《基于分層多簇模型的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議設(shè)計(jì)》13000字（論文）

基于分層多簇模型的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-1"\h\z\u\t"標(biāo)題2,1,標(biāo)題3,1,標(biāo)題4,1,標(biāo)題5,1"3076摘要 12399關(guān)鍵詞 194811緒論 2213761.1課題的研究背景 2115071.2課題的研究現(xiàn)狀 269782無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分析 394252.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念及特點(diǎn) 3320932.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu) 3317422.2.1節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu) 3285422.2.2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 4282282.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù) 5122393路由算法分析 652563.1路由過程及特點(diǎn)需求 63773.2平面路由算法分析 6255393.2.1泛洪法 646733.2.2SPIN算法 7216723.2.3DD算法 8312353.3常見典型分簇路由協(xié)議 84333.3.1LEACH算法 928433.3.2PEGASIS算法 9139313.3.3TEEN算法 1089583.3.4TTDD算法 105623.4典型路由算法的性能比較 10257294LEACH協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 11127344.1LEACH的運(yùn)作機(jī)制 11209194.1.1成簇階段 11282104.1.2穩(wěn)定傳輸階段 12105584.2LEACH協(xié)議的實(shí)現(xiàn) 13300944.2.1環(huán)境配置 13193184.2.2LEACH協(xié)議的移植 13162984.3仿真實(shí)驗(yàn) 14199634.4LEACH協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn) 16154054.5改進(jìn)協(xié)議LEACH-C 17226114.5.1改進(jìn)策略 17310064.5.2LEACH協(xié)議與LEACH-C的仿真比較 17314134.6實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 19161205總結(jié) 2022123參考文獻(xiàn) 21摘要：近年來，隨著第四次工業(yè)革命的到來，人工智能、機(jī)器人技術(shù)、可控核聚變等技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)更是代表了第四次工業(yè)革命的全方位展開。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)最為重要的關(guān)鍵技術(shù)之一，對(duì)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展有舉足輕重的作用。針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)能量會(huì)大幅度限制其生存周期的問題，一個(gè)能節(jié)約能量從而有效延長網(wǎng)絡(luò)生命周期的協(xié)議至關(guān)重要。目前，許多成熟可靠的路由協(xié)議已經(jīng)被提出，本文在系統(tǒng)研究過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)、發(fā)展現(xiàn)狀后，詳細(xì)分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的幾種經(jīng)典路由協(xié)議算法，并對(duì)于分簇路由協(xié)議中的LEACH協(xié)議作出著重研究，對(duì)傳統(tǒng)LEACH協(xié)議做出仿真。關(guān)鍵詞：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)LEACH協(xié)議引言無線傳感器的路由協(xié)議根據(jù)節(jié)點(diǎn)規(guī)劃的層次，可以分為平面路由協(xié)議和分簇路由協(xié)議兩種。因?yàn)樾枰S護(hù)大量路由表的緣故，平面路由協(xié)議只在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小時(shí)適用；而分簇路由協(xié)議通過建立分層多簇的模型，令能量較高的節(jié)點(diǎn)成為簇頭，來收集融合簇成員節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的數(shù)據(jù)信息，并將處理后的精簡信息轉(zhuǎn)發(fā)到基站，從而有效提高了能量利用率。第一個(gè)被提出的分簇路由協(xié)議是LEACH(LowEnergyAdaptiveClusteringHierarchy)路由協(xié)議，對(duì)整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展都具有十分重要的作用。但是，隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的日漸成熟，LEACH路由協(xié)議的缺點(diǎn)也越來越明顯，LEACH-C協(xié)議就是針對(duì)LEACH協(xié)議的不足所提出的改進(jìn)方案。本文在對(duì)二者進(jìn)行了仿真分析的基礎(chǔ)上，研究了改進(jìn)簇頭選取機(jī)制、延長網(wǎng)絡(luò)壽命的有關(guān)內(nèi)容。緒論課題的研究背景物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展與傳感器密不可分。在2011年，德國率先提出了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的概念，之后工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)被廣泛應(yīng)用于改善大規(guī)模的工業(yè)環(huán)境之中，其中就包含了制造業(yè)、物流、能源和航空等行業(yè)的改良。除此之外，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)還利用從小型環(huán)境傳感器到供應(yīng)鏈監(jiān)控和高級(jí)分析等一系列工具和技術(shù)，做出更好的業(yè)務(wù)決策并獲得競爭優(yōu)勢REF_Ref25407\r\h[1]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的已成為信息領(lǐng)域研究的熱門話題之一，在農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、工業(yè)、軍事、智能交通等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，或?qū)⒊蔀槲磥戆l(fā)展不可或缺的角色。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展離不開無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的支撐，研究面向物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器，對(duì)于我們的日常生活也有著很大的意義REF_Ref26204\r\h[2]。傳感器網(wǎng)絡(luò)以節(jié)點(diǎn)為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有獲取數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、傳送數(shù)據(jù)的功能，是整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)的重要基石。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)更是展現(xiàn)了無限的發(fā)展空間REF_Ref30036\r\h[3]。