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无线传感器网络LEACH路由协议研究与改进

章春华  
【摘要】:无线传感器网络是一种复杂且新颖的网络,包含了当前众多的前沿技术,比如:嵌入式技术、分布式处理技术和无线通讯技术,这种网络的特点是部署在给定区域内的廉价传感器节点采集本区域内的数据信息,将采集且融合后的数据以无线通讯的模式发送到基站节点。目前,传感器节点已经广泛的应用于交通、农业灌溉等行业,具有高的研究价值,是目前科技研究的一个热点。 传感器网络融合了嵌入式技术的节点组成,因某些特殊的弊端,如计算能力、节点能耗,使得传统网络和Adhot网络中的路由技术不能用于无线传感器网络,因此,如何设计出节省能耗、延长整个网络生命周期的无线路由协议便成了传感器网络研究的重中之重。 本文首先对现有的经典路由协议自适应分簇分层路由协议LEACH协议进行分析,总结其优点和不足之处;其后,对LEACH协议的不足进行改进,得到新的簇头选择算法和路由算法,提出了基于成组的分层分簇路由协议LEACH-G和基于A*的路由算法,该协议的特点体现在下面的两个方面: 第一:原有的LEACH协议算法中,只是考虑了簇内节点和簇首节点以及簇首节点和基站传送数据时消耗的能量而得出了最优簇头数,但,此簇头个数是一个期望值,在现实的传感器网络环境中,由于计算方法的随机性和不稳定性,导致了最优簇头数的不稳定性,影响网络的性能,LEACH协议是随机的选取簇首节点,选取的簇首节点的个数会远远的偏离最优簇头数,当簇首节点个数过少了,网络就失去了分层的概念,部分簇首节点消耗能量过多,导致节点过早的死亡;当簇首节点过多时,导致与基站传输数据功率过大,影响整个网络的能耗,从而降低了网络的生命周期。LEACH-G协议在计算最优簇头数时将簇首选举时消耗的能量也计算进去,得出一个新的最优簇头数Kopt,然后引入了成组的概念,在获得最优的簇头数目后,根据某种算法首先将网路中的节点数目分为与最优簇首数目相等的组,然后在每个组中根据剩余能量的大小选取一个簇首节点,致使选举出来的簇首数目正好等于最优簇首数目,有效的避免了原LEACH协议的不足,节省了网络的能耗,延长网络的生存周期。 第二:LEACH选择好簇头后进入数据的稳定传输节点,此时的簇头节点会将非簇头融合后的数据收集完成后,以单步通信的方式将融合后的数据传送送给基站节点,在传感器网络的簇头节点和基站相隔甚远,当传送大量数据的时候会消耗过大的能量,导致簇头节点提前死亡,为了解决这个问题,本文提出了LEACH-A*的算法,利用簇头节点间的距离以及相关能量的概念结合启发式搜索算法,给出了多跳通信的模式,簇头节点和基站节点间形成一个多跳数的模式传输数据,避免的某些簇头节点过早的死亡,将单个簇头节点的能耗分散到整个的传感器网络中,从而延长了网络的生命周期,提高了传输质量。 最后,在NS-2中对LEACH-G和LEACH-A*进行仿真,结果表明,改进后的LEACH协议在网络生存周期、网络存活节点数、网络能耗等方面明显优于LEACH协议。


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