LEACH 算法MATLAB仿真及其改進(jìn)

1、LEACH 算法MATLAB仿真及其改進(jìn)1. LEACH原理LEACH協(xié)議，全稱是“低功耗自適應(yīng)集簇分層型協(xié)議” (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)，是一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議?；贚EACH協(xié)議的算法，稱為L(zhǎng)EACH算法。LEACH是MIT的Chandrakasan等人為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的低功耗自適應(yīng)聚類路由算法。與一般的平面多跳路由協(xié)議和靜態(tài)聚類算法相比,LEACH可以將網(wǎng)絡(luò)生命周期延長(zhǎng)15%,主要通過(guò)隨機(jī)選擇聚類首領(lǐng),平均分擔(dān)中繼通信業(yè)務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。LEACH定義了“輪”(round)的概念,一輪由初始化和穩(wěn)定工作兩個(gè)階段組成。為了避免額

2、外的處理開(kāi)銷,穩(wěn)定態(tài)一般持續(xù)相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間。在初始化階段,聚類首領(lǐng)是通過(guò)下面的機(jī)制產(chǎn)生的。傳感器節(jié)點(diǎn)生成0,1之間的隨機(jī)數(shù),如果大于閾值T,則選該節(jié)點(diǎn)為聚類首領(lǐng)T的計(jì)算方法如下： （1）其中p為節(jié)點(diǎn)中成為聚類首領(lǐng)的百分?jǐn)?shù),r是當(dāng)前的輪數(shù)。當(dāng)簇頭選定之后，簇頭節(jié)點(diǎn)主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)廣播自己成為簇頭的消息。接收到此消息的節(jié)點(diǎn)，依據(jù)接收信號(hào)的強(qiáng)度，選擇它所要加入的簇，并發(fā)消息通知相應(yīng)的簇頭。基于時(shí)分多址(Time Division Multiple Address，簡(jiǎn)稱TDMA)的方式，簇頭節(jié)點(diǎn)為其中的每個(gè)成員分配通信時(shí)隙，并以廣播的形式通知所有的簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)。這樣保證了簇內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)在指定的傳輸時(shí)隙進(jìn)行數(shù)

3、據(jù)傳輸，而在其他時(shí)間進(jìn)入休眠狀態(tài)，減少了能量消耗。在穩(wěn)定工作階段，節(jié)點(diǎn)持續(xù)采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在自身傳輸時(shí)隙到來(lái)時(shí)把監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳給簇頭節(jié)點(diǎn)，簇頭節(jié)點(diǎn)對(duì)接收到數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理之后，發(fā)送到Sink節(jié)點(diǎn)，這是一種減小通信業(yè)務(wù)量的合理工作模式。持續(xù)一段時(shí)間以后，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入下一輪工作周期，重新選擇簇頭節(jié)點(diǎn)。LEACH協(xié)議采用動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換簇頭的方法來(lái)平均網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量消耗，使因能量耗盡而失效的節(jié)點(diǎn)呈隨機(jī)分布狀態(tài)，因而與一般的多跳路由協(xié)議和靜態(tài)簇算法相比，LEACH可以將網(wǎng)絡(luò)生命周期延長(zhǎng)15%。但是LEACH協(xié)議在每輪固定簇頭節(jié)點(diǎn)后在劃分簇的過(guò)程中，簇頭節(jié)點(diǎn)開(kāi)銷較大。并且簇頭節(jié)點(diǎn)的選擇無(wú)法達(dá)到最優(yōu)，有可能簇頭節(jié)點(diǎn)位于

4、網(wǎng)絡(luò)的邊緣或者幾個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)相鄰，某些節(jié)點(diǎn)不得不傳輸較遠(yuǎn)的距離來(lái)與簇頭通信，這就導(dǎo)致了大量能量消耗。而且LEACH協(xié)議所有簇頭節(jié)點(diǎn)直接與Sink節(jié)點(diǎn)通信，采用連續(xù)數(shù)據(jù)發(fā)送模式和單跳路徑選擇模式，使得每輪中簇頭節(jié)點(diǎn)能耗巨大，因此不適合在大規(guī)模的傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。2. 仿真結(jié)果我們?cè)贛ATLAB編程環(huán)境中首先產(chǎn)生一個(gè)100100的區(qū)域，并在其內(nèi)部隨機(jī)生成一個(gè)含有100個(gè)節(jié)點(diǎn)（坐標(biāo)不同）的連通圖。假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)形成前已知需要傳感的數(shù)據(jù)類型，且能檢測(cè)到出現(xiàn)在其檢測(cè)范圍內(nèi)的事件。設(shè)普通節(jié)點(diǎn)初始初始能量為.mJ。既進(jìn)行2000輪實(shí)驗(yàn)。圖1.初始節(jié)點(diǎn)圖2.存活節(jié)點(diǎn)圖圖3.剩余能量圖圖5.剩余節(jié)點(diǎn)3. 優(yōu)點(diǎn)

5、1 為了減少傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)的信息數(shù)量，簇首節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)融合來(lái)自蔟內(nèi)不同源節(jié)點(diǎn)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，并將融合后的數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚點(diǎn)。2 LEACH采用基于TDMA/CDMA的MAC層機(jī)制來(lái)減少蔟內(nèi)和蔟間的沖突。3 由于數(shù)據(jù)采集是集中的和周期性的，因此該協(xié)議非常適合于要求連續(xù)監(jiān)控的應(yīng)用系統(tǒng)。4 對(duì)于終端使用者來(lái)說(shuō)，由于它并不需要立即得到所有的數(shù)據(jù)，因此協(xié)議不需要周期性的傳輸數(shù)據(jù)，這樣可以達(dá)到限制傳感器節(jié)點(diǎn)能量消耗的目的。5 在給定的時(shí)間間隔后，協(xié)議重新選舉簇首節(jié)點(diǎn)，以保證無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)獲取統(tǒng)一的能量分布。盡管LEACH能夠提高網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間，但是 協(xié)議所使用的假設(shè)條件仍存在著一些值得討論的問(wèn)題。4. 缺點(diǎn)(1)