與傳統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)不同，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由數(shù)目十分龐大的傳感器節(jié)點(diǎn)相互通信所構(gòu)成，環(huán)境的影響或者是節(jié)點(diǎn)能量的減少都會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的通信效果差。又因?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常應(yīng)用于惡劣環(huán)境中，這些環(huán)境通常來說人類無法靠近，節(jié)點(diǎn)能源無法得到更換和補(bǔ)充，因此，能夠有效地減少能量損耗的數(shù)據(jù)傳輸策略是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)亟待解決的核心問題。課題的研究現(xiàn)狀工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)都具有十分廣泛而深遠(yuǎn)的發(fā)展應(yīng)用前景。在1998年，美國已經(jīng)構(gòu)建了“智能微塵”的計(jì)劃書，其本質(zhì)即是一種沙粒大小的微型傳感器，可伴隨著武器、物資、運(yùn)輸線等進(jìn)入敵軍陣地，從而無孔不入地獲取情報(bào)，達(dá)到監(jiān)視敵軍的效果。在經(jīng)濟(jì)與商業(yè)方面，英特爾提出了與智能微塵十分相似的概念，通過向人體中植入小型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，從而將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于臨床醫(yī)療、火災(zāi)預(yù)防、身體健康分析等等。在我國而言，中國的經(jīng)濟(jì)正處于騰飛階段，步入了中高速增長的新常態(tài)，但制造業(yè)仍然是大而不強(qiáng)的。在此背景下，國務(wù)院于2015年5月發(fā)布了《中國制造2025》來指引我國的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型發(fā)展REF_Ref6209\r\h[4]。目前，我國的絕大多數(shù)企業(yè)目前仍然未達(dá)到第四次工業(yè)革命的水準(zhǔn)，在成本控制、生產(chǎn)效率和流程管理這三個(gè)方面仍然采用人工、抽樣等非智能化的方式，依舊由很大的提升空間。這種情況下，我們要解決的問題主要有兩個(gè)，第一是最基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)能力與制造能力的問題，第二是智能化的問題。目前對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究已經(jīng)證實(shí)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)的能量主要消耗在數(shù)據(jù)的傳輸這一模塊，因此選用恰當(dāng)?shù)穆窂絹韨鬏敂?shù)據(jù)就顯得十分重要，這不僅能夠節(jié)約資源能量，有效地延長傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命，更能夠提高數(shù)據(jù)的傳輸效率，令網(wǎng)絡(luò)高效實(shí)用。而LEACH協(xié)議作為早期經(jīng)典的上層路由協(xié)議之一，其基于分簇的思想對(duì)早期無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展起到了不可或缺的作用，但LEACH協(xié)議在簇首選舉和能量均衡方面仍有很大的進(jìn)步空間，因此成為眾多研究的重點(diǎn)問題。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分析無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念及特點(diǎn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量能量、功耗有限制的傳感器節(jié)點(diǎn)在環(huán)境中分布組成的，這些節(jié)點(diǎn)可以感知周圍環(huán)境，并將這些物理信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息，進(jìn)行各種計(jì)算并存儲(chǔ)REF_Ref20107\r\h[5]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常具有以下特點(diǎn)：規(guī)模大。此處的大規(guī)模意指兩處，其一，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測區(qū)域大，傳感器節(jié)點(diǎn)所能夠收集數(shù)據(jù)的范圍是十分大的；其二，節(jié)點(diǎn)的數(shù)量多，一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可能包含了數(shù)以萬計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)。自組織。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，沒有中心節(jié)點(diǎn)的概念，因此也就沒有任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)承擔(dān)組建網(wǎng)絡(luò)的責(zé)任，所有節(jié)點(diǎn)是采用自組織的方式建立起網(wǎng)絡(luò)連接的，這就代表著，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)隨著節(jié)點(diǎn)的死亡而產(chǎn)生變化。因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)更適用于環(huán)境惡劣，無法人工修理的地方?？煽啃?。由自組織性可以看出，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)目的之一就是為了在惡劣環(huán)境、極端天候之下傳遞信息進(jìn)行收集工作，因此節(jié)點(diǎn)必須具備過硬的硬件條件，能夠應(yīng)對(duì)任何惡劣的環(huán)境條件。多跳路由。傳感器節(jié)點(diǎn)體積小、能量有限、無法補(bǔ)充能量的局限性致使它不可能進(jìn)行長距離通信，只能在鄰居節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行信息的傳遞。因此，在傳輸信息時(shí)，節(jié)點(diǎn)只能通過多跳發(fā)送的方式，由鄰居節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，每個(gè)節(jié)點(diǎn)既發(fā)送數(shù)據(jù)，也要傳遞數(shù)據(jù)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都必須擁有收發(fā)數(shù)據(jù)的模塊。數(shù)據(jù)融合。當(dāng)節(jié)點(diǎn)之間的距離很近時(shí)，他們收集到的數(shù)據(jù)也會(huì)十分相似，甚至完全相同。如果將這些相似的數(shù)據(jù)都發(fā)送給與外界相連的匯聚節(jié)點(diǎn)，既會(huì)造成系統(tǒng)資源的浪費(fèi)，增大網(wǎng)絡(luò)的擁塞，也會(huì)給匯聚節(jié)點(diǎn)帶來很多冗余數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)融合技術(shù)的思想是，將網(wǎng)絡(luò)底層中有效的數(shù)據(jù)整合提取出來，避免不必要的能量消耗REF_Ref26418\r\h[6]。以數(shù)據(jù)內(nèi)容為中心。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)只關(guān)注數(shù)據(jù)的有效性，并不在乎該信息的來源。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)一般來說，傳感器的節(jié)點(diǎn)是一個(gè)微型的嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，出于控制成本的要求，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)通常是要以簡單的結(jié)構(gòu)、較小的體積作為目標(biāo)來進(jìn)行設(shè)計(jì)，在這樣的硬件條件下，傳感器節(jié)點(diǎn)不可能具備較高的處理能力、存儲(chǔ)能力以及通信能力。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)大多應(yīng)用于惡劣的條件，無法做到人工補(bǔ)充能量，因此，一旦電源耗盡，節(jié)點(diǎn)就會(huì)死亡。