无线传感器网络层次型.
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簇首 簇
簇成员
图3 单层WSN拓扑结构图
2020/3/3
5
LEACH协议的研究与改进
1. LEACH协议工作过程
簇头选举 簇的建立 时间表的建立 数据传输阶段 新一轮通信
图4 LEACH协议拓扑结构图
2020/3/36Leabharlann LEACH协议的研究与改进
2. 问题的提出
LEACH算法研究发现，簇头节点的个数有一个
创新二：路由过程
假设簇内某区有四个发 送reply信号的节点，分别 用A、B、C和D表示，E代 表簇头。
簇头E根据接收到的节点 地理位置信息设置信息栈 为(A, B, C, D, E)。路由过 程如图7所示。
2020/3/3
A
A
B C ED (1)
A
B C ED
(2)
A
B C ED
(3)
B C ED
tan2
仿真评估
在仿真中，我们假设TOA和AOA测量误差服从 零均值的一维高斯分布。
根据高斯分布性质可知对应坐标的误差服从零 均值的二维高斯随机过程。
误差函数可以用二维正态分布函数表示为
F( ,) max max f ( ,)d d
(max )(max )
2020/3/3
16
层次型拓扑结构的生成过程：
(5) 各节点根据权值判断成为簇头节点的可能性， 并根据最优簇头数目选举簇头。
(6) 簇头节点确定后，以相同的发射功率向其邻居 节点广播信息。
(7) 各一般节点收到簇头节点的信息后，加入到最 近的簇内。
(8) 一旦所有的节点成为簇成员，就确定了无线传 感器网络的层次拓扑结构。
度 两个参数的对应关系如表1所示。
2020/3/3
11
表1 簇头节点最优比例
节点个数 500 1000 1500 2000 2500 3000
节点密度 1.25 2.5 3.75 5 6.25 7.5
簇头节点比例 0.0901 0.0637 0.0520 0.0450 0.0403 0.0368
2020/3/3
12
仿真实验
仿真结果：
由图5可以看出， 当簇头节点的比例 为求出的最优簇头 节点概率 p 时，无
线传感器网络传播 信号消耗的能量最 小。
图5 网络节点传送数据消耗的总能量和簇头 节点比例关系图
2020/3/3
13
层次型拓扑结构生成算法
本文的层次型拓扑结构生成算法是对WCA算法 的改进。
14[erf
(
2 2
max
) 1][erf
(
2 2
max
) 1]
仿真评估
假设无线传感器网络节点分布在边长为 2a正方形
二维空间内，n为网络节点的总个数，p为簇头节点
的最优比例，本文取max 1c
4a2
(np)E[N]
文中采用36阵元均匀圆阵，其误差范围为[-5,5]
度，所以
max
36
。
定位误差如下图8所示。
仿真评估
图8-1 定位误差VS角度误差
图8-2 定位误差VS时间误差
由图可以看出，当角度误差范围控制在[-5,5]度，节点坐标误差在 [0.6,1] 之 间 ； 当 时 间 误 差 范 围 控 制 在 [0,3] 纳 秒 ， 节 点 坐 标 误 差 在 [0.8,1]之间。使用该定位技术，在一定程度下定位误差范围较小。
8a2
Eelec
k
k
a2
amp
0 1
75.8548a6
k
a mp
1
2020/3/3
10
LEACH协议的研究与改进
从上式求解出最优簇头节点概率 p满足如下关系：
p
10
0.0061632025n2
簇头节点最优比例 p 和节点个数 n 、节点密
最优值N。 LEACH算法中设定N＝5％。但是，这样的一
种设定并没有依据。 我们将从考虑节省节点能量方面设定簇头节点
个数的最优值。
2020/3/3
7
LEACH协议的研究与改进
3. 对LEACH协议的改进
