基于混合聚類算法的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)LEACH協(xié)議改進(jìn)研究.pdf

1、隨著信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迅猛發(fā)展，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）已經(jīng)廣泛應(yīng)用于科研數(shù)據(jù)采集和生產(chǎn)生活各類場(chǎng)景，例如已經(jīng)為某些數(shù)據(jù)指標(biāo)監(jiān)控、軍用偵查、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理以及環(huán)境污染監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域做出了很大貢獻(xiàn)。WSN是由大量的微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成的一種自組織網(wǎng)絡(luò)，這些節(jié)點(diǎn)往往具備特定物質(zhì)感知技術(shù)和無(wú)線通信等功能。通過(guò)WSN能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和收集在各種環(huán)境下的特定物理環(huán)境信息，改變了傳統(tǒng)人工采集物理環(huán)境數(shù)據(jù)的方式，不僅高效

2、還省時(shí)省力。WSN綜合融入了通信、計(jì)算機(jī)等各學(xué)科技術(shù)，加之其對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和智能信息化有很大推動(dòng)作用，因此很多科研人員都開始對(duì)WSN特別是其低能耗路由協(xié)議進(jìn)行研究。
　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)低能耗問(wèn)題一直是研究重點(diǎn)，解決通信低能耗的核心是能量高效的路由協(xié)議，由于組成WSN的傳感器節(jié)點(diǎn)一般很小，攜帶的能量很有限，由于環(huán)境原因也不可能實(shí)現(xiàn)更換電源。因此設(shè)計(jì)一種高效且低能耗的網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，能夠讓W(xué)SN中節(jié)點(diǎn)能量消耗更加均衡，有效降低節(jié)點(diǎn)的通信負(fù)擔(dān)

3、，進(jìn)而達(dá)到延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期的效果，這對(duì)推動(dòng)WSN路由協(xié)議發(fā)展與生活應(yīng)用具有重要意義。
　　首先，本論文對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)原理概念和能耗問(wèn)題進(jìn)行了闡述，接著介紹WSN路由協(xié)議并分析了幾種經(jīng)典的路由協(xié)議，將LEACH協(xié)議選為研究對(duì)象，深入剖析了其工作原理和能耗模型，分析了其優(yōu)缺點(diǎn)和一般改進(jìn)方向。
　　其次，針對(duì)LEACH協(xié)議隨機(jī)選取簇頭和分簇不均等因素而導(dǎo)致的能量消耗不均衡等缺點(diǎn)，本論文突破傳統(tǒng)的方法，采用類比思想，L

4、EACH協(xié)議的成簇過(guò)程本質(zhì)就是聚類劃分過(guò)程，本論文用遺傳算法獲取K-means算法的初始聚類中心，吸取兩者優(yōu)點(diǎn)，再結(jié)合 WSN路由協(xié)議的成簇特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種面向求解WSN分簇路由協(xié)議簇劃分問(wèn)題的一種改進(jìn)型的K-means算法，本論文稱之為混合聚類算法，將它應(yīng)用于LEACH協(xié)議的成簇過(guò)程，解決了分簇不均勻問(wèn)題；并且綜合考慮了節(jié)點(diǎn)剩余能量、與匯聚節(jié)點(diǎn)距離以及與簇中心距離等因素，構(gòu)造了一種基于混合策略的評(píng)價(jià)函數(shù)來(lái)用來(lái)完成簇頭（cluster-

5、head，CH）選擇工作，解決了簇頭分布不合理問(wèn)題；在穩(wěn)定期根據(jù)實(shí)際情況采取單跳和多跳相結(jié)合的通信機(jī)制，避免了單跳情況下簇頭的遠(yuǎn)距離通信，使得簇頭與基站的通信的路徑是能量消耗最小的，經(jīng)過(guò)對(duì)LEACH協(xié)議三個(gè)工作階段的改進(jìn)，本論文提出了一種新的能量高效利用的LEACH-HGKM路由協(xié)議。
　　最后采用Matlab對(duì)改進(jìn)后的協(xié)議和LEACH協(xié)議進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，表明改進(jìn)后的LEACH-HGKM協(xié)議與LEACH協(xié)議相比

6、，不僅其網(wǎng)絡(luò)生命周期得到有效延長(zhǎng)，而且可以有效提高網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能耗均衡性，提升了網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡性，實(shí)現(xiàn)了兩者消耗相同的能量時(shí)，改進(jìn)后的協(xié)議可以傳輸更多的數(shù)據(jù)到基站的效果，達(dá)到了預(yù)期研究目標(biāo)。本論文主要成果和創(chuàng)新有以下幾點(diǎn)：
　　（1）針對(duì)LEACH分簇不均勻缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種混合聚類算法和簇均衡調(diào)整策略用于改進(jìn)LEACH協(xié)議的成簇過(guò)程，使得網(wǎng)絡(luò)分簇更加均勻；
　?。?）將節(jié)點(diǎn)剩余能量、節(jié)點(diǎn)與基站的距離及與簇中心距離作為影響因子來(lái)

7、構(gòu)造出一種評(píng)價(jià)函數(shù)來(lái)完成簇頭選擇工作，使得當(dāng)選的簇頭節(jié)點(diǎn)的剩余能量相對(duì)更多，與基站通信距離更短，達(dá)到降低簇內(nèi)外的通信能耗的效果。在穩(wěn)定階段，采取單跳和多跳相結(jié)合的通信方式，先推導(dǎo)出簇頭需要多跳傳輸?shù)臈l件，再在剩下的簇頭集合中選擇離基站近且剩余能量大的簇頭作為候選中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)，再在候選節(jié)點(diǎn)中選擇通信能耗最小的作為正式中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)多跳傳輸，其他情況簇頭則進(jìn)行單跳傳輸方式；
　?。?）采用分而治之方法，以LEACH協(xié)議框架為基礎(chǔ)，分別對(duì)L