无线传感器网络的节能研究（本科毕业论文）(7)

LEACH 协议选举簇头的过程如下：节点产生一个0～1 之间的随机数，如果这个数小于阈值T(n)，则发布自己是簇头的公告消息。在每轮循环中，如果节点已经当选过簇头，则把T(n)设置为0，这样该节点不会再次当选为簇头。对

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于未当选簇头的节点，则将以T(n)的概率当选；随着当选过簇头的节点数目增加，剩余节点当选簇头的阈值T(n)随之增大，节点产生小于T(n)的随机数的概率随之增大，所以节点当选簇头的概率增大。当只剩下一个节点未当选时，T(n)=1，表示这个节点一定当选。阈值T(n)可表示为：

?p

n?G ?T(n)??1?p[rmod(1/p)] 其它 (2-2) ?0?

节点当选簇头以后，发布通告消息告知其他节点自己是新簇头。普通节点在收到该消息后，决定加入到相应的簇中。这种决策是依据接收到各簇头节点广播信号的强度，一个普通节点选择加入到发射信号强度最大的簇头节点，向其发送成为其成员的信息，这样“簇”便建立起来了。 2.4.3 稳定数据通信阶段

当簇头节点接收到所有非簇头节点的加入信息后，根据簇内节点个数，簇头节点创建一张TDMA 调度计划表，这张调度计划表广播给簇内所有成员节点，属于该簇的每个成员节点依次按TDMA 调度计划表分配到一个时间槽发送数据给该簇头节点。

在稳定状态阶段，在每个簇内，每个簇头节点用TDMA/SS 协议依次接收各自簇内成员节点采集、传输的数据，这些数据在簇头节点处进行数据融合；在各个簇间，各簇头节点采用CSMA 协议竞用通道，获得通道的簇头节点再将融合后的数据发送到汇聚节点。经过一个合理的时间段后，网络重新回到簇创建阶段，进入下一回合的选择簇头节点的阶段。每个簇使用不同的CDMA 码进行通信，减少隶属于其它簇的节点对本簇节点的通信干扰。 2.4.4 LEACH 协议特点

为了减少传送到汇聚节点的信息数量，簇首节点负责融合来自簇内不同源节点所产生的数据，并将融合后的数据发送到汇聚点；LEACH采用基于TDMA/CDMA的MAC层机制来较少簇内和簇间的冲突；由于数据采集是集中的和周期性的，因此该协议非常适合一要求连续监控的应用系统；对于终端使用者来说，由于它并不需要立即得到所有的数据，因此协议不需要周期性的传递数据，这样可以达到限制传感器能量消耗的目的；在给定的时间间隔后，协议重新选举簇首节点，以保证无线传感器网络获取用意的能量分布。

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LEACH 路由算法针对传感器节点在无线通信环节中消耗能量最多这一特点，以增加节点计算负荷为代价换取数据传输量的减少，达到减少能耗的目的。但是，该协议在分簇阶段的能量损耗较大，所以一般要求稳定数据通信阶段的持续时间要比分簇阶段长得多，但是这样会使簇头节点成功发送数据到汇聚节点的概率越来越小。另外，LEACH 协议假定所有节点都具有能力传送数据到汇聚节点，每个节点有计算能力支持不同的MAC 协议且在每一个竞选回合中，所有节点拥有相等的能量值，这些条件本身就是非常苛刻的。

LEACH 协议经验证能有效的节省能量，延长网络的生存时间，使网络中的节点相对均衡的消耗能量，但是，LEACH 协议依所用的假设条件仍能存在着一些值得讨论的问题。

（1）由于LEACH假定所有节点能够与汇聚节点直接通信，并且每个节点都具备支持不同MAC协议的能力，因此该协议不适合在大规模的无线传感器中应用。（2）协议没有说明节点的数目怎么分布才能及于整个网络。因此，很可能出现被选的簇头结点集中在网络某一区域的现象，这样就会使得一些节点的周围没有任何簇头节点。（3）由于LEACH假定在最初的簇头选择回合中，所有的节点都携带相同的能量，并且每个成为簇头的节点都消耗大致相同的能量。因此，协议不适合节点能量不均衡的网络