在对无线传感器网络研究过程中，本文提出以 下假设： 无线传感器网络节点以密度为 的类似泊松过 程 分 布 在 边 长 为2a 正 方 形 二 维 空 间 内 ， 且 0 1 。其中，簇头节点的密度为 1 ，其 它一般节点的密度为 0 ；
2020/3/3
22
多路数据融合路由算法的实现
创新一：簇内分区
以簇头节点为中心，将 簇内一般节点分成4个区， 各节点根据其地理信息判 断所属的区，并更新相应 的标识符。
簇头 一般节点
A1
A2
A3 A4
簇内拓扑结构如图6所 示。
图6 簇内拓扑结构
2020/3/3
23
多路数据融合路由算法的实现
step2 step3 step4
di 0
di _ ave 0 nodestate 0
Until i n
2020/3/3
18
层次型拓扑结构的生成算法流图如下：
Ⅲ. 计算节点的权值
Repeat
step1 broadcast _ state(ID, position)
step2 step3 step4 step5 step6 step7 step8
if 该节点的权值在剩余节点中最小
2020/3/3
20
层次型拓扑结构的生成算法流图如下：
step4
该节点成为簇头节点
step5
nodestate 1
step6
node_ neighborstate 1
step7 余下节点成为簇成员
从算法流程图可以分析出，本文提出的无线传感器网络 的层次拓扑结构生成算法的时间复杂度为O(n2)，其中 n为无线 传感器网络的节点个数。当网络的尺寸较小时，算法较简单 ；在网络的尺寸较大时，需要设定另外的参数，使算法变得 更简单。
结论与展望
由于研究的时间和我本人的能力有限，本文的研 究工作还不完善，需要进一步探索以待提高。 致力于多层次的网络拓扑结构的研究。 在研究中，我们应该构建良好的通信协议。 本文提出层次型WSN节点定位模型，仅仅构建了 相关的设想，在今后的研究中，我们还应该引入算 法的迭代思想或其它的数学方法，以提高模型的定 位精度。
层次型WSN节点定位技术研究
利用UWB技术实现层次型无线传感器网络簇内 一般节点相对簇头节点的相对定位。
定位技术是基于TOA/AOA的混和定位技术。无 线传感器网络节点的天线运用的是智能天线。
粗略地计算出簇内一般节点和簇头节点的相对
位置：x2
(c )2 sec2
，y2
(c )2 sec2
网络尺寸W（m）
(2)
仿真评估
仿真结果一：节点使用MDA算法消耗的能量是 使用LEACH协议消耗的一半，而且这种节能优势 随着网络尺寸的增加表现得更为明显。
仿真结果二：虽然和PEGASIS协议相比，MDA 算法没有表现出很大的优势，但是，MDA算法比 较适合运用在尺寸为300m以内的网络范围中。
19
层次型拓扑结构的生成算法流图如下：
step9 step10
i di - E[N]
wi
w1
Ct Ci _ res
w2 i
w3 diave
Until
in
Ⅳ. 网络拓扑结构的生成
While 有节点不是簇成员
step1
for i 0 to CH
step2 step3
do
WCA是为移动ad hoc网络设计的层次拓扑生成算 法。在对WCA算法的改进过程中，本文主要考虑 以下三个方面的参数：
(1) 节点的剩余能量Cires (2) 实际的节点度和理想的节点度的偏差 i
(3) 节点和邻居节点间的平均距离diave
2020/3/3
14
层次型拓扑结构生成算法
考虑以上三个参数，可以计算无线传感器网络 节点 i 的权值wi ：
2. 体系结构
2020/3/3
互联网和卫 星
任务管理节点 用户
汇聚节 点
监测 区域
C B A
传感器节点
图2 无线传感器网络体系结构
4
层次型网络拓扑结构
在层次型无线传感器网络中，网络通常被划分为 簇(cluster)。 簇 的 组 成 ： 簇 首 (cluster head) 和 簇 成 员 (cluster member)。
Ci _ res Ci _ res Ebro
for t 0 to T1
do