無線傳感器設(shè)計(jì)的首要目的就是在于延長整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期，因此，通信協(xié)議的設(shè)計(jì)的核心目的都是解決能量，設(shè)計(jì)硬件時(shí)，也會(huì)盡量選用功耗低的器件。傳感器節(jié)點(diǎn)由能源供應(yīng)模塊、傳感器模塊、處理器模塊和無線通信模塊四部分組成，如REF_Ref8439\h圖STYLEREF1\s2-1所示。圖STYLEREF1\s2-SEQ圖\*ARABIC\s11無線傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)由此圖可以明顯看出，傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，并具有模塊化的特性。其中，傳感器模塊具有采集數(shù)據(jù)的功能，負(fù)責(zé)監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的對(duì)象，獲取相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。處理器模塊負(fù)責(zé)處理截獲的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行節(jié)點(diǎn)內(nèi)部和外部的數(shù)據(jù)交換工作。通信模塊負(fù)責(zé)與其他的節(jié)點(diǎn)取得聯(lián)系，而通信方式通常采用無線通信，這也是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)之間最大的不同之處。能源模塊則提供了傳感器節(jié)點(diǎn)運(yùn)行所需要的能量，是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的心臟，通常采用微型電池作為供能硬件。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)從體系結(jié)構(gòu)上來看，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由三部分不同的節(jié)點(diǎn)組成，分別是：傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、管理節(jié)點(diǎn)。這其中，管理節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)之間通過衛(wèi)星、互聯(lián)網(wǎng)、無線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交流互通。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系如REF_Ref9239\h圖STYLEREF1\s2-2所示。圖STYLEREF1\s2-SEQ圖\*ARABIC\s12無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)目前普通的傳感器節(jié)點(diǎn)的供電方式為微型電池供電，無法得到能量的補(bǔ)充，因此能量有限。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的效能層面來看，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都是具有雙重角色、雙重任務(wù)的。第一，節(jié)點(diǎn)要作為普通的網(wǎng)絡(luò)終端，進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集；第二，要作為網(wǎng)絡(luò)的路由器，進(jìn)行對(duì)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和處理工作REF_Ref6227\r\h[7]。相對(duì)于傳感器節(jié)點(diǎn)而言，匯聚節(jié)點(diǎn)能量更多，可以處理的數(shù)據(jù)量也更大，其本質(zhì)即是特殊的傳感器節(jié)點(diǎn)。從某種程度上說，匯聚節(jié)點(diǎn)很像是一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)與外界進(jìn)行溝通的門，形似將內(nèi)部IP地址轉(zhuǎn)換為外部公用的IP地址的NAT協(xié)議，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與外界相連的通道，實(shí)現(xiàn)了兩種通信協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換。對(duì)內(nèi)，匯聚節(jié)點(diǎn)收集信息、處理信息，甚至具備了一定的匯編能力；對(duì)外，匯聚節(jié)點(diǎn)將外部命令對(duì)內(nèi)部傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳達(dá)，起到了橋梁作用。管理節(jié)點(diǎn)則顧名思義，類似于系統(tǒng)內(nèi)的管理員的角色，可以動(dòng)態(tài)有效的管理無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)的位置無從得知，但通過對(duì)管理節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理和更改，管理員可以有效的了解整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)狀況。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)人類未來的價(jià)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出我們的想象。作為新興科技之一，有許多指標(biāo)可以用來評(píng)判無線傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)劣，其中最重要的兩個(gè)指標(biāo)是能耗和數(shù)據(jù)安全，現(xiàn)階段的研究也是通過改良這兩點(diǎn)來進(jìn)行的。而實(shí)現(xiàn)降低能耗和保證數(shù)據(jù)安全性兩個(gè)目的，其關(guān)鍵因素在于以下技術(shù)：路由技術(shù)。在上節(jié)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)中，已經(jīng)說明了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)的供電方式為電池供電，電池的能量是有限的，并且不能夠得到補(bǔ)充，因此高效節(jié)能并且能夠最迅速傳遞信息的路由算法十分重要。除此以外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)死亡情境之后，自組織的無線網(wǎng)絡(luò)也會(huì)發(fā)生對(duì)應(yīng)的變化，所以一個(gè)具有易擴(kuò)展性、健壯性的路由算法是十分必要的。網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)。因?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)性和節(jié)點(diǎn)數(shù)目大的特性，以及對(duì)地形和天候并無嚴(yán)苛的要求，所以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)被廣泛應(yīng)用于軍事、商業(yè)、醫(yī)療健康等領(lǐng)域，這就需要較高的信息安全度和傳輸過程的安全度。這其中混沌加密技術(shù)、秘鑰管理協(xié)議、數(shù)字水印認(rèn)證技術(shù)和防火墻技術(shù)是較為常用的為節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸提供安全的方式。數(shù)據(jù)融合技術(shù)。上文已論述過，鄰近的節(jié)點(diǎn)所收集的信息很有可能是相似甚至相同的，好的數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以降低相似數(shù)據(jù)的傳輸，減小匯聚節(jié)點(diǎn)的工作量，提高傳輸效率，達(dá)到節(jié)約能量、延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命的目的。定位技術(shù)。在很多特殊的環(huán)境中，不只需要接收節(jié)點(diǎn)傳送來的數(shù)據(jù)，還需要接收數(shù)據(jù)的位置。譬如污染物的管控系統(tǒng)、礦物的挖掘系統(tǒng)等，單純接收數(shù)據(jù)而沒有數(shù)據(jù)所處的位置是沒有意義的。