无线传感器网络LEACH协议研究与改进--精选课件.ppt

1、2019年2月，美国技术评论杂志又将其列为未来改变世界的10大新兴技术之首。2019年8月25日出版的美国商业周刊杂志在其“未来技术专版”中发表文章指出，效用计算、传感器网络、塑料电子学和仿生人体器官是全球未来的四大高科技产业，它们将掀起新的产业浪潮。1.选题背景电池的更换任务是艰巨甚至是不可能的这是传感网络面临的最大问题。理想的情况是能保持几年不更换电源，或采用能耗少的传感器。1.选题背景研究表明：传感器网络与传统网络有着明显不同的技术要求；前者以数据为中心，后者以传输数据为目的。1.选题背景节点层面主要包括传感器技术、低功耗芯片技术、无线通信技术等。网络层面：主要包括低能耗路由协议技术，低

2、能耗 MAC协议、协同定位技术、时钟同步技术、数据融合技术等。1.选题背景1.选题背景 传感器节点数量大、随机分布，密度较大；网络拓扑结构随时间动态变化；节点设备供电电源能量有限，生命周期短。特殊性在于：2.研究目的和意义应用前景包括医学、军事以及环境科学、空间探索、空难拯救、工厂自动化生产线1等众多领域，己经引起了世界许多国家军界、学术界和工业界的高度重视。2.研究目的和意义 目前，国内一些高等院校与研究机构己积极开展无线传感器网络的相关研究工作，主要有中国科学技术大、清华大学、哈尔滨工业大学、电子科技大学、浙江大学、南京大学、中科院计算所、中科院软件所、上海微系统所、沈阳自动化所以及合肥智

3、能所等。研究热点主要集中在穿戴式计算、上下文感知环境、智能教室等领域，在支持无线传感器网络的无线通信网络技术的研究尚不多见。随着无线传感器网络应用的日益发展与不断深入，支持无线传感器网络的无线通信网络技术、超微型嵌入式实时操作系统等若干关键技术的研究将成为未来无线传感器网络应用的发展趋势和热点。3.论文组织第1章 绪 论第2章 无线传感器网络综述第3章 LEACH路由协议的研究与改进第4章 LEACHW协议仿真分析第5章 总结与展望无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价、微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的、自组织的网络系统，其目的是协作地感采集和处理网络覆盖区域中感知对

4、象的信息，并发送给观察者。1.无线传感器网络结构传感器节点结构1.无线传感器网络结构传感器网络协议栈2.WSN路由协议的特点和设计要求 能量优先 基于局部拓扑信息 以数据为中心 应用相关特点：第一，能源有效性；第二，简单性；第三，可扩展性；第四，鲁棒性；第五，快速收敛性。要求：2.WSN路由协议的特点和设计要求泛洪(Flooding)3.无线传感器网络路由协议简要分析Gossiping(闲聊法)3.无线传感器网络路由协议简要分析SPIN(Sensor Protocols for In formation via Negotiation)3.无线传感器网络路由协议简要分析DirectedDifu

5、sion(Directed Difusion，定向扩散)3.无线传感器网络路由协议简要分析LEACH（Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy）3.无线传感器网络路由协议简要分析PEGASIS 3.无线传感器网络路由协议简要分析GEAR(Geographic and Energy Aware Routing)3.无线传感器网络路由协议简要分析3.无线传感器网络路由协议简要分析平面式路由协议：在节点数目增多时的路由开销很大，需要维持较大的路由表，占用较多的存储空间，可扩展性较差，不适合在大规模网络中采用。解决办法：采用适当的分簇算法构造分层拓朴。分簇方案要

6、解决的另外一个问题：如何选择簇簇头节点，非簇头节点如何与簇簇头节点关联。在解决此问题时应考虑如下因素：1、由于簇头节点比非簇头节点消耗更多的能量，为了保证网络的生存周期，簇头节点的选择应该是动态和轮换的；2、簇头节点应均匀分布；3、簇的形成应是分布式的。LEACH是第一个在无线传感器网络中提出的基于多簇结构的集群路由协议，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、延长网络生存时间的目的。1.LEACH概述 1.LEACH概述 物理模型1.LEACH概述 1.LEACH概述 其中p为期望的簇头节点在所有传感节点中的百分比；r是当前轮数；

7、r mod（1/p）代表这一轮循环中当选过的簇头的节点个数，G是在最后1/p轮中尚未成为簇头节点的节点集。1.LEACH概述 LEACH协议运作周期示意图 1.LEACH概述 2阶段工作流程图通过研究发现LEACH选簇头的方法无论从数量上还是分布的位置上都常常呈现不稳定状态，即在一次选举中会出现簇头个数远远偏离期望值和簇头分布位置集中在网络覆盖区域一侧的现象。当簇头个数太少时，失去分层的意义；当簇头个数太多时，由于簇头节点要直接与远端的汇聚节点通信，发射功率较大，会导致整个网络能耗过大；簇头位置过偏会导致部分节点簇内通信半径过大，能耗不均匀，都会影响网络寿命，使得网络的负载平衡程度下降。上述现

