而失效，因此需要设计一种有效的节点故障检测和处理机制。

此外，在网络中可能会存在信号干扰、多径传输等问题，这些也需要在算法设计中进行考虑。

无线传感器网络路由协议概述作者：付晓阳来源：《电脑知识与技术》2013年第11期摘要：该文对无线传感器网络的路由协议进行了简要概述，总结了典型的平面路由协议和层次路由协议（分簇路由协议），重点介绍了LEACH路由协议和EEUC路由协议，并分析了其基本原理，最后对LEACH协议、LEACH-C协议和EEUC协议进行了模拟仿真，并对结果进行了简要分析和总结。

关键词：无线传感器网络；路由协议；LEACH中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）11-2548-031 概述无线传感器网络是继承了计算机、通信和信息感知三大学科中众多科学知识的新兴领域，对无线传感器网络的认识，随着大量的相关研究而不断深入。

简单来说，无线传感器网络就是由传感器节点组成的，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络[1]。

路由协议解决的是数据传输问题，是无线传感器网络的核心技术之一。

路由协议的性能和整个网络的性能密切相关。

无线传感器网络的路由协议骑着监控网络拓扑变化，建立、维护和删除节点间路由，保证在恶劣环境中节点间信息能准确、高效和及时传递的作用。

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、定位和回复连接的能力。

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。

它主要包括两个方面的功能，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地进行转发[2]。

无线传感器网络的路由协议根据网络的拓扑结构的差别，可以分为平面路由协议和层次路由协议[3-4]（即分簇结构路由协议）。

该文主要介绍几种常用路由协议，并对其进行仿真实验。

2 平面路由协议在平面路由协议的无线传感器网络中，所有传感器节点的地位平等，逻辑视图是平面结构。

因此不存在特殊节点，网络能耗均衡，鲁棒性好。

洪泛和闲聊（Flooding and Gossiping）[4]这种路由方式是最原始最传统的路由方式，不需要网络的任何拓扑信息、数据信息和路由信息，是典型的平面路由协议。

无线传感器网络分簇算法研究综述郭士琪华北电力大学【摘要】由于无线传感器网络存在能量约束问题，因此如何利用现有能量资源，延长网络的生命周期是无线传感器网络技术迫切需要解决的问题。

分簇算法（ＣｌｕｓｔｅｒＡｌｇｏｒｉｔｈｍ）是无线传感器网络在分层路由中的重要算法。

本文在简单介绍当前几个典型分簇算法的基础上，重点分析了簇首的形成过程，最后给出了结论和展望。

【关键词】无线传感器网络分簇算法ＬＥＡＣＨ近年来随着无线通信、集成电路、传感器以及微机电系统等技术的飞速发展，使得低成本、低功耗、多功能的微型无线传感器的大量生产成为可能，这些微型无线传感器具有无线通信、数据采集和处理、协同合作等功能，无线传感器网络就是由许多这些传感器节点协同组织起来的。

传感器网络的节点可以随机或者特定地布置在目标环境中，它们之间通过特定的协议自组织起来，能够获取周围环境的信息并且相互协同工作完成特定任务。

无线传感器网络中，节点通常运行在人们无法接近的恶劣甚至危险的远程环境中，能源无法替换，因此如何设计有效的策略延长网络的生命周期是该种网络的核心问题。

另外，无线通信带宽窄、易受干扰的特点决定了无线传感器网络数据传输易出错、易被窃取，所以设计易安装、寿命长、容错能力强、传输安全的无线传感器网络就成了研究人员努力追求的目标。

分簇算法（ＣｌｕｓｔｅｒＡｌｇｏｒｉｔｈｍ）是无线传感器网络在分层路由中的重要算法。

分簇的概念最早是在分组无线网中提出，主要是对网络中的节点进行层次划分，若干相邻节点构成一个簇，每个簇内选举一个簇首（ＣｌｕｓｔｅｒＨｅａｄｅｒ），簇首之间的连接构成上层骨干网，所有簇间通信都通过骨干网进行转发。

迄今为止，在无线自组网（ＷｉｒｅｌｅｓｓＡｄＨｏｃＮｅｔｗｏｒｋｓ）中已经提出较多的分簇算法用于实施层次路由协议，如基于节点ＩＤ的链路分簇算法、最低移动性算法等。