因此，在不同的應(yīng)用環(huán)境中，好的定位系統(tǒng)是十分重要的，否則會(huì)導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的低效。路由算法分析路由過程及特點(diǎn)需求無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由算法的思想與RIP路由協(xié)議的思想類似，各節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個(gè)包含了下一跳節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)信息的路由表，節(jié)點(diǎn)在接收到數(shù)據(jù)后，通過目的節(jié)點(diǎn)的地址來查找路由表，找到合適的下一跳節(jié)點(diǎn)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組建網(wǎng)絡(luò)時(shí)是動(dòng)態(tài)組建網(wǎng)絡(luò)的，這意味著網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫窃诓粩嗟刈兓?，路由表也要隨著拓?fù)涞淖兓M(jìn)行更新。節(jié)點(diǎn)通過不停地更新路由表的信息，來適應(yīng)不多變化的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，使得自行組建的網(wǎng)絡(luò)一直維持穩(wěn)健。傳統(tǒng)的路由算法不需要考慮節(jié)點(diǎn)的能耗問題，把首要目的放在了減少數(shù)據(jù)分組在傳輸中的跳數(shù)并且兼顧網(wǎng)絡(luò)帶寬上，然而，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)能量無法得到補(bǔ)充，十分有限，因此延長網(wǎng)絡(luò)的使用壽命才是算法設(shè)計(jì)的首要目的。而目前的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由算法，通常從以下幾方面進(jìn)行：第一，減少可避免的通信量。在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，節(jié)點(diǎn)間的通信消耗能量最多，因此減少數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)可以有效延長網(wǎng)絡(luò)壽命。這就需要良好的數(shù)據(jù)融合技術(shù)支持。第二，提高容錯(cuò)性。當(dāng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行到后半時(shí)，很可能已經(jīng)出現(xiàn)很多節(jié)點(diǎn)已經(jīng)死亡的情況，提高網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)性，即提供多條路徑來傳輸數(shù)據(jù)，增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)間的聯(lián)系，避開已經(jīng)死亡的節(jié)點(diǎn)。第三，均衡通信負(fù)載。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，如果某個(gè)節(jié)點(diǎn)需要傳輸大量的數(shù)據(jù)，其鄰居節(jié)點(diǎn)也會(huì)進(jìn)行較多次數(shù)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，這樣很容易導(dǎo)致某個(gè)區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)大量接連死亡，因此，使網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡，有利于提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。平面路由算法分析平面路由算法的設(shè)計(jì)通常來說較為簡單，并且硬件條件都容易實(shí)現(xiàn)。在這種路由算法里，目的節(jié)點(diǎn)通常為匯聚節(jié)點(diǎn)，傳感器內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的地位相同，進(jìn)行的工作也相同，因此能耗方面較為均衡，不會(huì)出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)大量死亡的情況。這種傳感器網(wǎng)絡(luò)的缺點(diǎn)也十分明顯，它的擴(kuò)展性較差，環(huán)境情況復(fù)雜時(shí)很容易無法妥善處理。在平面路由協(xié)議中，比較經(jīng)典的有以下幾種。泛洪法最早提出的平面路由算法是泛洪法。作為最經(jīng)典的平面路由協(xié)議，它的思想是，傳感器節(jié)點(diǎn)收集數(shù)據(jù)之后，會(huì)將收集到的數(shù)據(jù)包傳輸給周圍的所有鄰居節(jié)點(diǎn)，鄰居節(jié)點(diǎn)再向自己的鄰居節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)或者過期。泛洪法的思想十分簡單，它不需要額外的空間來用于關(guān)注網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔?，?jié)點(diǎn)的死亡對(duì)數(shù)據(jù)傳輸毫無影響；更不需要耗費(fèi)能量進(jìn)行計(jì)算下一跳路由，很容易實(shí)現(xiàn)并且具有健壯性。泛洪法的缺點(diǎn)也十分顯著：毫無策略地傳輸數(shù)據(jù)會(huì)導(dǎo)致一些無用的、全然不必要的能量耗費(fèi)，甚至是會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)的重復(fù)傳輸。如圖3-1左圖所示，A和B兩個(gè)節(jié)點(diǎn)是距離很近的兩個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)，在無數(shù)據(jù)融合的情況下，他們對(duì)環(huán)境的感知不會(huì)有太大差距，采集到的數(shù)據(jù)是相似的，甚至相同，這就產(chǎn)生了傳輸?shù)闹丿B現(xiàn)象。更為嚴(yán)重的是，如果相似數(shù)據(jù)包都進(jìn)行泛洪傳輸，會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)收到相同的數(shù)據(jù)信息，引發(fā)數(shù)據(jù)內(nèi)爆。如圖3-1右圖所示，S節(jié)點(diǎn)接收到的信息通過泛洪法傳輸給了它的鄰居節(jié)點(diǎn)A、B和C，繼續(xù)泛洪傳遞消息時(shí)，節(jié)點(diǎn)D會(huì)收到來自A、B、C節(jié)點(diǎn)發(fā)送的同一數(shù)據(jù)信息，引起數(shù)據(jù)內(nèi)爆。而這三個(gè)相同的消息是本可以避免的，這種能量的浪費(fèi)對(duì)于有限能量的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說十分致命。圖STYLEREF1\s3-SEQ圖\*ARABIC\s11重疊現(xiàn)象(左)與數(shù)據(jù)內(nèi)爆（右）為了防止重疊與內(nèi)爆現(xiàn)象，在泛洪法的基礎(chǔ)上，研究人員提出了改進(jìn)算法閑聊法，從向所有鄰居節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)改為了只向某一個(gè)隨機(jī)的鄰居節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)，即進(jìn)行“閑聊”。但這樣造就了新的問題，由于節(jié)點(diǎn)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)沒有把握，因此也無法知道進(jìn)行閑聊的節(jié)點(diǎn)是否距目的節(jié)點(diǎn)更近，很容易造成數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)亂竄，并沒有從根本上解決問題。SPIN算法鑒于泛洪法的問題和缺點(diǎn)，以數(shù)據(jù)為中心的SPIN協(xié)議被提出并得到了重視。這是一種基于協(xié)商機(jī)制的自適應(yīng)的路由協(xié)議，它將數(shù)據(jù)分為了三種不同的數(shù)據(jù)包，分別是ADV、REQ和DATA。其中ADV廣播數(shù)據(jù)包，它的大小遠(yuǎn)小于數(shù)據(jù)本身的大小，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)，定位下一跳該在哪里時(shí)，就廣播發(fā)送ADV數(shù)據(jù)包。