节点经过簇头选举成为簇头后发布通告消息通告其他节点。其他节点根据以簇头节点的距离选择加入哪个簇。

2.5 MRPS协议

Jae-hwan Noh 等人提出了MRPS(Multi-hop Routing Protocol based onSuper-Cluster Header)协议，该协议和LEACH 协议一样，执行过程也是周期性的，在每一轮的分簇阶段由汇聚节点进行集中式分簇，在稳定数据通信阶段，簇内节点采用多跳的方式传送数据到簇头节点，但是跟LEACH 协议不同，簇头节点不是直接发送数据到汇聚节点。该协议引入一个主簇头节点（Super ClusterHead,SCH），该节点收集所有簇头节点的数据进行融合计算后转发到汇聚节点，这种三层数据融合结构，节省了能量，延长了网络的生命周期，但是却增加了网络的延迟。 分簇路由协议的研究现状：

从LEACH协议和MRPS协议的执行过程我们可以看出，分簇算法大致包括以下三个阶段：(1) 簇头的产生；(2) 簇的形成；(3) 簇的路由。簇头的产生是簇形

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成的基础，簇的路由即簇的数据传输依赖于簇的结构。它们是分簇路由协议设计的关键技术，三者紧密相关，却也相对独立。在簇头产生之后，可以采取不同的分簇策略，同样的簇也可以采用不同的数据传输机制。LEACH协议的成簇思想贯穿于其后所提出的很多分簇路由协议中，如TEEN (Threshold SensitiveEnergy Efficient Sensor Network Protocol)、CEFL(Cluster-head Election Using Fuzzy Logic)等，几乎所有的分簇算法都是围绕如何选择簇头、如何成簇、如何传输数据来考虑设计的。当然，还有少数分簇路由协议是独立开发的，如ACE、LSCP等。

通过对大量分簇路由协议的研究，我们发现尽管分簇路由算法在拓扑管理、数据融合和传输等方面有很多优势，但是目前所提出的分簇路由协议整体性能表现良好的并不多，大多数分簇路由协议只是在某一方面表现出较好的性能，而整体性能还有待进一步改善，归纳起来主要体现在以下几点:

(1) 算法的节能性需要进一步提高。无线传感器网络分簇路由协议设计的首要目标是通过高效的分簇算法形成合理的网络结构，通过主动的能量管理阻止网络连通性的下降，延长网络的生命周期。因此，能量消耗成了通信连接性能好坏、网络运行周期长短的决定因素。

(2) 集中式簇头产生方式的成簇开销较大，限制了网络的扩展性。集中式算法由汇聚节点作出簇头选择决定，健壮性固然较好，但由于每个节点都须向汇聚节点周期性地报告它们的能量和位置等信息，因此，网络流量、时间延迟以及信号干扰的概率都会增加。所以，这类算法成簇开销较大，网络扩展性较差，一般只适合中小型网络。分布式算法则有较好的扩展性、较快的收敛速度和能量的高效性。

(3) 簇的负载均衡是分布式成簇算法的一大挑战。集中式算法基于全局信息成簇，一般生成的簇较均衡，而分布式算法是通过节点之间的信息交互和反馈成簇，由于节点是随机部署的，分布并不完全均匀，因此，基于局部信息成簇容易导致网络负载整体不均匀，造成局部网络负载过重。

(4) 多跳数据传输结构的缺陷。LEACH，TEEN等单跳网络中的簇内成员节点在属于它的TDMA时隙内把数据直接传送到簇头，其余时间关闭通信模块节省能量。而ECMR等多跳网络，簇内数据的传输必须依赖中间节点转发，这就存在一个致命的缺陷：靠近簇头的节点因为承担了更多的转发任务，能量耗费较快，因而影响了网络的生存周期。

(5) 算法健壮性的考虑。由于传感器节点易失效，而且分簇结构存在瓶颈和

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