原创传感器网络中基于LEACH算法的改进分簇模型研究毕业论文设计40论文41.docx

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原创传感器网络中基于LEACH算法的改进分簇模型研究毕业论文设计40论文41

HUNANUNIVERSITY

毕业设计（论文）

设计论文题目：

传感器网络中基于LEACH算法的改进分簇模型研究

学生姓名：

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传感器网络中基于LEACH算法的改进分簇模型研究

摘要

无线传感器网络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。

无线传感器网络在军事、工业、交通、安全、医疗、探测以及家庭和办公环境等很多方面都有着广泛的用途，其研究、开发和应用，关系到国家安全、经济发展的各个方面，近年来在国际上引起了广泛的重视和投入。

由于外界环境的不确定性，经常导致需要部署成百上千的传感器协同工作，故对由大量传感器构成的大规模传感器网络的研究正逐渐引起关注，并被认为是本世纪的一项具有挑战性的研究课题。

目前，学术界的研究热点主要集中在传感器网络分簇算法、通信路由协议、网络覆盖等领域。

LEACH算法是一种典型的层次路由算法，该算法提出了低功耗持续运行的模型。

但LEACH算法也存在没有考虑能量的消耗和传感器拓扑结构的问题。

本文提出了一种传感器网络中能量有效的分簇算法，该算法在经典的分簇算法LEACH的基础上，通过引入平均能耗调节参数和密度调节参数，使得靠近簇结构地理中心位置的节点以及位于节点密集分布区域的节点有更高机率成为簇头。

采用该算法时，传感器网络簇头的选取更为合理，从而进一步优化了簇的结构，均衡了网络的能量消耗，与采用LEACH算法相比，传感器网络的生命周期有一定幅度的延长。

关键词：

传感器网络；分簇算法；平均能耗；节点密度

LEACH-basedImprovedclusteringmodelResearch

intheSensorNetwork

Abstract

Wirelesssensornetworksareakindofnetworkwhichalotofsensorsinterrelate,processandtransmitinformationwitheachotherthroughwirelesscommunications.Thenetworkintegratessensortechnology,embeddedcomputingtechnology,distributedinformationprocessingandcommunicationtechnologywhichcanbereal-timemonitoring,sensingandacquisitiontheinformationofvariousenvironmentalmonitoringortargetingobjectwithinregionalofdistributionnetworks.Suchinformationwillbeprocessedandtransmittedtotheuser.Wirelesssensornetworksarewidelyusedinmilitary,industrial,transportation,security,medical,detection,familyandofficeenvironment.Theresearch,developmentandapplicationofitrelatestonationalsecurity,economicdevelopmentandotherimportantfields.Inrecentyearsthewirelesssensornetworkscausedmuchattentionandinvestment.Externaluncertaintyenvironmentoftenleadstothesensorclusteringalgorithm,communicationsroutingprotocols,networkcoverageandsensordatafusiontechnology.

LEACHalgorithmisatypicallevelroutingalgorithm.Thisalgorithmputforwardacontinuedoperationoflow-powermodel.ButLEACHalgorithmdidnotconsidertheproblemofenergyconsumptionandtopologyofthesensor.Thispaperpresentsanenergyefficientclusteringalgorithminsensornetwork.OnthebasisoftheclassicalLEACHalgorithm,throughtheintroductionofaverageenergyconsumptionadjustableparametersanddensityadjustmentparameters.Thenewalgorithmenablethenodeswhichnearthegeographiccenteroftheclusterstructureorinthenode-intensiveregionandthesizeofthenetwork,thenfurtheroptimizesthestructureofthecluster,balancesenergyconsumption,electsmorereasonableclusteronthebasisofinLEACHalgorithm.