節(jié)點(diǎn)接收到ADV包，認(rèn)為自己需要該數(shù)據(jù)，并決定接收該數(shù)據(jù)包時(shí)，就發(fā)送REQ請(qǐng)求包，否則拋棄ADV包。源節(jié)點(diǎn)收到REQ請(qǐng)求包之后，發(fā)送DATA數(shù)據(jù)包來傳輸數(shù)據(jù)給需求節(jié)點(diǎn)REF_Ref9705\r\h[8]。這種方法假設(shè)了每個(gè)節(jié)點(diǎn)都知道自己需要接受的收據(jù)，即每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是匯聚節(jié)點(diǎn)。而廣播方式傳送的ADV數(shù)據(jù)包比廣播正常數(shù)據(jù)要節(jié)省很多能量，通過這樣的協(xié)商機(jī)制，SPIN協(xié)議在一定程度上避免了泛洪算法中存在的內(nèi)爆和重疊問題。但是SPIN算法無法徹底解決傳送數(shù)據(jù)時(shí)能耗的浪費(fèi)問題，ADV數(shù)據(jù)包雖然比正常數(shù)據(jù)包小很多，但傳送時(shí)仍然是隨機(jī)方向傳送的，在大規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)里仍會(huì)引起數(shù)據(jù)內(nèi)爆和重疊的問題。SPIN與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)算法具有相似之處，這種類似“三次握手”的數(shù)據(jù)傳遞方式很好地均衡了網(wǎng)絡(luò)的效能。圖STYLEREF1\s3-SEQ圖\*ARABIC\s12SPIN算法工作步驟DD算法DD算法又稱定向擴(kuò)散算法，這是一種以定向擴(kuò)散為基礎(chǔ)的多跳平面路由協(xié)議，DD算法在工作時(shí)依賴查詢機(jī)制，工作過程主要由三個(gè)步驟構(gòu)成：興趣消息的擴(kuò)散、梯度的建立和路徑增強(qiáng)REF_Ref10721\r\h[9]。興趣消息的擴(kuò)散是通過洪泛進(jìn)行的，網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)接收有選擇的接收消息，選擇自己所需要的消息，這同時(shí)，路由的路徑也已經(jīng)被建立了，傳輸數(shù)據(jù)時(shí)從興趣路徑出發(fā)，最終到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)。圖STYLEREF1\s3-SEQ圖\*ARABIC\s13DD算法工作原理常見典型分簇路由協(xié)議分簇路由協(xié)議，也被稱為層次路由協(xié)議REF_Ref10893\r\h[10]。在設(shè)計(jì)的角度看，這類類協(xié)議由兩部分組成，第一部分是分簇算法，第二部分是路由協(xié)議。分簇算法的作用是選擇簇頭，規(guī)定了鄰居節(jié)點(diǎn)誰可以入簇，確定了成為簇內(nèi)成員的準(zhǔn)則；路由協(xié)議主要用于確定轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的下一跳節(jié)點(diǎn)，也就是建立信息的傳輸路徑，形成一條從最遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)（信源）到匯聚節(jié)點(diǎn)（信宿）的鏈路。分簇路由協(xié)議與平面路由協(xié)議有很多不同，其中最大的差異在于，平面路由協(xié)議中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)具有平等的地位，它們功用相同、能量相同。但分簇路由協(xié)議引入了簇的概念，每個(gè)簇中存在簇頭節(jié)點(diǎn)，簇頭節(jié)點(diǎn)的能量高于其他節(jié)點(diǎn)。因?yàn)榇仡^除了要進(jìn)行每個(gè)普通節(jié)點(diǎn)都進(jìn)行的數(shù)據(jù)收集以外，還要收集、處理、轉(zhuǎn)發(fā)普通節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。這樣的設(shè)計(jì)方式令普通節(jié)點(diǎn)只需要進(jìn)行消耗能量較小的信息采集工作，而后耗費(fèi)較小的代價(jià)將信息傳送給相距距離很近的簇首節(jié)點(diǎn)。這種設(shè)計(jì)均衡了網(wǎng)絡(luò)的能量值，令每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有較長的生存周期。圖STYLEREF1\s3-SEQ圖\*ARABIC\s14分簇路由結(jié)構(gòu)LEACH算法LEACH算法是最早被提出的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的層次路由算法，它的分簇思想在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中具有重要地位，許多在之后提出的分層路由算法，都是建立在對(duì)LEACH算法的研究和改進(jìn)之上的。LEACH算法以“輪”的概念來組織數(shù)據(jù)的傳送，在進(jìn)行時(shí)由兩個(gè)步驟組成，第一步是初始化階段，第二步是數(shù)據(jù)傳輸。在初始化階段，首先開始對(duì)簇首進(jìn)行選舉。每一輪中，節(jié)點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)，上一輪當(dāng)選過簇頭的節(jié)點(diǎn)，基于能量均衡的思想，必須退出選舉。其余節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)低于閾值，則就當(dāng)選為簇頭節(jié)點(diǎn)，高于閾值則成為普通節(jié)點(diǎn)。簇首選舉完成后，其他節(jié)點(diǎn)會(huì)就近入簇，這樣初始化階段結(jié)束，數(shù)據(jù)傳輸階段啟動(dòng)。普通節(jié)點(diǎn)的工作是收集數(shù)據(jù)，而簇頭節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)傳輸數(shù)據(jù)、與其他簇首節(jié)點(diǎn)通信，最終將數(shù)據(jù)傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)。LEACH算法通過形成簇均衡了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，同時(shí)節(jié)約了能耗。簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)只需要維護(hù)簇首的路由，降低了節(jié)點(diǎn)的消耗。但隨機(jī)選取簇首節(jié)點(diǎn)的方式令網(wǎng)絡(luò)有節(jié)點(diǎn)過早死亡的隱患。有關(guān)LEACH算法的內(nèi)容將在第四章節(jié)詳細(xì)介紹。PEGASIS算法PEGASIS算法是S.Lindsey等人提出的一種LEACH算法的改進(jìn)算法，基于鏈狀結(jié)構(gòu)的PEGASIS算法對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有更好的管理能力。與LEACH相同，它也采取了分簇的思想。但不同的是，PEGASIS只要求有一個(gè)簇，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只與離它最近的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，這樣一來就形成了一條單向的鏈，數(shù)據(jù)從鏈尾送去鏈?zhǔn)讜r(shí)，每經(jīng)過一個(gè)節(jié)點(diǎn)，都會(huì)進(jìn)行一次數(shù)據(jù)融合，將收到的消息與本地消息進(jìn)行比對(duì)融合，再共同發(fā)送給下一跳節(jié)點(diǎn)，直到鏈?zhǔn)?。鏈?zhǔn)坠?jié)點(diǎn)的作用與簇首節(jié)點(diǎn)作用相同，都負(fù)責(zé)將信息傳送給匯聚節(jié)點(diǎn)。圖STYLEREF1\s3-SEQ圖\*ARABIC\s15PEGASIS的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)顯然PEGASIS算法優(yōu)點(diǎn)顯著，每次只形成一個(gè)簇降低了成簇能耗，并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)只需要和最鄰近的節(jié)點(diǎn)通信，也降低了通信的能耗。每一輪算法都選取不同的節(jié)點(diǎn)作為鏈?zhǔn)坠?jié)點(diǎn)有利于網(wǎng)絡(luò)的能量均衡。