传感器网络中基于LEACH算法的改进分簇模型研究.docx

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传感器网络中基于LEACH算法的改进分簇模型研究

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：

王玉玺

学生学号：

20041610324

专业班级：

软件工程开发2班

学院名称：

软件学院

指导老师：

王雷

学院院长：

林亚平

2008年5月26

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.Inrecentyearsthewirelesssensornetworkshavebeencausedmuchattentionandinvestment.Externaluncertaintyenvironmentoftenleadstohundredsofsensorsshallbedeploymentedtoworktogether,sothelarge-scalesensornetworksresearchisgraduallyarousedwidespreadinterestandconsideredachallengingresearchtopicofthiscentury.Againsttheaboveproblems,theacademicresearchmainlyconcentratedinthesensorclusteringalgorithm,communicationsroutingprotocols,networkcoverageandsensordatafusiontechnology.

LEACHalgorithmisatypicallevelroutingalgorithm.Thisalgorithmputforwardacontinuedoperationoflow-powermodel.ButLEACHalgorithmdidnotconsidertheproblemofenergyconsumptionandtopologyofthesensor.Thispaperpresentsanenergyefficientclusteringalgorithminsensornetwork.OnthebasisoftheclassicalLEACHalgorithm,throughtheintroductionofaverageenergyconsumptionadjustableparametersanddensityadjustmentparameters.Thenewalgorithmenablethenodeswhichnearthegeographiccenteroftheclusterstructureorinthenode-intensiveregionhasahigherprobabilitytobeaclusterhead.Anditalsotakesintoaccountboththechoiceoftheclusterhead’slocationandthesizeofthenetwork,thenfurtheroptimizesthestructureofthecluster,balancesenergyconsumption,electsmorereasonableclusterheadwhichmakesthelifecycleofsensornetworkshasalargerextensiononthebasisofinLEACHalgorithm.

KeyWords:

Sensornetworks;ClusteringAlgorithms;Theaverageenergyconsumption;NodeDensity

目录

1.绪论1

1.1课题研究背景与意义1

1.2国内外研究现状2

1.3论文结构和研究内容3

1.4小结3

2.传感器网络概述4

2.1传感器网络简介4

2.1.1传感器网络的概念4

2.1.2传感器网络的特点5

2.1.3传感器网络的核心技术6

2.2传感器网络的应用6

2.2.1环境的检测和保护6

2.2.2医疗护理7

2.2.3其他应用7

2.3传感器网络的特点与挑战8

2.4小结9

3.LEACH算法简介及分析10

3.1引言10

3.2LEACH算法10

3.3LEACH算法中存在的问题分析12

3.3.1未考虑簇头在簇结构中位置时存在的问题12

3.3.2频繁动态拓扑变换带来的问题15

3.4小结16

4.能量有效的分布式簇头选取算法17

4.1引言17

4.2EECHS算法17

4.3算法性能分析18

4.4小结20

5.算法仿真实验21

5.1实验平台21

5.2实验设计21

5.3实验过程22

5.4实验结果24

5.5小结26

结论27

致谢29

参考文献30

附录A部分源程序32

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