8、象的发生源于每次簇头选举的过程完全依赖于各节点产生随机数的过程，随机数产生的不稳定性导致了簇头状态的不稳定性。2.算法分析 簇头选举问题簇间的通信方式问题 当WSN规模较大时，簇头与汇聚节点间距离较远，要进行远距离的数据传输，遵循多径衰落模型，这会导致能量的大幅度损耗，簇头节点可能很快成为成为盲节点，使得网络健壮性下降，盲节点的频繁出现会降低网络平均生命周期并导致路由协议的低效率。而且采用连续数据发送模式和单跳路径选择模式，增加了因数据碰撞产生的重传、过度信道侦听和额外交换控制数据等产生的能量浪费，不利于WSN的扩展，因此不适合在大规模的WSN中应用。另一方面，由于网络中的传感器节点必须共享有

9、限的无线带宽，采用单跳路径选择模式增加了对带宽的需求，这势必造成单位时间里汇聚节点接收数据量减少。2.算法分析 数据融合问题仅强调数据融合而未涉及数据融合的方法。数据融合的直观效果就是减少了数据传输量，是节省节点能耗的有效途径。最理想的融合情形是中间节点可以把n个长度相等的输入分组数据合并成1个输出分组，其节能效率就是；最差情况下，融合操作并未减少数据量，但通过减少分组个数，减少了大量协商、争用信道的操作，降低了网络整体的单位传输开销，同样节省了能量。2.算法分析 3.基于LEACH协议的改进 最优的簇头数目的选取 簇头节点的选择依据 簇间采取多跳通信 簇头节点均匀分布 基于上一节LEACH协

10、议的分析，我们可以从以下几个方面对LEACH协议进行改进：3.基于LEACH协议的改进 最优簇头数目的改进LEACH协议模型计算的Kopt3.基于LEACH协议的改进 最优簇头数目的改进LEACH协议模型Kopt跟平均每轮能耗关系3.基于LEACH协议的改进 最优簇头数目的改进1.问题的提出在LEACH网络模型假设中，求解最优簇头数目时忽略了簇建立阶段能耗，对传感器节点的数据压缩能力也没有限制，这样求解的最优簇头数目比实际的要小一些。事实上传感器节点的处理能力和内存都是有限的，每个节点的数据压缩能力应该是一定的，也就是说传感器节点只能对一定数量的数据进行压缩，因此我们引入了“压缩比”的概念。3

11、.基于LEACH协议的改进 最优簇头数目的改进选择阶段能量耗费22elec-CH11EtoCHfselecelectoCHfselecdllEkNlEkNdllEelectoCHfselecelecelecCHnonlEdllElEE23.基于LEACH协议的改进 最优簇头数目的改进数据传输阶段能量耗费41toBSampelecDAelecdataCHdllEkNlElEkNE2toCHfselecdataCHnondllEE3.基于LEACH协议的改进 最优簇头数目的改进一轮总的能量耗费dataCHnodataCHelecCHnoelecCHclusEkNEEkNEE11kMllEkNdlk

12、NlElEkNkkMllEkNkNkMlkNlEkEkNEkEkNEkkEEfselectoBSampDAelecfselecfselecdataCHnodataCHelecCHnoelecCHclustotal212312121124223.基于LEACH协议的改进 最优簇头数目的改进一轮总的能量耗费DAfselectoBSamptotallNEkNkNkMlkNkNlEkdlE2224524012214224NkMllEdlfselectoBSamp化简：求导：3.基于LEACH协议的改进 最小化能量耗费的最优化簇数目k为：最优簇头数目的改进1,141224mNMEdNMAXkelecto

13、BSampfsopt3.基于LEACH协议的改进 最优簇头数目的改进 最优簇头数目比较 3.基于LEACH协议的改进 最优簇头数目的改进推论1：当簇内节点数，fselectoBSampoptEdMmMINn1214N214时，网络生存周期最长。3.基于LEACH协议的改进 压缩比分别为10，20，40时整个网络的生存周期 最优簇头数目的改进3.基于LEACH协议的改进 LEACH-W算法1)基本思想3.基于LEACH协议的改进 LEACH-W算法1、通过划分虚拟聚类区域，尽量将节点均匀的分成若干个子区域，每个子区域内的节点数大体相当，形成优化的聚类结构，将节点间的通信尽量局限在虚拟区域范围内，

14、减少了建立阶段的簇头选举开销。2、通过动态选择簇头，使聚类内各节点平均分担通信业务，避免了单一节点的快速失效。簇头的选择基于节点剩余能量多少、节点的簇内平均距离和节点到基站BS距离等因素，扩展了LEACH的适用范围。1)基本思想3.基于LEACH协议的改进 LEACH-W算法3、通过建立路由树，形成层次化聚类结构，从整体上实现各聚类子区域的负载平衡，同时减少网络中与BS直接通信的节点数目。4、簇类节点与非簇头节点，簇头节点与簇头节点之间采用单跳的方式通信，路由算法实现起来容易，同时减少了传输延迟。5、通过选择最优的聚类首领数kopt，使整个系统的能耗尽可能地降到最低，同时延长网络的生命周期。1

