LEACH算法MATLAB仿真及其改进

LEACH 算法MATLAB 仿真及其改进

1. LEACH 原理

LEACH 协议，全称是“低功耗自适应集簇分层型协议” (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)，是一种无线传感器网络路由协议。基于LEACH 协议的算法，称为LEACH 算法。LEACH 是MIT 的Chandrakasan 等人为无线传感器网络设计的低功耗自适应聚类路由算法。与一般的平面多跳路由协议和静态聚类算法相比,LEACH 可以将网络生命周期延长15%,主要通过随机选择聚类首领,平均分担中继通信业务来实现。LEACH 定义了“轮”(round)的概念,一轮由初始化和稳定工作两个阶段组成。为了避免额外的处理开销,稳定态一般持续相对较长的时间。在初始化阶段,聚类首领是通过下面的机制产生的。传感器节点生成0,1之间的随机数,如果大于阈值T,则选该节点为聚类首领T 的计算方法如下：

()[]p r P P

T 1mod 1-= （1）

其中p 为节点中成为聚类首领的百分数,r 是当前的轮数。

当簇头选定之后，簇头节点主动向网络中节点广播自己成为簇头的消息。接收到此消息的节点，依据接收信号的强度，选择它所要加入的簇，并发消息通知相应的簇头。基于时分多址(Time Division Multiple Address ，简称TDMA)的方式，簇头节点为其中的每个成员分配通信时隙，并以广播的形式通知所有的簇内节点。这样保证了簇内每个节点在指定的传输时隙进行数据传输，而在其他时间进入休眠状态，减少了能量消耗。在稳定工作阶段，节点持续采集监测数据，在自身传输时隙到来时把监测数据传给簇头节点，簇头节点对接收到数据进行融合处理之后，发送到Sink 节点，这是一种减小通信业务量的合理工作模式。持续一段时间以后，整个网络进入下一轮工作周期，重新选择簇头节点。

LEACH 协议采用动态转换簇头的方法来平均网络节点的能量消耗，使因能量耗尽而失效的节点呈随机分布状态，因而与一般的多跳路由协议和静态簇算法相比，LEACH 可以将网络生命周期延长15%。但是LEACH 协议在每轮固定簇头节点后在划分簇的过程中，簇头节点开销较大。并且簇头节点的选择无法达到最优，有可能簇头节点位于网络的边缘或者几个簇头节点相邻，某些节点不得不传输较远的距离来与簇头通信，这就导致了大量能量消耗。而且LEACH 协议所有簇头节点直接与Sink 节点通信，采用连续数据发送模式和单

跳路径选择模式，使得每轮中簇头节点能耗巨大，因此不适合在大规模的传感器网络中应用。

2.仿真结果

我们在MATLAB编程环境中首先产生一个100×100的区域，并在其内部随机生成一个含有100个节点（坐标不同）的连通图。假设每个节点在网络形成前已知需要传感的数据类型，且能检测到出现在其检测范围内的事件。设普通节点初始初始能量为０.５mJ。ｒ＝２０００既进行2000轮实验。

图1.初始节点

图2.存活节点图

图3.剩余能量图

图5.剩余节点

3.ｌｅａｃｈ优点

1 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蔟内不同源

节点所产生的数据，并将融合后的数据发送到汇聚点。

2 LEACH采用基于TDMA/CDMA的MAC层机制来减少蔟内和蔟间的冲突。

3 由于数据采集是集中的和周期性的，因此该协议非常适合于要求连续监控

的应用系统。

4 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

需要周期性的传输数据，这样可以达到限制传感器节点能量消耗的目的。

5 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

取统一的能量分布。

尽管LEACH能够提高网络的生存时间，但是协议所使用的假设条件仍存在着一些值得讨论的问题。

4.ｌｅａｃｈ缺点

(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协议的计算能力，因此该协议不适合在大规模的无线传感器网络中应用。

(2) 协议没有说明簇头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首节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，从而导致网络能耗分布不均匀。

(3) LEACH 假设第一轮的簇头轮选中所有的节点拥有相同的能量，并且每个簇头节点都消耗大致相同的能量。因此，协议不适用于节点能量不均衡的网络。

(4) 节点经过簇头选举成为簇头后发布广播消息告知其他节点。其他节点根据与簇头节点的距离选择加入哪个簇。

5. 改进方法

经典的聚类协议假定所有的节点都配备了相同数量的能量，因此，他们不能充分利用节点异质性的存在。SEP 协议，该协议可以延长第一个节点的死亡时间（也就是稳定期）。稳定期的延长对于许多应用程序是至关重要的，因为它们从传感器网络的反馈要求必须是可靠的。为了延长稳定期，SEP 协议试图维持均衡的能源消耗。直观上，SEP 协议高级节点（初始能量高的节点）成为簇头的概率大于普通的节点（初始能量低的节点），这就相当于对于能源消耗的约束。

SEP 协议假定每个节点知道网络的总能量，然后根据节点的剩余能量计算出成为簇头的最佳概率。开始时先给每个节点分配一个权重对应于最优概率opt P ，权重必须等于每个节点的初始能量除以普通节点的初始能量。并且还定义nrm P 为普通节点加权选举的概率，adv P 为高级节点加权选举的概率。

am P P opt nrm +=

1 （2） ）1（1a am P P opt adv +-= （3）

其中a 为高级节点的初始能量是普通节点初始能量的倍数，m 为高级节点在总节点数中所占比例。普通节点与高级节点成为簇头的阀值分别为)(nrm s T 和)(adv s T ，计算公式如下：

()[]pnrm nrm nrm nrm r P P s T 1mod 1)(-=

（4） ()[]padv adv adv adv r P P s T 1mod 1)(-=

（5）