receive_ state(ID, position)
Ci _ res Ci _ res Erec
di
di _ ave di _ ave dis tan ce[node ID]
2020/3/3
2020/3/3
17
层次型拓扑结构的生成算法流图如下：
Ⅰ. 算法初始化 step1 n number
step2 indentity
step3
step4 step5
p
10
0.0061632025n2
CH Pn
E[N
]
1 p p
Ⅱ. 节点初始化
Repeat
step1 Ci _ res Ct
2020/3/3
9
LEACH协议的研究与改进
根据以上假设，我们可以求出簇头节点和基站间 的平均距离为：
d
1
4a2
aa dxaa
x2 ( y 2a)2 dy 2.0868a
根据能量计算公式，单位周期内整个无线传感 器网络节点传送数据消耗的总能量为
et et1 et 2 et3 et 4
无线传感器网络层次型 路由协议的研究
导师：许凯华 学生：王 娅
2020/3/3
1
目录
无线传感器网络概述 层次型网络拓扑结构 LEACH协议的研究与改进 层次型拓扑结构生成算法 多路数据融合路由算法的实现 层次型WSN节点定位技术研究 结论与展望
2020/3/3
2
无线传感器网络概述
(4)
A
A
B C ED
(5)
B C ED (6)
图7 区内路由建立
24
仿真评估
无
线
×× LEACH
传 感
―― PEGASIS
器
OOO MDA
网
络
节
点
消 耗
的 能 量
(J)
无
线 传 感
×× LEACH ―― PEGASIS
器
OOO MDA
网 络
节 点
消
耗
的
能
量
(J)
网络尺寸W（m）
(1)
图7 仿真结果图
1. 发展背景
有基础设施网
无线网络
无基础设施网
(无线ad hoc网)
移动ad hoc网络
(MANET)
无线传感器网络
(WSN)
图1 无线网络的分类
2020/3/3
3
无线传感器网络概述
2020/3/3
21
多路数据融合路由算法的实现
相关技术：
节点采用数据融合技术来处理数据冗余方面的 问题。
簇头向簇内发送query信号，满足事件的簇内成 员向簇头发送reply信号。簇头根据query-reply建 立的关系设置信息栈。
簇内各节点设置功率带，保证簇内节点间的相 互通信。
节点采用GPS定位系统获取自身的位置信息。
感谢许凯华和刘玉华老师三年来的辛勤培养 感谢参加答辩的各位专家、评审老师和同学
wi
1
Ct Ci res
2 i
3 diave
其中，Ct 为节点的初始能量值，1、2、3分别 对应为三个参数的权值，且 1 2 3 1 。
当 wi越小时，节点 i 成为簇头节点的概率越大。
2020/3/3
15
层次型拓扑结构的生成过程：
(1) 各节点以相同的发射功率向邻居节点发布包含 自己状态和所在位置的坐标信息。 (2) 各节点监听其邻居节点广播的信息，发送反馈 信号。 (3) 各节点统计其邻居节点的个数，同时计算与它 们的相对距离。 (4) 各节点根据权值公式计算权值。
结论与展望
本文从事了如下研究工作： 从考虑节省节点能量方面，提出对LEACH的改进，求解 出最优簇头的数目。 结合WCA算法提出了一种基于能量的无线传感器网络 层次型拓扑结构生成算法。 在多路数据融合算法中，实现簇内分区，簇头节点建立 信息栈设置路由过程中的下一跳节点。 层次型WSN节点定位是基于超宽带UWB通信技术，实 现了簇内一般节点和簇头节点的相对定位。
2020/3/3
8
LEACH协议的研究与改进
无线传感器网络节点的总个数用 n 表示，节点分 布的正方形二维空间的面积用 s 表示，则n s， 其中s 4a2；
设正方形二维空间的中心为坐标原点，则基站 节点的坐标位置可以表示为 (0,2a) ；
运用的无线电通信模型；
簇头节点采用TDMA方式接收簇内一般节点传 输的数据，然后将融合后的数据传送给基站。