15、)基本思想3.基于LEACH协议的改进 LEACH-W算法2)算法流程Step1:算法定义及初始化Step2:区域区域划分Step3:建立阶段基于权重的簇头选择Step4:稳定阶段-基于权重的簇间路由算法 3.基于LEACH协议的改进 LEACH-W算法2)算法流程Step3:建立阶段基于权重的簇头选择 max),()1(),(),(DBSidRAVdiEiEAiWCmniresinitmn3.基于LEACH协议的改进 LEACH-W算法2)算法流程节点初始化Step3:建立阶段基于权重的簇头选择3.基于LEACH协议的改进 LEACH-W算法2)算法流程计算节点的权值Step3:建立阶段基于

16、权重的簇头选择3.基于LEACH协议的改进 LEACH-W算法2)算法流程各子区域节 点 竞选簇头节点 Step3:建立阶段基于权重的簇头选择3.基于LEACH协议的改进 LEACH-W算法2)算法流程Step4:稳定阶段基于权重的簇间路由算法),()(maxBSCHdDEEACHWinitresmn，3.基于LEACH协议的改进 LEACH-W算法2)算法流程Step4:稳定阶段基于权重的簇间路由算法 在簇头竞争结束后，簇头节点以以半径2Rc向外广播建簇信息ADV通知普通节点的同时，与它邻近的邻居簇头也会接收到它的广播消息，消息中包含其自身Node_id，所在子区域标识Area_i以及作为网

17、关节点的权重信息等。各簇簇头节点将自身的权值和收到的周围簇头发送的权值进行比较，选择权值最大的节点(如果权值相同，选择距离BS最近的节点)作为父节点，并发送加入消息通知该父节点。依次类推。3.基于LEACH协议的改进 LEACH-W算法2)算法流程Step4:稳定阶段基于权重的簇间路由算法 假设A，B，D 3个簇簇头节点，各自建立一点默认路由，即，下一跳是自己，基站BS赋予权值),(maxmaxBSCHdDEEinitres顺序号下一跳簇头节点ID权值W1A12子区域CH D132A34子区域CH C93A33子区域CH B8簇头节点A簇间路由表1、网络剩余节点数随时间变化关系网络节点寿命第一

18、个节点死亡20%节点死亡50%节点死亡生 存周 期LEACH244432544306LEACH-W334539914543提高率36.86%22.65%5.51%LEACH算法在第2444s开始出现节点死亡，而LEACH-W是在3345s出现节点死亡，LEACH-W20%节点死亡的时间比LEACH搞高了22.65%左右，50%节点死亡的时间比LEACH提高了5.51%。这表明LEACH-W更能节省能量损耗，并使能量的损耗更加均匀的分布到所有节点中，延长了网络的生命周期。同时，我们也注意到，但该曲线更陡峭一些，死亡的更迅速。2、网络能量消耗随时间变化关系生存周期100025004000能 量消

19、耗LEACH42.38129.80179.47LEACH-W27.81103.31165.56提高率52.38%25.64%8.40%采用LEACH在第1000s前消耗的能量为42.38J，而LEACH-W此时的能耗只有27.81J，在这一阶段能耗降低了约52.38%；在2500s，4000s时间前LEACH-W协议消耗能量也比LEACH协议提高25.64%，8.40%。很明显，LEACH-W比LEACH能量消耗少，有效的延长了网络生命周期，网络的性能得到了有效改善。3、基站 BS接受到的数据量随时间变化关系生存周期150030004500接 收数据量LEACH1.913.634.20LEAC

20、H-W2.193.524.26提高率14.70%-3.02%1.47%我们可以看到使用LEACH-W和LEACH作为路由协议的网络在仿真时间内发送到Sink节点的数据量相差不多，这说明使用LEACH-W与LEACH作为路由协议的网络延时也相差不多。虽然多跳容易导致网络的延时增加，但由于在EACH-W中我们只是在聚类首领与BS节点的通信中使用基于权重多跳路由，聚类成员和聚类首领的通信仍为单跳，而聚类首领只占全部节点的5%，所以与LEACH相比并没有增加太多的网络延时。1、本文研究的LEACH算是基于单层拓扑的网络结构，在今后的研究中，我们应该通过算法的改进，将其运用于多层次的网络拓扑结构中；2、由于本算法采用了多跳路由方式，传感器网络中会出现的“热区”问题，我们可以考虑非均匀分簇的方式，如采用维诺图(Voronoi)多边形进行簇划分，或者采取离BS近的簇分布区域小(包括的节点也少一些)的不等区域划分，这样，可以让包括节点数目少的簇能有更多的能量用于簇间路由转发；3、分析数据相似性，在数据融合和管理方面进行进一步的研究4、无线传感器网络中路由算法的健壮性问题以及安全问题的研究。展 望