而无线传感器网络中的分簇算法正处于研究的阶段。

同无线自组网相比，无线传感器网络中的分簇算法更侧重于保持网络整体的能量消耗的均衡，避免出现热点问题（“ｈｏｔｓ。

传感器网络中的通信协议随着信息技术的日新月异，智能化已经成为了我们生活和工作中不可或缺的元素。

而在智能化的驱动下，各种新型的技术和服务也应运而生。

其中，传感器网络作为物联网中的一种核心元素，成为了业界研究的热点之一。

而在这个领域中，通信协议又显得尤为重要。

传感器网络是由大量的小型传感器节点组成的网络系统。

这些传感器节点通过无线通信网络实现信息的传输和共享，从而为用户提供各种智能化的服务。

在传感器网络中，通信协议则是其中最核心的一环。

传感器网络中的通信协议主要包括三个层次：物理层、数据链路层和网络层。

物理层主要负责传输信号和数据，数据链路层则负责实现节点之间的数据传输和错误校验，而网络层则负责节点之间的寻址和路由选择。

在传感器网络中，随着节点的数量不断增加，传输信噪比也逐渐变差，从而导致通信质量的下降。

为了提高通信的质量和效率，业界提出了大量的通信协议。

其中，最常见的有LEACH、PEGASIS、TEEN等协议。

LEACH（Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy）协议是由美国加州大学伯克利分校的Wendi Rabiner Heinzelman、Anantha Chandrakasan和Hari Balakrishnan等人于2000年提出的。

该协议通过分簇的方式，实现了节点之间的相互通信和信息传输。

LEACH协议具有低能耗、自适应性强等优点，因此被广泛应用于无线传感器网络中。

PEGASIS（Power-Efficient Gathering in Sensor Information System）协议是2002年由加州大学洛杉矶分校的S. Lindsey、C. Raghavendra和P. K. Varshney等人提出的一种无线传感器网络协议。

该协议通过链式计算和逆向传播方式，降低了传感器节点之间的能耗和通信开销，从而提高了传感器网络的效率和可靠性。

TEEN（Threshold-sensitive Energy Efficient sensor Network protocol）协议是一种基于事件触发的传感器网络协议，由2003年美国密苏里大学的Mani B. Srivastava等人提出。

无线传感器网络中的路由协议研究近年来，无线传感器网络（Wireless Sensor Network，简称WSN）正在被广泛应用于工业自动化、环境监测、智能交通等领域，成为新一代信息化技术的重要组成部分。

在WSN中，路由协议是数据传输的关键。

因此，无线传感器网络中的路由协议研究备受关注。

一、路由协议的定义和分类路由协议是指在一定的路由算法和路由协议信令的基础上，为数据在网络中寻找目的地址并传输的一种协议。

根据其设计的目的和方法不同，路由协议可分为集中式和分布式两种。

集中式路由协议将网络中的路由计算统一由中央节点完成，然后将路由表分发给其他节点。

分布式路由协议则是将路由计算过程分散到每个节点，并通过节点间的通信实现路由信息的交换。

在WSN中，采用分布式路由协议的情况比较普遍。

根据具体的路由算法不同，路由协议又可分为无层次、平面层次和分层三种。

无层次路由协议没有明显的层次结构，每个节点都可以进行路由计算和信息交换。

平面层次路由协议将网络分为若干平面，每个平面内的节点路由计算方式相同，不同平面间的节点需要交换路由信息。

分层路由协议则将网络划分为若干层次，每个节点只在本层次内进行路由计算，通过层间协作实现信息传输。

二、套路协议的性能指标路由协议的优劣可以通过一系列性能指标来评价。

主要包括：1. 能耗：WSN中的节点往往是由一小块电池供电，因此能耗是路由协议性能评价的重要指标之一。

2. 延迟：WSN中经常要求实时性很高，因此数据的运输时间成为了路由协议性能的重要方面。

3. 数据传输可靠性：WSN中节点的故障率较高，同时因为环境受到各种干扰，数据包丢失或重传的情况较为常见。

因此，保证数据传输可靠性是路由协议的重要目标。

4. 网络拓扑结构：路由协议的设计包括网络拓扑结构的策略，如何将路由表分发到各个节点，拓扑结构的影响因素有节点通信距离、信道带宽等。

三、常见的路由协议1.LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）：LEACH是WSN中应用性最广泛的集群协议，它采用分层结构以及分簇的方式降低整个网络的能耗，并利用定期轮换簇的方法来防止单个节点过早的能量耗尽。