但是，PEGASIS算法是默認(rèn)了節(jié)點(diǎn)不動(dòng)并可以獲取其他節(jié)點(diǎn)的位置，這使得網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性變差，不利于對(duì)即時(shí)通訊要求高的系統(tǒng)。并且，數(shù)據(jù)通過鏈尾傳遞到鏈?zhǔn)坠?jié)點(diǎn)后，顯然最終鏈?zhǔn)坠?jié)點(diǎn)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量會(huì)變得十分龐大，很容易導(dǎo)致鏈?zhǔn)坠?jié)點(diǎn)失效死亡。TEEN算法TEEN算法是也一種基于LEACH算法的改進(jìn)型路由算法，它的設(shè)計(jì)目的是便于響應(yīng)式的應(yīng)用。TEEN算法是并不每時(shí)每刻都將數(shù)據(jù)傳送，只在周圍的環(huán)境發(fā)生變化之后才傳送數(shù)據(jù)，即一種反應(yīng)式的路由。TEEN算法的工作流程與LEACH相似，在初始化階段基本相同，但數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，TEEN算法設(shè)置了軟閾值、硬閾值兩個(gè)閾值，用這兩個(gè)閾值來控制數(shù)據(jù)發(fā)送的次數(shù)，以此來控制節(jié)點(diǎn)的能耗。在數(shù)據(jù)傳輸之前，簇頭節(jié)點(diǎn)將告知普通節(jié)點(diǎn)硬閾值，當(dāng)采集的數(shù)據(jù)未達(dá)到硬閾值時(shí)，節(jié)點(diǎn)不需要將數(shù)據(jù)傳送給簇頭，當(dāng)數(shù)據(jù)超過了硬閾值，傳輸給簇頭的同時(shí)，該數(shù)值成為新的硬閾值，并由簇首節(jié)點(diǎn)傳輸給匯聚節(jié)點(diǎn)。之后簇首并不是每次都將簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)傳來的數(shù)據(jù)傳送給匯聚節(jié)點(diǎn)，而是在數(shù)據(jù)與硬閾值的差值大于軟閾值時(shí)才傳送。顯然，通過設(shè)置軟硬閾值的方式，TEEN算法減少了數(shù)據(jù)傳輸量，降低了傳輸數(shù)據(jù)的能耗，但在無法確認(rèn)閾值時(shí)，數(shù)據(jù)也就無法傳送，造成了實(shí)時(shí)性較差的缺點(diǎn)。TTDD算法TTDD算法的設(shè)計(jì)目的是為了針對(duì)非單一匯聚節(jié)點(diǎn)的情況。當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)有多個(gè)或者匯聚節(jié)點(diǎn)在移動(dòng)時(shí)，TTDD算法是十分實(shí)用的，在傳送消息時(shí)，TTDD將消息傳播給周圍的節(jié)點(diǎn)，這些接收消息的節(jié)點(diǎn)就成為了交叉點(diǎn)。交叉點(diǎn)再向它的鄰居節(jié)點(diǎn)傳播消息，構(gòu)建新的交叉點(diǎn)，令數(shù)據(jù)擴(kuò)散，直到數(shù)據(jù)過期或者傳送到了網(wǎng)絡(luò)的邊緣。當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)查詢消息時(shí)，也是通過數(shù)據(jù)擴(kuò)散的方式，將待查詢數(shù)據(jù)傳送給最近的交叉點(diǎn)，再由交叉點(diǎn)依次向下傳送，再經(jīng)由相同路徑傳播回來，交送給匯聚節(jié)點(diǎn)。這種格狀的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)很容易應(yīng)對(duì)匯聚節(jié)點(diǎn)在不斷移動(dòng)或者是有多個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)的情況，網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性較好，但每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要維護(hù)的路由表較多，每次數(shù)據(jù)傳送能耗比較大。典型路由算法的性能比較通過上兩節(jié)的分析，我們可以比較得出，層次型路由比平面型路由更有優(yōu)勢和實(shí)用價(jià)值。具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：在能量方面，平面路由算法的節(jié)能策略大都集中在選擇最優(yōu)的傳輸路徑上，而分簇路由的節(jié)能粗略更多樣，通過不同的建立簇的方式、不同的信息傳播路徑都可以起到節(jié)能的效果。平面路由算法的路徑是固定的，這種方式令整個(gè)網(wǎng)路會(huì)產(chǎn)生能量不均的情況，會(huì)導(dǎo)致某些節(jié)點(diǎn)的過早死亡。而層次路由動(dòng)態(tài)構(gòu)造路徑的方式有利于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量均衡，第一個(gè)死亡節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間往往遠(yuǎn)超平面路由算法。在路由表方面，平面路由算法需要維護(hù)的路由表很大，并且路由表是動(dòng)態(tài)的，節(jié)點(diǎn)需要知曉所有鄰居節(jié)點(diǎn)甚至更多節(jié)點(diǎn)的所在位置，才能不斷地適應(yīng)在變化中的網(wǎng)絡(luò)。但分簇路由協(xié)議不同，簇內(nèi)的普通節(jié)點(diǎn)并不進(jìn)行與基站或者是匯聚節(jié)點(diǎn)的通信，只需要知曉自己簇頭節(jié)點(diǎn)所在位置，維護(hù)與簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信的路由表，這就大大降低了節(jié)點(diǎn)的消耗。而簇頭需要維護(hù)的是和其他簇頭進(jìn)行通信的路由表，這個(gè)表顯然比平面路由的路由表少很多，從而實(shí)現(xiàn)了節(jié)能的目的。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)方面，平面路由算法不能夠較快較好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的變化，節(jié)點(diǎn)位置的變化會(huì)引起其他節(jié)點(diǎn)路由表的變化，一個(gè)節(jié)點(diǎn)的死亡會(huì)造成眾多節(jié)點(diǎn)的路由表變化，消耗不必要的能量的同時(shí)，還會(huì)導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性較差。而分簇路由協(xié)議不同，它通過穩(wěn)定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行組網(wǎng)，降低了因?yàn)槲恢米兓?、?jié)點(diǎn)變化造成的對(duì)全網(wǎng)絡(luò)的影響，具有較好的適應(yīng)性和健壯性，在最大程度上降低了因?yàn)楣?jié)點(diǎn)死亡帶來的影響。各個(gè)經(jīng)典協(xié)議的性能如下表所示。表STYLEREF1\s3-SEQ表\*ARABIC\s11路由協(xié)議的性能比較路由結(jié)構(gòu)路由協(xié)議能耗傳輸時(shí)延路徑選擇平面路由泛洪最多最小多跳SPIN較多較大多跳DD較多小多跳分簇路由LEACH較少小單跳PEGASIS少較大多跳TEEN少較小單跳TTDD較少大多跳總的來說，層次型路由有更好的適應(yīng)性和利用價(jià)值。從表中可知，LEACH協(xié)議有很好的性能，作為最開始提出的分簇路由協(xié)議，也有眾多人員提出對(duì)LEACH的改進(jìn)算法。因此，下面將選取LEACH協(xié)議進(jìn)行更深入的研究。

