无线传感器网络中LEACH算法的研究与改进

论文摘要

无线传感器网络是一种新型的无基础设施的无线网络,能够协作地实现监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息,并对其进行处理,传送到需要这些信息的用户。无线传感器网络以其独特的优点,在军事和许多民用领域都具有广泛的应用潜力,得到越来越多的关注,对无线传感器网络各个方面的研究已成为目前学术界的研究热点。由于节点能量和存储空间的限制,无线传感器网络的路由协议必须维持较小的路由信息并尽可能的减少能量消耗。因此,采取有效的措施对现有的路由协议进行改进,对于改善网络整体性能具有重要意义。本文着重对现有的LEACH算法进行了研究和改进。首先从簇头数目的最优化入手对原有的LEACH算法进行了改进,通过公式的推导得出了最优簇头数目的表达式。其次,原有LEACH算法中对簇头的选取是按相同概率随机产生的,从而就会造成簇头节点分布不均的问题,针对这一问题对节点的概率参数的分配进行了改进,根据节点距离基站的远近为节点重新分配相应的概率,解决了能耗分配不均衡的问题。同时针对原有LEACH算法中簇间采用的单跳通信方式,提出了在节能方面更有优势的多跳通信方式,延长了整个网络的生存周期。使用NS网络模拟软件进行仿真验证,对比了改进后的算法和原有LEACH算法的性能,仿真结果表明,改进后的算法使能量分配更均衡,与原有的LEACH算法相比,该算法能有效地降低网络平均能耗,从而较大程度地增加了网络的连续工作时间,延长了节点寿命进而延长了整个网络的寿命,但使用改进后算法的网络其平均传输延时较长,这在今后的研究中还有待提高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 无线传感器网络概述
• 1.1.1 无线传感器网络简介
• 1.1.2 传感器网络的发展历程
• 1.2 无线传感器网络的体系结构
• 1.2.1 节点组成
• 1.2.2 网络体系结构
• 1.3 无线传感器网络的应用与前景
• 1.3.1 无线传感器网络的应用
• 1.3.1.1 军事应用
• 1.3.1.2 环境应用
• 1.3.1.3 医疗应用
• 1.3.1.4 空间探索
• 1.3.1.5 其他商业方面的应用
• 1.3.2 无线传感器网络的发展前景
• 1.4 无线传感器网络的特点及关键技术
• 1.4.1 无线传感器网络的特点和挑战
• 1.4.2 无线传感器网络的关键技术
• 1.5 本论文研究的目的与意义
• 1.6 本论文的主要工作与篇章结构
• 第二章 无线传感器网络路由协议的研究
• 2.1 无线传感器网络路由协议概述
• 2.2 无线传感器网络路由协议的分类
• 2.2.1 按源节点获取路径的划分
• 2.2.2 按节点参与通信的方式划分
• 2.2.3 按路由发现过程的划分
• 2.3 无线传感器网络路由协议的分析和比较
• 2.3.1 洪泛（Flooding）算法和闲聊（Gossiping）算法
• 2.3.2 随机漫步（Random Walking）路由方法
• 2.3.3 定向扩散（Directed Diffusion）路由
• 2.3.4 谣传路由（Rumor Routing）
• 2.3.5 LEACH（low energy adaptive clustering hierarchy）算法
• 2.3.6 高能效传感信息采集协议（PEGASIS）
• 2.3.7 阈值敏感的高能效传感器网络协议（TEEN）
• 2.3.8 基于协商机制的传感器网络协议（SPIN）
• 2.3.9 最小开销前向算法（MCFA）
• 2.4 无线传感器网络路由设计中的考虑因素
• 2.5 小结
• 第三章 LEACH算法的改进研究
• 3.1 LEACH算法介绍
• 3.1.1 LEACH算法的物理模型
• 3.1.2 初始化阶段
• 3.1.3 稳定运行阶段
• 3.2 LEACH算法的改进
• 3.2.1 最优簇头数目的选取
• 3.2.2 簇头节点的均衡分配
• 3.2.3 簇头节点间的多跳通信
• 3.3 小结
• 第四章 仿真测试及性能分析
• 4.1 网络仿真软件NS介绍
• 4.2 LEACH算法在NS中的实现
• 4.2.1 NS中移动节点的结构
• 4.2.2 MAC层采用的协议
• 4.2.3 能量消耗的设定
• 4.2.4 仿真参数的描述
• 4.2.5 仿真结果的可视化
• 4.2.6 仿真结果的格式
• 4.2.7 仿真结果的分析方法
• 4.3 程序的主要模块
• 4.4 性能分析
• 4.4.1 最优簇头数目的性能仿真
• 4.4.2 簇间多跳通信与单跳通信的性能比较
• 4.4.3 生命周期的比较
• 4.4.4 整体能量消耗的比较
• 4.4.5 传输延迟的比较
• 4.5 小结
• 第五章 结论和展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