基于混合聚類算法的無線傳感器網絡LEACH協議改進研究.pdf

1、隨著信息網絡技術迅猛發(fā)展，無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN）已經廣泛應用于科研數據采集和生產生活各類場景，例如已經為某些數據指標監(jiān)控、軍用偵查、農業(yè)生產管理以及環(huán)境污染監(jiān)測等領域做出了很大貢獻。WSN是由大量的微型傳感器節(jié)點組成的一種自組織網絡，這些節(jié)點往往具備特定物質感知技術和無線通信等功能。通過WSN能夠實時監(jiān)測和收集在各種環(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)境數據的方式，不僅高效

2、還省時省力。WSN綜合融入了通信、計算機等各學科技術，加之其對經濟發(fā)展和智能信息化有很大推動作用，因此很多科研人員都開始對WSN特別是其低能耗路由協議進行研究。
　　無線傳感器網絡低能耗問題一直是研究重點，解決通信低能耗的核心是能量高效的路由協議，由于組成WSN的傳感器節(jié)點一般很小，攜帶的能量很有限，由于環(huán)境原因也不可能實現更換電源。因此設計一種高效且低能耗的網絡路由協議，能夠讓WSN中節(jié)點能量消耗更加均衡，有效降低節(jié)點的通信負擔

3、，進而達到延長整個網絡的生命周期的效果，這對推動WSN路由協議發(fā)展與生活應用具有重要意義。
　　首先，本論文對無線傳感器網絡的相關原理概念和能耗問題進行了闡述，接著介紹WSN路由協議并分析了幾種經典的路由協議，將LEACH協議選為研究對象，深入剖析了其工作原理和能耗模型，分析了其優(yōu)缺點和一般改進方向。
　　其次，針對LEACH協議隨機選取簇頭和分簇不均等因素而導致的能量消耗不均衡等缺點，本論文突破傳統(tǒng)的方法，采用類比思想，L

4、EACH協議的成簇過程本質就是聚類劃分過程，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，再結合 WSN路由協議的成簇特點，設計了一種面向求解WSN分簇路由協議簇劃分問題的一種改進型的K-means算法，本論文稱之為混合聚類算法，將它應用于LEACH協議的成簇過程，解決了分簇不均勻問題；并且綜合考慮了節(jié)點剩余能量、與匯聚節(jié)點距離以及與簇中心距離等因素，構造了一種基于混合策略的評價函數來用來完成簇頭（cluster-

5、head，CH）選擇工作，解決了簇頭分布不合理問題；在穩(wěn)定期根據實際情況采取單跳和多跳相結合的通信機制，避免了單跳情況下簇頭的遠距離通信，使得簇頭與基站的通信的路徑是能量消耗最小的，經過對LEACH協議三個工作階段的改進，本論文提出了一種新的能量高效利用的LEACH-HGKM路由協議。
　　最后采用Matlab對改進后的協議和LEACH協議進行了仿真實驗，通過對實驗結果分析，表明改進后的LEACH-HGKM協議與LEACH協議相比

6、，不僅其網絡生命周期得到有效延長，而且可以有效提高網絡節(jié)點的能耗均衡性，提升了網絡的負載均衡性，實現了兩者消耗相同的能量時，改進后的協議可以傳輸更多的數據到基站的效果，達到了預期研究目標。本論文主要成果和創(chuàng)新有以下幾點：
　?。?）針對LEACH分簇不均勻缺點，設計了一種混合聚類算法和簇均衡調整策略用于改進LEACH協議的成簇過程，使得網絡分簇更加均勻；
　?。?）將節(jié)點剩余能量、節(jié)點與基站的距離及與簇中心距離作為影響因子來

7、構造出一種評價函數來完成簇頭選擇工作，使得當選的簇頭節(jié)點的剩余能量相對更多，與基站通信距離更短，達到降低簇內外的通信能耗的效果。在穩(wěn)定階段，采取單跳和多跳相結合的通信方式，先推導出簇頭需要多跳傳輸的條件，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節(jié)點，再在候選節(jié)點中選擇通信能耗最小的作為正式中轉節(jié)點，實現多跳傳輸，其他情況簇頭則進行單跳傳輸方式；
　?。?）采用分而治之方法，以LEACH協議框架為基礎，分別對L