LEACH協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)為了對(duì)LEACH協(xié)議進(jìn)行充分的仿真實(shí)驗(yàn)，首先要了解LEACH的算法思想、運(yùn)作機(jī)制、對(duì)環(huán)境的預(yù)設(shè)條件等信息，在透徹研究LEACH協(xié)議的基礎(chǔ)上，再對(duì)LEACH協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行說明，之后提出改進(jìn)。LEACH的運(yùn)作機(jī)制LEACH協(xié)議通過隨機(jī)選擇簇頭節(jié)點(diǎn)來平均分擔(dān)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸，使傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能量得以平衡。LEACH協(xié)議引入了“輪”的概念，以進(jìn)行周期性的數(shù)據(jù)傳輸。每輪中有兩個(gè)階段，第一階段是簇首的選取，LEACH算法令每個(gè)簇首節(jié)點(diǎn)等可能地成為簇首節(jié)點(diǎn)，從而有利于能量的均衡。未被選舉成為簇首節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)自動(dòng)成為普通節(jié)點(diǎn)，并就近入簇。第二階段是數(shù)據(jù)傳輸階段，即進(jìn)行穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸。由于簇準(zhǔn)備階段相對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，是無用的能量消耗，因此第二階段的時(shí)間遠(yuǎn)多于第一階段，如REF_Ref12041\h圖STYLEREF1\s4-1所示。圖STYLEREF1\s4-SEQ圖\*ARABIC\s11LEACH協(xié)議工作流程成簇階段在成簇階段，LEACH協(xié)議的任務(wù)有兩個(gè)，即進(jìn)行簇頭選舉和形成簇。LEACH協(xié)議中沒有設(shè)置中心節(jié)點(diǎn)，簇的選舉是由各個(gè)簇自發(fā)進(jìn)行的。選舉簇頭節(jié)點(diǎn)時(shí)，節(jié)點(diǎn)匯總自動(dòng)生成一個(gè)在0到1之間的數(shù)，如果這個(gè)隨機(jī)數(shù)不超過閾值T(n)，則選舉成為本輪的簇頭節(jié)點(diǎn)REF_Ref12448\r\h[11]。該節(jié)點(diǎn)是否適合成為簇頭節(jié)點(diǎn)由兩方面的因素決定：第一，該節(jié)點(diǎn)擔(dān)任簇頭的次數(shù)。因?yàn)榇仡^需要進(jìn)行更多的工作，擔(dān)任簇頭的次數(shù)越多，這說明它剩余的能量會(huì)比較少，基于網(wǎng)絡(luò)的均衡性考慮，應(yīng)避免出現(xiàn)能量十分少的節(jié)點(diǎn)；第二，簇頭數(shù)占全部節(jié)點(diǎn)的數(shù)目。簇頭數(shù)占比越多，就說明簇中需要更多的簇頭節(jié)點(diǎn)，所有節(jié)點(diǎn)成為簇頭節(jié)點(diǎn)的概率就會(huì)變大。T(n)的公式如下所示：其中，n代表了傳感器網(wǎng)絡(luò)中的某個(gè)節(jié)點(diǎn)，p是簇頭數(shù)在全部節(jié)點(diǎn)中的占比，r是當(dāng)前輪數(shù)，是大于等于0的整數(shù)。G是最近1/p輪都沒有成為簇頭節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)集合。當(dāng)某節(jié)點(diǎn)在最近1/p輪中擔(dān)任過簇頭，其T(n)值為0，不可能有產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)小于T(n)的情況，因此也就不可能擔(dān)任簇頭。因此，在每1/p次的循環(huán)里，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有且僅有一次機(jī)會(huì)來擔(dān)任簇頭。在簇頭選舉完成后，下一階段進(jìn)行簇的建立。被選舉出的簇頭會(huì)用廣播的方式對(duì)全部的節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息，普通節(jié)點(diǎn)收到廣播消息后，會(huì)自行根據(jù)信號(hào)的強(qiáng)弱決定是否入簇。理論上講，收到的廣播信號(hào)最強(qiáng)，就說明與該簇頭節(jié)點(diǎn)的距離最近，通信的能耗也就會(huì)最小，因此，普通節(jié)點(diǎn)是根據(jù)信號(hào)的強(qiáng)弱決定是否入簇的。在收到所有的入簇消息之后，簇頭節(jié)點(diǎn)會(huì)統(tǒng)一發(fā)送同意入簇的消息，并告知該節(jié)點(diǎn)被分配到的TDMA時(shí)隙，各個(gè)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)接收消息后建立路由表，簇組建完成REF_Ref12448\r\h[12]。穩(wěn)定傳輸階段在LEACH協(xié)議中，能夠與基站和匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信的只與簇頭節(jié)點(diǎn)。簇內(nèi)的普通節(jié)點(diǎn)只負(fù)責(zé)收集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)在自己被分配到的TDMA時(shí)隙中發(fā)送給簇頭節(jié)點(diǎn)，并不與匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)系。當(dāng)時(shí)隙結(jié)束但仍未傳送完數(shù)據(jù)時(shí)，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)不可以繼續(xù)傳送數(shù)據(jù)，只能等待下一個(gè)時(shí)隙到來。這期間，為了節(jié)約能量，可以關(guān)閉數(shù)據(jù)收發(fā)機(jī)。而簇頭節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收發(fā)是一直進(jìn)行從不關(guān)閉的，這也是簇頭節(jié)點(diǎn)會(huì)更多地消耗能量的原因。在所有節(jié)點(diǎn)信息發(fā)送結(jié)束后，簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的融合，最后將整合完畢的消息發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)。圖STYLEREF1\s4-SEQ圖\*ARABIC\s12穩(wěn)定傳輸階段流程圖LEACH協(xié)議的實(shí)現(xiàn)環(huán)境配置作為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中常用的仿真模擬器，NS2(NetworkSimulatorversion2)在基于仿真的基礎(chǔ)上集成了組播業(yè)務(wù)和局域網(wǎng)的多種協(xié)議仿真，囊括了TCP&UDP等多種協(xié)議，還有FTP、TELNET、WEB多種業(yè)務(wù)類型，可以對(duì)固定、無線、衛(wèi)星、混合等多種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真。因此，選擇在VMware之下利用虛擬機(jī)安裝NS2，在NS2環(huán)境中重新配置環(huán)境變量，進(jìn)行LEACH協(xié)議的移植。除此之外，NS2還具有開源、免費(fèi)等優(yōu)勢，具有較好的延展性和可擴(kuò)展性。其中，NS2選擇了最新版的2.35。圖STYLEREF1\s4-SEQ圖\*ARABIC\s13配置完畢的NS2主界面LEACH協(xié)議的移植LEACH協(xié)議的移植依托于NS2中的已有的協(xié)議和低層次的TCL開放式腳本語言，在mit.tar.gz協(xié)議包的基礎(chǔ)上移植LEACH協(xié)議。LEACH協(xié)議中的主體部分是有關(guān)于#defMIT_uAMPS部分的定義和新環(huán)境變量的配置。值得一提的是，關(guān)于#defMIT_uAMPS是添加在Makefile中定義的，如果去掉這些重新編譯NS2，LEACH這些修改的部分就不會(huì)生效了。LEACH協(xié)議的移植過程是要將不同文件中的源碼進(jìn)行添加和重新定義，定義完成后重新定義環(huán)境變量，修改.bashrc,在該文檔的最后一行添加代碼實(shí)現(xiàn)RCA_LIBRARY與uAMPS_LIBRARY的環(huán)境變量的配置。最后在終端執(zhí)行，進(jìn)行makeclean與make命令來進(jìn)行編譯，最終在終端獲得運(yùn)行成功的LEACH協(xié)議。其中最主要文件的作用如下：Leach_sims/conditions:羅列出了仿真的時(shí)間、基站所處的位置、節(jié)點(diǎn)初始能量、能量消耗模型、最優(yōu)簇頭數(shù)、傳播因子的信息，TDMA時(shí)隙(預(yù)設(shè)為20秒)。Leach_sims/leach_alive：用于記錄不同時(shí)間內(nèi)存活的節(jié)點(diǎn)。Leach_sims/Leach.data：每個(gè)節(jié)點(diǎn)傳遞的數(shù)據(jù)。Leach_sims/leach.energy：記錄了每個(gè)節(jié)點(diǎn)不同時(shí)間內(nèi)的能量消耗。Leach_sims/leach.out：記錄整個(gè)仿真的輸出，包括了節(jié)點(diǎn)的數(shù)目、節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)位置、基站從某個(gè)節(jié)點(diǎn)接收的數(shù)據(jù)的描述等。