簇成员
图3 单层WSN拓扑结构图
2020/3/3
5
LEACH协议的研究与改进
1. LEACH协议工作过程
簇头选举 簇的建立 时间表的建立 数据传输阶段 新一轮通信
图4 LEACH协议拓扑结构图
2020/3/36Leabharlann LEACH协议的研究与改进
2. 问题的提出
LEACH算法研究发现，簇头节点的个数有一个
创新二：路由过程
假设簇内某区有四个发 送reply信号的节点，分别 用A、B、C和D表示，E代 表簇头。
簇头E根据接收到的节点 地理位置信息设置信息栈 为(A, B, C, D, E)。路由过 程如图7所示。
2020/3/3
A
A
B C ED (1)
A
B C ED
(2)
A
B C ED
(3)
B C ED
tan2
仿真评估
在仿真中，我们假设TOA和AOA测量误差服从 零均值的一维高斯分布。
根据高斯分布性质可知对应坐标的误差服从零 均值的二维高斯随机过程。
误差函数可以用二维正态分布函数表示为
F( ,) max max f ( ,)d d
(max )(max )
2020/3/3
16
层次型拓扑结构的生成过程：
(5) 各节点根据权值判断成为簇头节点的可能性， 并根据最优簇头数目选举簇头。
(6) 簇头节点确定后，以相同的发射功率向其邻居 节点广播信息。
(7) 各一般节点收到簇头节点的信息后，加入到最 近的簇内。
(8) 一旦所有的节点成为簇成员，就确定了无线传 感器网络的层次拓扑结构。
度 两个参数的对应关系如表1所示。
2020/3/3
11
表1 簇头节点最优比例
节点个数 500 1000 1500 2000 2500 3000
节点密度 1.25 2.5 3.75 5 6.25 7.5
簇头节点比例 0.0901 0.0637 0.0520 0.0450 0.0403 0.0368
2020/3/3
12
仿真实验
仿真结果：
由图5可以看出， 当簇头节点的比例 为求出的最优簇头 节点概率 p 时，无
线传感器网络传播 信号消耗的能量最 小。
图5 网络节点传送数据消耗的总能量和簇头 节点比例关系图
2020/3/3
13
层次型拓扑结构生成算法
本文的层次型拓扑结构生成算法是对WCA算法 的改进。
14[erf
(
2 2
max
) 1][erf
(
2 2
max
) 1]
仿真评估
假设无线传感器网络节点分布在边长为 2a正方形
二维空间内，n为网络节点的总个数，p为簇头节点
的最优比例，本文取max 1c
4a2
(np)E[N]
文中采用36阵元均匀圆阵，其误差范围为[-5,5]
度，所以
max
36
。
定位误差如下图8所示。
仿真评估
图8-1 定位误差VS角度误差
图8-2 定位误差VS时间误差
由图可以看出，当角度误差范围控制在[-5,5]度，节点坐标误差在 [0.6,1] 之 间 ； 当 时 间 误 差 范 围 控 制 在 [0,3] 纳 秒 ， 节 点 坐 标 误 差 在 [0.8,1]之间。使用该定位技术，在一定程度下定位误差范围较小。
8a2
Eelec
k
k
a2
amp
0 1
75.8548a6
k
a mp
1
2020/3/3
10
LEACH协议的研究与改进
从上式求解出最优簇头节点概率 p满足如下关系：
p
10
0.0061632025n2
簇头节点最优比例 p 和节点个数 n 、节点密
最优值N。 LEACH算法中设定N＝5％。但是，这样的一
种设定并没有依据。 我们将从考虑节省节点能量方面设定簇头节点
个数的最优值。
2020/3/3
7
LEACH协议的研究与改进
3. 对LEACH协议的改进
在对无线传感器网络研究过程中，本文提出以 下假设： 无线传感器网络节点以密度为 的类似泊松过 程 分 布 在 边 长 为2a 正 方 形 二 维 空 间 内 ， 且 0 1 。其中，簇头节点的密度为 1 ，其 它一般节点的密度为 0 ；