KeyWords:

Sensornetworks;ClusteringAlgorithms;Theaverageenergyconsumption;NodeDensity

1.绪论

1.1课题研究背景与意义

随着通讯技术，计算机技术和传感技术的日益成熟，微型传感器在世界范围内广泛出现。

传感器网络的发展经历了几个阶段，它最早出现在二十世纪七十年代，这个时期的传感器网络具有点对点的传输能力和简单的信息获取能力。

随后便出现了使用串并接口与传感器连接，可以获取多种信息的传感器网络。

到了二十世纪九十年代后期，智能传感器采用现场总线连接形成局域网络。

随着无线通讯技术被引入传感器，传感器网络技术的发展和应用发生了革命性的变化，以无线传感器网络为标志的全新的传感器网络研究领域，在基础理论和工程技术两个层面向科技工作者提供了大量的具有挑战性的课题[1-6]。

由于传感器网络的巨大应用价值，它已经引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的极大关注。

美国自然科学基金委员会2003年制定计划并投巨资支持传感器网络相关基础理论的研究。

美国国防部和各军事部门把传感器网络作为一个重要研究领域，设立了一系列的军事传感器网络研究项目[7]。

主要的信息工业界巨头也开始了传感器网络方面的工作，纷纷设立或启动相应的行动计划。

其它一些国家也对传感器网络表现出了极大的兴趣，并纷纷展开了在该领域的研究工作。

由于传感器网络具有异于MANET的独特性质[13]，因此传统MANET协议不适用于传感器网络，需要为传感器网络研究新的有效的路由算法。

目前，在传感器网络的路由算法研究中，鉴于传感器网络中节点稠密分布、节点的能量、存储及数据处理能力十分有限的特性，一般采用基于分簇的方法来进行路由算法设计，以提高路由算法的性能。

分簇算法作为路由协议的研究基础，对路由算法性能的优劣具有重要的影响。

此外，在传感器网络中，要保障信息的完整性，数据汇聚节点首先要判定该感兴趣的区域是否被一组给定的传感器节点覆盖，覆盖问题也因此被看作是衡量传感器网络服务质量（QualityOfService）的一种标准[10]。

而覆盖算法也是以分簇算法为基础进行研究的。

由于为改善传感器网络的服务质量而提出的许多覆盖算法是以分簇算法作为其研究基础的，因此分簇算法的改进可以极大的促进覆盖算法的性能。

综上所述，本文研究传感器网络中能量有效的分簇算法，具有重要的理论意义与实用价值。

1.2国内外研究现状

由于外界环境的不确定性经常导致需要布置成百上千的传感器协同工作，故对由大规模传感器构成的传感器网络的研究正逐渐引起广泛关注，并被认为是本世纪的一向具有挑战性的研究课题。

针对以上问题，学术界的研究热点主要集中在传感器分簇算法、通信路由协议、传感器网络覆盖以及传感器数据融合技术上的研究上。

传感器分簇算法通常包括两个阶段。

第一个阶段是根据一定的机制算法选取某个接点作为簇头，用于管理或控制整个簇内成员节点，协调成员节点之间的工作，负责簇内信息的收集和数据的融合处理以及簇间转发。

第二个阶段是在选取簇头的基础上，选取具有某种关联的网络节点形成集合，也就是成簇。

在成簇算法中，网络通常被划分为簇（Cluster）。

每个簇由一个簇头（ClusterHead）和多个簇内成员（ClusterMember）组成，由簇头与基站BS（BaseStation）通信。

网络分布如图1所示，

图1.1簇集网络示意图

1、簇头选取算法

簇头的产生是簇形成的基础，在一些算法中，比如Max-minZpmin，簇头是被预先指定部署的，且假设它们的能量并不受限。

但这是理想的情况，在实际应用是不可能实现的。

更多的簇头选取算法综合考虑了节点的剩余能量，簇头到基站的距离，簇内通信代价等问题。

目前提出的主流簇头选取算法有LEACH、LEACH-F、DAEA、HEAD、CEFL、DCHS、DEFG等。

2、成簇算法

成簇算法在簇头产生后，形成簇的拓扑结构，将网络划分成相连的区域。

良好的簇拓扑结构有助于延长传感器网络的使用周期。

目前提出的成簇算法有ACMWN、HYENAS、EECS、PEGASIS、GAF、ACE、FBCC等。

1.3论文结构和研究内容

目前，人们基于节能的考虑已提出了各种各样的路由协议，本文对其中的LEACH算法进行分析，主要研究内容如下：

（1）详细分析了LEACH的簇头选取以及成簇算法，并对LEACH在簇头选取和成簇过程中存在的问题进行了说明。

（2）针对LEACH算法在簇头选取过程中没有考虑簇头在簇结构中位置和没有考虑节点实际部署情况而引发的问题，将基于节点平均能耗的簇头选取算法和节点密度数学模型结合起来，提出了能量有效簇头选取算法。