Leach_sims/startup.energy:節(jié)點(diǎn)剩余能量。圖STYLEREF1\s4-SEQ圖\*ARABIC\s14LEACH協(xié)議移植后的主要文件仿真實(shí)驗(yàn)首先，將參數(shù)設(shè)置為共有100個(gè)節(jié)點(diǎn)，并且基站位置在(100,250)處，即無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的中心的頂部位置，并未在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的中心位置。設(shè)置節(jié)點(diǎn)的初始能量為1焦耳，簇頭數(shù)占9%，即總共有9個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)。最大進(jìn)行輪數(shù)設(shè)置為100輪。初始節(jié)點(diǎn)的排布如下圖所示。圖STYLEREF1\s4-SEQ圖\*ARABIC\s15初始節(jié)點(diǎn)位置這種情況下傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的100個(gè)節(jié)點(diǎn)是隨機(jī)分布的，還并未選舉簇頭，也就是第一輪的第一步驟還沒有進(jìn)行，此時(shí)在終端運(yùn)行LEACH協(xié)議，將文件內(nèi)數(shù)據(jù)在MATLAB中進(jìn)行分析畫圖，得到了如REF_Ref14644\h圖STYLEREF1\s4-6所示的結(jié)果。圖STYLEREF1\s4-SEQ圖\*ARABIC\s16為首四輪的節(jié)點(diǎn)成簇情況由圖分析可知，在第一輪和第二輪中，(x,200)附近的三個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)擔(dān)任了簇頭節(jié)點(diǎn)，直接與基站進(jìn)行通信通信，其余的簇頭節(jié)點(diǎn)通過多跳路由的方式與基站進(jìn)行聯(lián)系。早在第三輪時(shí)，就已經(jīng)出現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)的死亡狀況。節(jié)點(diǎn)(166.66,81.26)在第二輪時(shí)擔(dān)任了簇頭節(jié)點(diǎn)，且簇內(nèi)有14個(gè)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)融合時(shí)耗費(fèi)了過多能量，致使在第三輪能量耗盡而死亡。而在上兩章節(jié)論述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的功能和結(jié)構(gòu)時(shí)，已經(jīng)證實(shí)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定和性能需要用推遲第一個(gè)節(jié)點(diǎn)的死亡時(shí)間的辦法來維護(hù)，因此第三輪中簇首節(jié)點(diǎn)的死亡將給網(wǎng)絡(luò)帶來能量不均衡的影響。更重要的是，在100輪執(zhí)行過后，節(jié)點(diǎn)的死亡率達(dá)到了92%，僅有8個(gè)節(jié)點(diǎn)存活，如圖4-7所示，實(shí)心節(jié)點(diǎn)為已經(jīng)死亡的節(jié)點(diǎn)，空心圓圈代表了還有能量、仍然存活的節(jié)點(diǎn)。圖STYLEREF1\s4-SEQ圖\*ARABIC\s17100輪后的存活結(jié)點(diǎn)同時(shí)，LEACH協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)也十分明顯，在此情況下，雖然犧牲了幾乎全部的節(jié)點(diǎn)，但是取得了十分可觀的數(shù)據(jù)傳輸量，在同樣每個(gè)數(shù)據(jù)包大小為100bit時(shí)，對(duì)比NS2中原有的最基礎(chǔ)的MTE路由協(xié)議來說，將近10000bit的傳輸量在初始為1J的能量的條件下顯得十分優(yōu)秀。圖STYLEREF1\s4-SEQ圖\*ARABIC\s18兩種協(xié)議的傳輸數(shù)據(jù)對(duì)比圖而當(dāng)基站位于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的中心點(diǎn)時(shí)，成簇情況和節(jié)點(diǎn)的能耗情況均大不相同。在LEACH_test文件中修改參數(shù)，在其他條件不變時(shí)將基站位置修改為(100,100)，成為傳感器網(wǎng)絡(luò)的中心點(diǎn)。此時(shí)再次進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)分布并未產(chǎn)生很大變化，第100輪的成簇情況如圖4-9。并且，最終100輪過后節(jié)點(diǎn)的死亡率為78%，對(duì)比基站位于(100,250)時(shí)92%的死亡率來說，可見節(jié)點(diǎn)的能耗有了一定程度的延伸。圖STYLEREF1\s4-SEQ圖\*ARABIC\s19第100輪節(jié)點(diǎn)情況LEACH協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn)在LEACH協(xié)議中，通過形成簇頭節(jié)點(diǎn)與普通節(jié)點(diǎn)的兩層結(jié)構(gòu)，來區(qū)分了兩者的不同任務(wù)，普通節(jié)點(diǎn)只需要進(jìn)行將收集的信息傳遞給簇頭節(jié)點(diǎn)的工作，這樣就大幅減少了節(jié)點(diǎn)需要維護(hù)的路由表。并且隨機(jī)選取簇頭的方式使得負(fù)載均衡。當(dāng)將初始能量設(shè)置為5J時(shí)，第一個(gè)死亡的節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)在第32輪，足見LEACH協(xié)議可以帶來較好的網(wǎng)絡(luò)均衡性能。而隨機(jī)成簇帶來了LEACH協(xié)議的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，那就是充足的擴(kuò)展性，投入更多的節(jié)點(diǎn)，該網(wǎng)絡(luò)也會(huì)自動(dòng)組網(wǎng)成簇。然而，就如同實(shí)驗(yàn)一中在第三輪就造成了節(jié)點(diǎn)死亡一樣，節(jié)點(diǎn)的能量會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能，而LEACH的隨機(jī)選擇簇頭的算法就造成了很有可能在某次簇首選舉中選擇了能量低的節(jié)點(diǎn)或者距離基站較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)作為簇頭，這就會(huì)大幅影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能。因此，在改進(jìn)LEACH協(xié)議時(shí)，要優(yōu)化簇頭節(jié)點(diǎn)的選取，提高成簇的合理性。改進(jìn)協(xié)議LEACH-C改進(jìn)策略LEACH-C是LEACH的增強(qiáng)改進(jìn)版，它增強(qiáng)了LEACH分簇時(shí)的算法，不再采取原始LEACH協(xié)議中使用隨機(jī)選擇的方式來選取簇首節(jié)點(diǎn)。LEACH-C協(xié)議使用每個(gè)節(jié)點(diǎn)向基站發(fā)送自己的地理位置和現(xiàn)有能量的方法，來由基站計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的平均能量。如果當(dāng)前能量低于平均能量，則節(jié)點(diǎn)無法參與簇首的選擇。在分簇階段，基站采用模擬退火算法，即采用所有成員節(jié)點(diǎn)到分簇頭距離的平方和最小的原則，然后根據(jù)節(jié)點(diǎn)能量選擇數(shù)量和最佳地理位置的簇頭，形成集合，再用廣播的方式宣布簇頭選舉的結(jié)果。LEACH協(xié)議與LEACH-C的仿真比較在移植完成LEACH-C協(xié)議之后，進(jìn)行與LEACH協(xié)議的比較，從傳輸數(shù)據(jù)量、能量消耗、存活結(jié)點(diǎn)三個(gè)方面比較優(yōu)劣。在NS2實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，設(shè)置節(jié)點(diǎn)數(shù)為100，簇的數(shù)量為5個(gè)，節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)范圍為(1000,1000)的平面，基站位置在(500,500),在網(wǎng)絡(luò)之中。數(shù)據(jù)導(dǎo)出后經(jīng)由MATLA