2020/3/3
22
多路数据融合路由算法的实现
创新一：簇内分区
以簇头节点为中心，将 簇内一般节点分成4个区， 各节点根据其地理信息判 断所属的区，并更新相应 的标识符。
簇头 一般节点
A1
A2
A3 A4
簇内拓扑结构如图6所 示。
图6 簇内拓扑结构
2020/3/3
23
多路数据融合路由算法的实现
step2 step3 step4
di 0
di _ ave 0 nodestate 0
Until i n
2020/3/3
18
层次型拓扑结构的生成算法流图如下：
Ⅲ. 计算节点的权值
Repeat
step1 broadcast _ state(ID, position)
step2 step3 step4 step5 step6 step7 step8
if 该节点的权值在剩余节点中最小
2020/3/3
20
层次型拓扑结构的生成算法流图如下：
step4
该节点成为簇头节点
step5
nodestate 1
step6
node_ neighborstate 1
step7 余下节点成为簇成员
从算法流程图可以分析出，本文提出的无线传感器网络 的层次拓扑结构生成算法的时间复杂度为O(n2)，其中 n为无线 传感器网络的节点个数。当网络的尺寸较小时，算法较简单 ；在网络的尺寸较大时，需要设定另外的参数，使算法变得 更简单。
结论与展望
由于研究的时间和我本人的能力有限，本文的研 究工作还不完善，需要进一步探索以待提高。 致力于多层次的网络拓扑结构的研究。 在研究中，我们应该构建良好的通信协议。 本文提出层次型WSN节点定位模型，仅仅构建了 相关的设想，在今后的研究中，我们还应该引入算 法的迭代思想或其它的数学方法，以提高模型的定 位精度。
层次型WSN节点定位技术研究
利用UWB技术实现层次型无线传感器网络簇内 一般节点相对簇头节点的相对定位。
定位技术是基于TOA/AOA的混和定位技术。无 线传感器网络节点的天线运用的是智能天线。
粗略地计算出簇内一般节点和簇头节点的相对
位置：x2
(c )2 sec2
，y2
(c )2 sec2
网络尺寸W（m）
(2)
仿真评估
仿真结果一：节点使用MDA算法消耗的能量是 使用LEACH协议消耗的一半，而且这种节能优势 随着网络尺寸的增加表现得更为明显。
仿真结果二：虽然和PEGASIS协议相比，MDA 算法没有表现出很大的优势，但是，MDA算法比 较适合运用在尺寸为300m以内的网络范围中。
19
层次型拓扑结构的生成算法流图如下：
step9 step10
i di - E[N]
wi
w1
Ct Ci _ res
w2 i
w3 diave
Until
in
Ⅳ. 网络拓扑结构的生成
While 有节点不是簇成员
step1
for i 0 to CH
step2 step3
do
WCA是为移动ad hoc网络设计的层次拓扑生成算 法。在对WCA算法的改进过程中，本文主要考虑 以下三个方面的参数：
(1) 节点的剩余能量Cires (2) 实际的节点度和理想的节点度的偏差 i
(3) 节点和邻居节点间的平均距离diave
2020/3/3
14
层次型拓扑结构生成算法
考虑以上三个参数，可以计算无线传感器网络 节点 i 的权值wi ：
2. 体系结构
2020/3/3
互联网和卫 星
任务管理节点 用户
汇聚节 点
监测 区域
C B A
传感器节点
图2 无线传感器网络体系结构
4
层次型网络拓扑结构
在层次型无线传感器网络中，网络通常被划分为 簇(cluster)。 簇 的 组 成 ： 簇 首 (cluster head) 和 簇 成 员 (cluster member)。
Ci _ res Ci _ res Ebro
for t 0 to T1
do
receive_ state(ID, position)
Ci _ res Ci _ res Erec
di