6、由于LEACH假定所有節(jié)點(diǎn)能夠與匯聚節(jié)點(diǎn)直接通信，并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具備支持不同MAC協(xié)議的計(jì)算能力，因此該協(xié)議不適合在大規(guī)模的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。(2)協(xié)議沒(méi)有說(shuō)明簇頭節(jié)點(diǎn)的數(shù)目怎么分布才能及于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。因此，很可能出現(xiàn)被選的簇首節(jié)點(diǎn)集中在網(wǎng)絡(luò)某一區(qū)域的現(xiàn)象，這樣就會(huì)使得一些節(jié)點(diǎn)的周圍沒(méi)有任何簇頭節(jié)點(diǎn)，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)能耗分布不均勻。 (3)LEACH假設(shè)第一輪的簇頭輪選中所有的節(jié)點(diǎn)擁有相同的能量，并且每個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)都消耗大致相同的能量。因此，協(xié)議不適用于節(jié)點(diǎn)能量不均衡的網(wǎng)絡(luò)。(4)節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)簇頭選舉成為簇頭后發(fā)布廣播消息告知其他節(jié)點(diǎn)。其他節(jié)點(diǎn)根據(jù)與簇頭節(jié)點(diǎn)的距離選擇加入哪個(gè)簇。5. 改進(jìn)方法經(jīng)典的聚

7、類協(xié)議假定所有的節(jié)點(diǎn)都配備了相同數(shù)量的能量，因此，他們不能充分利用節(jié)點(diǎn)異質(zhì)性的存在。SEP協(xié)議，該協(xié)議可以延長(zhǎng)第一個(gè)節(jié)點(diǎn)的死亡時(shí)間（也就是穩(wěn)定期）。穩(wěn)定期的延長(zhǎng)對(duì)于許多應(yīng)用程序是至關(guān)重要的，因?yàn)樗鼈儚膫鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)的反饋要求必須是可靠的。為了延長(zhǎng)穩(wěn)定期，SEP協(xié)議試圖維持均衡的能源消耗。直觀上，SEP協(xié)議高級(jí)節(jié)點(diǎn)（初始能量高的節(jié)點(diǎn)）成為簇頭的概率大于普通的節(jié)點(diǎn)（初始能量低的節(jié)點(diǎn)），這就相當(dāng)于對(duì)于能源消耗的約束。SEP協(xié)議假定每個(gè)節(jié)點(diǎn)知道網(wǎng)絡(luò)的總能量，然后根據(jù)節(jié)點(diǎn)的剩余能量計(jì)算出成為簇頭的最佳概率。開(kāi)始時(shí)先給每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)權(quán)重對(duì)應(yīng)于最優(yōu)概率，權(quán)重必須等于每個(gè)節(jié)點(diǎn)的初始能量除以普通節(jié)點(diǎn)的初始能量。并

8、且還定義為普通節(jié)點(diǎn)加權(quán)選舉的概率，為高級(jí)節(jié)點(diǎn)加權(quán)選舉的概率。 （2） （3）其中a為高級(jí)節(jié)點(diǎn)的初始能量是普通節(jié)點(diǎn)初始能量的倍數(shù)，m為高級(jí)節(jié)點(diǎn)在總節(jié)點(diǎn)數(shù)中所占比例。普通節(jié)點(diǎn)與高級(jí)節(jié)點(diǎn)成為簇頭的閥值分別為和，計(jì)算公式如下： （4） （5）其中r是當(dāng)前輪數(shù)。從而可以保證剩余能量高的節(jié)點(diǎn)成為簇頭的概率大于剩余能量低的節(jié)點(diǎn)。與傳統(tǒng)的LEACH相比有如下優(yōu)勢(shì)：不同節(jié)點(diǎn)的初始能量的不同，SEP協(xié)議選擇能量大的為簇頭從而延長(zhǎng)了第一節(jié)點(diǎn)的死亡時(shí)間，也就是延長(zhǎng)了穩(wěn)定期。由于穩(wěn)定期的延長(zhǎng)，SEP協(xié)議的吞吐量也高于其他聚類協(xié)議。在一個(gè)理想的階段SEP協(xié)議的能量均勻的分布在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)上。6. 結(jié)果比較我們?cè)贛ATLAB編程環(huán)境中首先產(chǎn)生一個(gè)100100的區(qū)域，并在其內(nèi)部隨機(jī)生成一個(gè)含有100個(gè)節(jié)點(diǎn)（坐標(biāo)不同）的連通圖，而且隨機(jī)選擇100*m個(gè)節(jié)點(diǎn)作為高級(jí)節(jié)點(diǎn)。假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)形成前已知需要傳感的數(shù)據(jù)類型，且能檢測(cè)到出現(xiàn)在其檢測(cè)范圍內(nèi)的事件。Sink在網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)，不考慮Sink的能耗。普通節(jié)點(diǎn)初始初始能量為0.5mJ,100*m個(gè)節(jié)點(diǎn)為高級(jí)節(jié)點(diǎn)（所含能量為普通節(jié)點(diǎn)的a倍）。藍(lán)色為L(zhǎng)EACH，紅色為SPE。圖6.存活節(jié)點(diǎn)比較圖7.剩余能量比較7. 結(jié)論從上圖可以看出經(jīng)過(guò)改進(jìn)的LEAC