（3）对算法进行仿真实验，并借鉴传感器网络中节能评价指标体系对实验结果进行质量评价，最后本文通过理论分析和大量实验证明了新算法较LEACH算法性能更优越。

论文主要由以下部分构成：

第一章对本课题背景和国内外研究现状做了描述。

第二章对传感器网络的概念以及应用进行介绍。

第三章对传统的LEACH算法进行了介绍，并详细分析了其存在的不足。

第四章将节点密度模型和平均能耗模型结合起来，进一步对LEACH算法的簇头选取过程进行改进，提出了能量有效的簇头选取算法。

第五章对算法进行仿真模拟实验。

最后为结论与展望，首先本文工作进行了总结，然后对下一步的研究方向进行了展望。

1.4小结

本章首先给出了课题的研究背景与意义、然后综述了国内外传感器网络覆盖判定算法的研究现状、最后，给出了论文的结构和研究内容简介。

2.传感器网络概述

2.1传感器网络简介

2.1.1传感器网络的概念

传感器网络是由一组传感器以Ad-Hoc方式构成的有线或无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发布给观察者。

从定义可以看出，传感器、感知对象和观察者是传感器网络的3个基本要素；有线或无线网络是传感器之间、传感器与观察者之间的通信方式，用于在传感器与观察者之间建立通信路径；协作地感知、采集、处理、发布感知信息是传感器网络的基本功能。

一组功能有限的传感器协作地完成大的感知任务是传感器网络的重要特点。

传感器网络中的部分或全部节点可以移动。

传感器网络的拓扑结构也会随着节点的移动而不断地动态变化。

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、定位和恢复连接的能力。

传感器由电源、感知部件、嵌入式处理器、存储器、通信部件和软件这几部分构成（如图2.1所示）。

电源为传感器提供正常工作所必需的能源。

感知部件用于感知、获取外界的信息，并将其转换为数字信号。

处理部件负责协调节点各部分的工作。

通信部件负责与其他传感器或观察者的通信。

软件则为传感器提供必要的软件支持，如嵌入式操作系统、嵌入式数据库系统等。

图2.1传感器示意图

典型的传感器网络由传感器节点、接收发送器（sink）、Internet或通信卫星、任务管理节点等部分构成。

传感器节点散布在指定的感知区域内，每个节点都可以收集数据，并通过“多跳”路由方式把数据传送到Sink。

Sink也可以用同样的方式将信息发送给各节点。

Sink直接与Internet或通信卫星相连，通过Internet或通信卫星实现任务管理节点（即观察者）与传感器之间的通信。

图2.2描述了一个典型的传感器网络的结构[14]。

2.2典型的传感器网络的结构

2.1.2传感器网络的特点

传感器网络除了具有Ad-Hoc网络的移动性、断接性、电源能力有限等特征外，还具有以下鲜明特点[14]：

（1）通信能力有限。

传感器网络中的传感器的通信带宽较窄而且经常变化，通信覆盖范围只有几十到几百米。

传感器之间的通信断接频繁，经常导致通信失败。

由于传感器网络更多地受到高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响，传感器可能会长时间离线工作。

（2）计算能力有限。

传感器网络中的传感器都具有嵌入式处理器和存储器。

这些传感器都具有计算能力，可以完成一些信息处理工作。

但是，由于嵌入式处理器和存储器的能力和容量有限，传感器的计算能力十分有限。

使用大量具有有限计算能力的传感器进行协作分布式信息处理，是我们的选择之一。

（3）传感器数量大、分布范围广。

传感器网络中传感器节点密集，数量巨大，可能达到几百、几千万，甚至更多。

此外，传感器网络可以分布在很广泛的地理区域。

传感器的数量与用户数量比通常也非常大。

这就要求传感器网络的软、硬件必须具有高强壮性和容错性。

（4）感知数据流巨大。

传感器网络中的每个传感器通常都产生较大的流式数据，并具有实时性。

每个传感器仅仅具有有限的计算资源，难以处理巨大的实时数据流。

这就需要研究强有力的分布式数据流管理、查询、分析和挖掘方法。

2.1.3传感器网络的核心技术

以数据为中心的传感器网络的基本思想是：

把传感器视为感知数据流或感知数据源，把传感器网络视为感知数据空间或感知数据库，把数据管理和处理作为网络的应用目标。

传感器网络以数据为中心的特点使得其设计方法不同于其他计算机网络（包括Internet）。

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，为用户或观察者提供一个有效的感知数据空间或感知数据库管理和处理系统，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。

