The Communication Protocol for Wireless Sensor Network about LEACH 关于 LEACH 的无线传感器网络通信协议

1. The Communication Protocol for Wireless Sensor Network about LEACH关于LEACH的无线传感器网络通信协议 卢旭

2. 摘要 • 本文讨论叫做LEACH的通信协议。协议关注于降低无线传感器网络的能耗，这对这种网络的整体能量消耗有重要意义。LEACH利用局部协作来增强动态网络的可扩展性和健壮性，还结合了数据融合到路由协议里面来减少需要传输到基站的信息的总量。仿真表明LEACH对比传统的路由协议能够减少8倍的能耗。另外，LEACH可以使传感器中能耗分布均匀，使所仿真的网络的系统寿命加倍。我们利用确定性成分来扩展LEACH的随机簇头选择算法。依靠该网络结构可以延长30%的网络寿命。

3. 1 引言 • 传感器网络的特性： • 传感器网络中的传感器节点的数量比ad-hoc网络中的节点数量高出几个数量级。 • 传感器节点部署密度大。 • 传感器节点会慢慢失效。 • 传感器网络的拓扑结构变化频繁。 • 传感器节点主要采用广播通信范例。 • 传感器节点的能量、计算能力以及存储量都有限。 • 传感器节点不可能用全局的ID，因为簇头和传感器的数量巨大。

4. 传感器网络应用非常广泛，如： • 军事应用 • 环境应用 • 健康应用 • 家庭应用 • 其他商业应用

5. 传感器网络可以包含成百上千个传感器节点。有必要把这些节点制成尽可能廉价和能量有效的。网络协议必须设计成在个别节点失效时具有容错能力。另外，由于有限的无线信道带宽所有网络中的传感器要共享，所以这种网络的路由协议应该能够执行局部协作来减少带宽需求。最后，由传感器检测到的数据必须传输到一个控制中心或是基站，用户在这里可以处理这些数据。对这些传感器网络有很多可能的模型。传感器网络可以包含成百上千个传感器节点。有必要把这些节点制成尽可能廉价和能量有效的。网络协议必须设计成在个别节点失效时具有容错能力。另外，由于有限的无线信道带宽所有网络中的传感器要共享，所以这种网络的路由协议应该能够执行局部协作来减少带宽需求。最后，由传感器检测到的数据必须传输到一个控制中心或是基站，用户在这里可以处理这些数据。对这些传感器网络有很多可能的模型。 • 通过利用我们的传感器网络模型来分析传统路由协议的优劣，我们开发了LEACH（低能耗自适应聚类分层），传感器网络中一种最小化能耗的基于簇的协议。 • 传输数据到基站时簇的使用大部分节点只需很小的通信距离，只有很少的节点需要传输大距离到基站。LEACH由于采用自适应分簇和轮换簇头，使得其性能比经典的分簇算法优越。另外，LEACH可以执行本地的计算来减少传输到基站的数据总量。这使得能耗大量减少，因为计算比通信的花费要少很多。

6. 2.无线通信模型 • 当前，在低功率无线电通信领域进行着大量研究。包括发射和接收模块的能耗在内的对无电线通信特性的不同假设，都将改变各种不同协议的优势。本文中，我们假设一个简单的模型，模型中无线通信设备的发送和接收电路消耗能量50nJ/bit，发送放大器消耗能量100pJ/bit/m2。

7. 我们还假设一个由于信道发射导致的能耗。因此，在我们的无线通信模型中，传输距离为d发送一个k-bit大小的信号，无线通信设备消耗： 我们还假设一个由于信道发射导致的能耗。因此，在我们的无线通信模型中，传输距离为d发送一个k-bit大小的信号，无线通信设备消耗： • 接收这条信息，无线通信设备消耗： • 我们假定无线通信信道均衡的，例如在特定的信噪比下从节点A发送一条消息到节点B所消耗的能量和从节点B发送一条消息到节点A是一样的。在实验中，我们还假定所有传感器节点都以固定的频率监控环境，所以会不间断的有数据发送到最终用户。为符合我们的协议将来的版本，我们采用一个“事件驱动”的仿真，也就是说传感器节点只有在环境中有事件发生时才传输数据。

8. 3.路由协议能量分析 • 我们利用我们的传感器网络和无线通信模型分析这样两种协议，即直接跟基站通信的协议以及最小能量多跳路由协议。

10. 采用MTE路由时，离基站最近的节点最先死亡，而采用直接通信时，离基站最远的节点最先死亡。这正如我们所想的一样，因为MTE路由中离基站近的节点需要成为其他节点传输数据的“路由器”，而在直接通信中，离基站最远的节点需要消耗最大的发送能量。采用MTE路由时，离基站最近的节点最先死亡，而采用直接通信时，离基站最远的节点最先死亡。这正如我们所想的一样，因为MTE路由中离基站近的节点需要成为其他节点传输数据的“路由器”，而在直接通信中，离基站最远的节点需要消耗最大的发送能量。

11. 4.LEACH协议 • LEACH的运行细分为轮，每一轮由一个建立阶段开始，当各个簇都组织好了，就进入一个稳态阶段，在该阶段数据被发送到基站。

12. 簇什么时候创建？每个节点在当前轮是否成为簇头？簇什么时候创建？每个节点在当前轮是否成为簇头？ • 节点选择的一个介于0到1之间的随机数。如果这个数小于一个阈值T(n)，这个节点就成为这一轮的一个簇头。这个阈值等于： • 其中P=已设定好的簇头的百分比（e.g., P=0.05），r=当前轮次，G是指在过去的轮中没有成为过簇头的节点。 • 怎么确定P呢？系统会预先确定一个在系统中最佳的簇的数量。这决定于几个参数，包括网络拓扑和通信中的有关消耗。在一个时间点每个节点都会成为簇头。

13. 5.LEACH扩展 • 延长LEACH网络寿命的第一个方法是每个节点的可用的剩余能量等级。这可以通过降低阈值T(n)来实现。因此，T(n)乘以一个表示节点剩余能量等级的因素：仿真表明这样的改进可以在FND（第一个节点死亡）上延长LEACH传感器网络的寿命达30%，在HNA（一半节点存活）上可以延长20%。 • 然而，通过剩余能量来对阈值公式的修改有一个致命缺点：经过若干轮之后网络会失效，即使仍有有足够能量传输数据到基站的节点。会这样的原因是因为剩余节点能量等级太低导致簇头阈值太低。 • 解决此问题的一个可能的方法是对阈值公式进一步地修改。对在过去1/P轮中没有成为过簇头的节点都增加其阈值。rs是一个节点没有成为簇头的连续的轮数。当rs达到值1/P，阈值T(n)就重设为一个值。这样，节点n成为簇头的可能性就因为一个高阈值而增加了。另外，在一个节点成为簇头时rs就重设为0。这样我们就可以确保只要节点存活着就可以传输数据到基站。

14. 6.结论 • LEACH是完全分布式的，不需要来自基站的控制信息，节点不需要知道全局网络的信息。在节点间分散能量有效地从全局角度降低了能耗，延长了系统寿命。本文中，我们描述了LEACH，一种基于簇的路由协议，通过在不同时间点分散负载到所有节点来最小化整体能量的使用。