基于LEACH的无线传感器网络路由算法概述

基于LEACH的无线传感器网络路由算法

无线传感器网络（WSN）是由成百上千的传感器节点遍布在大规模地区而形成的，它综合了传感器技术，嵌入式计算，分布式信息处理，和无线通信技术。网络中的各个节点能够实时监测采集环境信息，因而获得越来越广泛的关注。

无线传感器网络的网络层协议负责路由发现与维护，在无线传感器网络中占据重要地位。路由协议的正确选择是网络设计成功与否的关键。无线传感器网络路由协议依据不同的标准有多种分类。例如，根据网络的拓扑结构可以划分为平面式路由协议，分级式路由协议以及基于位置信息的路由协议。

 在现有的网络模型中,Ad hoc网络与无线传感器网络有许多相似之处,如它们的网络拓扑结构都不是固定不变的,网络中的各个节点均通过无线通信链路相连,网络节点能量有限等。因此人们首先对现有Ad hoc网络协议进行了研究,结果发现这些协议并不能直接用于传感器网络,这是因为两者又有许多不同之处 。

例如:

(1)传感器网络中的节点数量远远大于Ad hoc网络中的节点数。

(2)传感器网络中节点数量庞大,维护全局标志需要大量的开销,因此,在传感器网络中一般不采用像Adhoc中那样的全局标志ID。

(3)传感器节点要比Ad hoc网络中的节点简单,价格低廉,其计算能力、通信能力均较弱,传感器节点出现故障的频率要高于Ad hoc网络中的节点。

(4)在传感器网络中,由于多个源传感节点在许多场景下都有可能获得大量相似的数据,因此传感器网络中的冗余数据量大。

(5)无线传感器网络的拓扑结构会发生频繁的改变。

(6)传感器网络中传感器节点主要以广播方式进行通信,而大多数的Ad hoc网络是基于点对点通信方式的。

 针对无线传感器网络的特殊性，专家学者提出了很多新的路由选择算法。比较常见的有：洪泛法（flooding）, 基于协商的路由协议（SPIN），低功耗自适应聚类路由算法（LEACH）。

LEACH(LowEnergy Adaptive Clustering Hierarchy)是MIT的Heinzelman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,其核心思想是基于分簇的路由。LEACH协议的特点是分级和数据融合,分级有利于网络的扩展,数据融合能够减少通信量。LEACH中定义了循环(Round)的概念,一个循环由两个阶段组成,即簇建立阶段和稳定的数据通信阶段。通常情况下,稳定态持续较长的时间。在簇建立阶段,非簇首节点根据接收到的各簇首节点发送信号的强度动态地自动形成簇,并且使用簇首与接收发送器进行通信。簇内节点与簇首通过CSMA MAC协议进行通信,然后簇首使用TD2MA方式为每个节点分配通信时隙。在稳定的数据通信阶段,传感器节点持续采集监测数据,并在其分配的通信时隙使用最小能量,将数据传送到簇首。在不发送数据的时隙时,传感器节点可以关闭以节约能源。簇首节点接收到簇内所有的数据后,进行必要的数据融合并把结果发送给接收发送器,然后在下一次循环中重新选择簇首进行数据传输。由于簇首需要完成数据融合、与Sink进行通信等工作,因此,簇首的能量消耗非常高。只有各节点等概率地担任簇首,这样才能使网络中所有节点比较均衡地消耗能量,从而延长整个网络的生存期。采用LEACH方法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聚类算法相比, LEACH可以将网络的生存期延长15%。但是在LEACH算法中,由于假设所有的节点均能直接与簇首和Sink通信,并且采用连续数据发送和单跳模式,因此在监测大范围地域的情况下并不适用,而且动态分簇带来了簇首变换和大量广播这样的额外开销。

                              

在LEACH算法的基础上, Lindsey等人对LEACH进行了改进,提出了PEGASIS以及Hierarchical2PEGASIS算法。由于LEACH协议要频繁的更换簇头导致通信开销较大，PEGASIS协议的目的就是解决这个问题。与LEACH协议中形成多个簇不同，PEGASIS协议使用贪婪算法把所有节点连接成一条链。从离基站最远的节点开始构造链，确保每一个节点都有其相邻的节点，每个节点只同距离它最近的领导节点通信。在每轮通信中，只有一个节点当选为领导节点与基站直接通信。 在数据传输时，领导节点产生一个令牌（TOKEN）。在每轮中，Token控制数据从链一端向领导节点方向传输数据，然后Token到达链的另一端控制数据向领导簇头方向传输数据。每个节点将收到的数据和自己的数据进行数据融合处理，然后将融合后的数据在发送到下一个节点。当其中一个节点失效时,链重构研究结果表明, PEGASIS支持的传感器网络的性能是LEACH的近两倍。与LEACH相比,它有以下特点:①大部分节点传输距离比LEACH小,只与相邻节点进行通信,以最小功率发送数据分组,而LEACH则是簇中每一个节点都与簇首进行通信。②在PEGASIS中,链首接收的数据信息只有两个,而不是像LEACH中的除簇首外所有其他簇内节点的数据信息。③每次循环中只有一个节点与Sink通信。正是由于这些特点, PEGASIS比LEACH更节能,因而其网络生存期更长。其不足之处在于节点维护位置信息(相当于传统网络中的拓扑信息)需要额外的资源。与Sink通信的链首会成为网络通信的瓶颈。

 

无线传感器网络是基于应用特定性的,因此很难说一种路由协议比另一种更好。相信随着许多相关问题的不断解决，无线传感器网络将最终进人到我们的生活中，并对社会进步发挥巨大的作用.

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