感知数据管理与处理技术是实现以数据为中心的传感器网络的核心技术[17]。

感知数据管理与处理技术包括感知网络数据的存储、查询、分析、挖掘、理解以及基于感知数据决策和行为的理论和技术。

传感器网络的各种实现技术必须与这些技术密切结合，融为一体，而不是像目前其他网络设计那样分而治之。

只有这样才能够设计实现高效率的以数据为中心的传感器网络系统。

对感知数据管理与处理的研究方向主要包括：

感知数据管理技术的研究、感知数据查询处理技术的研究、感知数据分析技术的研究、感知数据挖掘技术的研究以及感知数据管理系统的研究。

2.2传感器网络的应用

2.2.1环境的检测和保护

随着人们对于环境问题的关注程度越来越高，需要采集的环境数据也越来越多，无线传感器网络的出现为随机性的研究数据获取提供了便利，并且还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。

比如，2002年英特尔研究实验室研究人员曾经将32个小型传感器连进互联网，掌握缅因州"大鸭岛"上的气候，以此评价一种海燕巢的条件。

2003年第二季度，他们换用150个安有D型微型电池的第二代传感器，来评估这些鸟巢的条件。

另外，无线传感器网络可以跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物的影响，监测海洋、大气和土壤的成分等。

它也可以应用在精细农业中，来监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。

2.2.2医疗护理

无线传感器网络在医疗研究、护理领域同样可以大展身手。

它可以用于病区移动查房、床边护理、呼叫通信、护理监控、药库管理等方面。

罗彻斯特大学的科学家使用无线传感器创建了一个智能医疗房间，使用微尘来测量居住者的重要征兆（血压、脉搏和呼吸）、睡觉姿势以及每天24小时的活动状况。

英特尔公司也推出了无线传感器网络的家庭护理技术。

该技术是作为探讨应对老龄化社会的技术项目CenterforAgingServicesTechnologies（CAST）的一个环节开发的[18]。

该系统通过在鞋、家具以家用电器等家中道具和设备中嵌入半导体传感器，帮助老龄人士、阿尔茨海默氏病患者以及残障人士的家庭生活。

利用无线通信将各传感器联网可高效传递必要的信息从而方便接受护理。

而且还可以减轻护理人员的负担。

英特尔主管预防性健康保险研究的董事EricDishman称，“在开发家庭用护理技术方面，无线传感器网络是非常有前途的领域”。

2.2.3军事领域

由于无线传感器网络具有密集型、低成本、随机分布的节点组成，自组织性和容错能力使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，包括侦察敌情、监控兵力、装备和物资，判断生物化学攻击等多方面用途[1]。

美国国防部远景计划研究局已投资几千万美元，帮助大学进行"智能尘埃"传感器技术的研发。

哈伯研究公司总裁阿尔门丁格预测：

智能尘埃式传感器及有关的技术销售将从2004年的1000万美元增加到2010年的几十亿美元。

2.2.3其他应用

无线传感器网络还被应用于其他一些领域。

比如一些危险的工业环境如井矿、核电厂等，工作人员可以通过它来实施安全监测。

也可以用在交通领域作为车辆监控的有力工具。

此外和还可以在工业自动化生产线等诸多领域，英特尔正在对工厂中的一个无线网络进行测试，该网络由40台机器上的210个传感器组成，这样组成的监控系统将可以大大改善工厂的运作条件。

它可以大幅降低检查设备的成本，同时由于可以提前发现问题，因此将能够缩短停机时间，提高效率，并延长设备的使用时间。

尽管无线传感器技术目前仍处于初步应用阶段，但已经展示出了非凡的应用价值，相信随着相关技术的发展和推进，一定会得到更大的应用。

无线传感器网络有着十分广泛的应用前景，它不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域有具有巨大的运用价值，在未来还将在许多新兴领域体现其优越性，如家用、保健、交通等领域。