di _ ave di _ ave dis tan ce[node ID]
2020/3/3
2020/3/3
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层次型拓扑结构的生成算法流图如下：
Ⅰ. 算法初始化 step1 n number
step2 indentity
step3
step4 step5
p
10
0.0061632025n2
CH Pn
E[N
]
1 p p
Ⅱ. 节点初始化
Repeat
step1 Ci _ res Ct
2020/3/3
9
LEACH协议的研究与改进
根据以上假设，我们可以求出簇头节点和基站间 的平均距离为：
d
1
4a2
aa dxaa
x2 ( y 2a)2 dy 2.0868a
根据能量计算公式，单位周期内整个无线传感 器网络节点传送数据消耗的总能量为
et et1 et 2 et3 et 4
无线传感器网络层次型 路由协议的研究
导师：许凯华 学生：王 娅
2020/3/3
1
目录
无线传感器网络概述 层次型网络拓扑结构 LEACH协议的研究与改进 层次型拓扑结构生成算法 多路数据融合路由算法的实现 层次型WSN节点定位技术研究 结论与展望
2020/3/3
2
无线传感器网络概述
(4)
A
A
B C ED
(5)
B C ED (6)
图7 区内路由建立
24
仿真评估
无
线
×× LEACH
传 感
―― PEGASIS
器
OOO MDA
网
络
节
点
消 耗
的 能 量
(J)
无
线 传 感
×× LEACH ―― PEGASIS
器
OOO MDA
网 络
节 点
消
耗
的
能
量
(J)
网络尺寸W（m）
(1)
图7 仿真结果图
1. 发展背景
有基础设施网
无线网络
无基础设施网
(无线ad hoc网)
移动ad hoc网络
(MANET)
无线传感器网络
(WSN)
图1 无线网络的分类
2020/3/3
3
无线传感器网络概述
2020/3/3
21
多路数据融合路由算法的实现
相关技术：
节点采用数据融合技术来处理数据冗余方面的 问题。
簇头向簇内发送query信号，满足事件的簇内成 员向簇头发送reply信号。簇头根据query-reply建 立的关系设置信息栈。
簇内各节点设置功率带，保证簇内节点间的相 互通信。
节点采用GPS定位系统获取自身的位置信息。
感谢许凯华和刘玉华老师三年来的辛勤培养 感谢参加答辩的各位专家、评审老师和同学
wi
1
Ct Ci res
2 i
3 diave
其中，Ct 为节点的初始能量值，1、2、3分别 对应为三个参数的权值，且 1 2 3 1 。
当 wi越小时，节点 i 成为簇头节点的概率越大。
2020/3/3
15
层次型拓扑结构的生成过程：
(1) 各节点以相同的发射功率向邻居节点发布包含 自己状态和所在位置的坐标信息。 (2) 各节点监听其邻居节点广播的信息，发送反馈 信号。 (3) 各节点统计其邻居节点的个数，同时计算与它 们的相对距离。 (4) 各节点根据权值公式计算权值。
结论与展望
本文从事了如下研究工作： 从考虑节省节点能量方面，提出对LEACH的改进，求解 出最优簇头的数目。 结合WCA算法提出了一种基于能量的无线传感器网络 层次型拓扑结构生成算法。 在多路数据融合算法中，实现簇内分区，簇头节点建立 信息栈设置路由过程中的下一跳节点。 层次型WSN节点定位是基于超宽带UWB通信技术，实 现了簇内一般节点和簇头节点的相对定位。
2020/3/3
8
LEACH协议的研究与改进
无线传感器网络节点的总个数用 n 表示，节点分 布的正方形二维空间的面积用 s 表示，则n s， 其中s 4a2；
设正方形二维空间的中心为坐标原点，则基站 节点的坐标位置可以表示为 (0,2a) ；
运用的无线电通信模型；
簇头节点采用TDMA方式接收簇内一般节点传 输的数据，然后将融合后的数据传送给基站。