我们可以大胆的预见，将来无线传感器网络将无处不在，将完全融入我们的生活。

比如微型传感器网络最终可能将家用电器、个人电脑和其他日常用品同互联网相连，实现远距离跟踪。

家庭采用无线传感器网络负责家电协同工作，进行安全调控，并且可以节省电能。

另外，用户可以根据自己的个人喜好，可以利用传感器网络设置智能生活环境，如依据传感器检测数据来调节室内光线强度、音乐声音，以形成惬意的房间氛围。

无线传感器网络将是未来的一个无孔不入的十分庞大的网络，其应用可以涉及到人类日常生活和社会生产活动的所有领域。

2.3传感器网络的特点与挑战

传感器网络除了具有Ad-Hoc网络的移动性、断接性、电源能力局限等共同特征以外，还具有很多其他鲜明的特点。

这些特点向我们提出了一系列挑战性问题[14]：

（1）通信能力有限。

传感器网络的传感器的通信带宽窄而且经常变化，通信覆盖范围只有几十到几百米。

传感器之间的通信断接频繁，经常导致通信失败。

由于传感器网络更多地受到高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响，传感器可能会长时间脱离网络，离线工作。

（2）电源能量有限。

传感器的电源能量极其有限。

网络中的传感器由于电源能量的原因经常失效或废弃。

电源能量约束是阻碍传感器网络应用的严重问题。

商品化的无线发送接收器电源远远不能满足传感器网络的需要。

传感器传输信息要比执行计算更消耗电能.传感器传输1位信息所需要的电能足以执行3000条计算指令。

（3）计算能力有限。

传感器网络中的传感器都具有嵌入式处理器和存储器。

这些传感器都具有计算能力，可以完成一些信息处理工作。

但是，由于嵌入式处理器和存储器的能力和容量有限，传感器的计算能力十分有限。

如何使用大量具有有限计算能力的传感器进行协作分布式信息处理，是我们面临的第3个挑战。

（4）传感器数量大、分布范围广。

传感器网络中传感器节点密集，数量巨大，可能达到几百、几千万，甚至更多。

此外，传感器网络可以分布在很广泛的地理区域。

传感器的数量与用户数量比通常也非常大。

传感器数量大、分布广的特点使得网络的维护十分困难甚至不可维护，传感器网络的软、硬件必须具有高强壮性和容错性。

（5）网络动态性强。

传感器网络具有很强的动态性。

网络中的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性，并且经常有新节点加入或已有节点失效。

因此，网络的拓扑结构动态变化，传感器、感知对象和观察者三者之间的路径也随之变化。

传感器网络必须具有可重构和自调整性。

（6）大规模分布式触发器。

很多传感器网络需要对感知对象进行控制，如温度控制。

这样，很多传感器具有回控装置和控制软件。

（7）感知数据流巨大。

传感器网络中的每个传感器通常都产生较大的流式数据，并具有实时性。

每个传感器仅仅具有有限的计算资源，难以处理巨大的实时数据流。

这就需要研究强有力的分布式数据流管理、查询、分析和挖掘方法。

2.4小结

本章首先给出了传感器网络的定义、特点以及传感器网络管理核心技术的描述，然后，简要介绍了传感器网络的应用领域，最后，简述了当前传感器网络研究中所面临的挑战。

3.LEACH算法简介及分析

3.1引言

未来的计算装置将越来越与环境融于一体，直至它们对于用户是不可见的。

而分布式无线传感器网络正是这一思想的重要体现。

不断小型化是微型传感器的设计目标，而传感器的能源供应则是传感器小型化过程中最主要的限制。

传统的能量供应装置是电池，然而缩小电池的体积，增加电池容量的工程技术发展缓慢，这直接影响了无线传感器网络的发展。

无法从能量存储的硬件设备上获得突破，于是科研人员开始寻求延长传感器网络使用寿命的其它途径。

这就是通过各种优化应用，完善操作系统和通信协议来降低网络的能量消耗，从而在总能量不变的情况下增加传感器网络的使用时间。

在上述背景下，各种有关传感器网络的路由算法和通信协议纷纷被提出，其中Heinzelman等人提