中文---一種高效節(jié)能的擴展leach

1、<p><b>　　中文5260字</b></p><p><b>　　外文資料翻譯</b></p><p>　　一種高效節(jié)能的擴展LEACH</p><p>　　Meenakshi Sharma ; Kalpana Sharma</p><p>　　Department of Compu

2、ter Science and Engineering SMIT, Sikkim Manipal University2012</p><p>　　摘要：本文研究LEACH協(xié)議，它修改了老的版本，最后提出一個新的節(jié)能擴展LEACH協(xié)議。這個新版本的LEACH協(xié)議建立多層次的聚類方法，以盡量減少節(jié)點和引入主簇頭與簇頭之間的通信距離。并且做了MATLAB仿真，仿真結果表明，EEE -LEACH比LEACH協(xié)議更節(jié)能。

3、</p><p>　　關鍵詞：簇；能量；LEACH; EEE -LEACH</p><p><b>　　介紹</b></p><p>　　無線傳感器網絡（WSN）由大量的一些微小節(jié)點組成，這些節(jié)點具有感應，計算和無線通信能力[1]。傳感器連接到節(jié)點測量的環(huán)境條件相關的他們所部署的環(huán)境中，處理數(shù)據，并傳送到基站。此外，傳感器節(jié)點都配有一無線收發(fā)器

4、或其他無線通信設備，一個小型的微控制器和能量源。由于在大多數(shù)無線傳感器網絡應用的能量源是電池[4]并且能量在這類應用中起著重要的作用，因為傳感器節(jié)點通常被有限的能量制約。因此，保持每個節(jié)點的能耗是一個重要目標，對于無線傳感器網絡開發(fā)的路由協(xié)議，必須考慮這個重要目標。在一般情況下，無線傳感器網絡的路由[3]，可以分為平面型，分層型和基于網絡結構的類型。分層路由也被稱為基于路由的簇，因為這種類型的路由傳感器節(jié)點被組合在一起，形成集群。在每個

5、簇，能量更高的節(jié)點是頭節(jié)點，并稱為簇頭（CH）。該CH在自己的簇中充當領導者，它有在它們各自的集群收集和匯總的數(shù)據并把匯總數(shù)據發(fā)送到相應的基站（BS）的責任[5][18]。</p><p>　　最常見的無線傳感器網絡分層路由協(xié)議有LEACH，PEGASIS，TEEN，EECS，HEED等[13]。所有這些之中，LEACH是在WSN協(xié)議最簡單的路由協(xié)議，它的主要目的是分發(fā)、能量負載平均分配給所有的傳感器網絡中的節(jié)點

6、并延長網絡的壽命時間。在本文中我們提出了一個LEACH協(xié)議的改進版本，在較少的無線電通信距離時比原LEACH協(xié)議有更好的能源效率。</p><p>　　在第2節(jié)我們詳細說明了LEACH協(xié)議和一些修改的版本。在第3節(jié)，我們介紹了我們提出的協(xié)議。第4節(jié)表明了實施細則，在第5節(jié)我們對經過比較的仿真結果進行了討論并且在第6節(jié)中，我們得出了總結。</p><p><b>　　描述leach

7、協(xié)議</b></p><p>　　LEACH代表低能量自適應聚類層次并且它是第一個基于集群的分層協(xié)議之一[1]，在這個協(xié)議中，傳感器節(jié)點結合在一起，形成一個本地群集。在所有的傳感器節(jié)點中，一個節(jié)點作為簇頭，形成本地群集。此協(xié)議使用隨機旋轉技術的來選CH，目的是將網絡中所有傳感器的能量負載均分，這可以起到延長節(jié)點電池的作用[5]。CH的主要作用是從各自的集群中收集數(shù)據，聚集這些收集到的數(shù)據，并最終發(fā)送到

8、基站。在這種方式中，在動態(tài)網絡中LEACH協(xié)議有很好的可擴展性和魯棒性，并且從結合數(shù)據融合到數(shù)據收集過程中，以減少要被發(fā)送的數(shù)據量[6]。</p><p>　　LEACH的操作分為兩個階段，并且這些階段進一步劃分為一些子階段。每一個的LEACH輪以建立階段和穩(wěn)態(tài)階段開始。在建立階段簇頭是隨機選擇的，集群的組織如下圖所示。</p><p>　　在穩(wěn)定的狀態(tài)下，節(jié)點發(fā)送它們的數(shù)據到各自的簇頭，

9、之后，簇頭整個集群的“壓縮”的數(shù)據傳輸?shù)交綶6]。[2]下面給出一個包括兩個階段的單輪的LEACH時間線圖。</p><p>　　以下子階段都包含在上述兩個階段去完成LEACH操作[16]。它們分別是：廣播階段，簇的建立階段，計劃創(chuàng)建階段（在建立階段后）和數(shù)據傳輸階段（根據穩(wěn)態(tài)階段來）。</p><p><b>　　A.階段說明</b></p><

10、;p><b>　　a) 廣播階段</b></p><p>　　這是第一個步驟的建立階段。這里決定每個節(jié)點提升作為本輪的CH。這一決定是由n個節(jié)點的選擇0和1[6]之間的隨機數(shù)r。某個節(jié)點如果隨機得到的值小于一個閾值T（n）則它成為CH，T（n）計算公式如下：</p><p>　　其中，n：網絡中傳感器節(jié)點的總數(shù)；p：一個回合網絡中的簇頭節(jié)點數(shù)；r：選擇一個傳感器

11、節(jié)點作為0和1之間的隨機數(shù)。如果該隨機數(shù)小于閾值T（n）的，則各自的節(jié)點成為當前輪的CH。；G：在剩余的1/p回合中未成為類頭節(jié)點的傳感器節(jié)點組成的集。</p><p>　　現(xiàn)在每一個被提名的CH開始在網絡中的節(jié)點的其余部分通告自己的狀態(tài)，非簇頭節(jié)點必須保持他們的接收器在這個階段聽到所有的CH節(jié)點的廣播[16][17]。</p><p><b>　　b) 簇的建立:</b&

12、gt;</p><p>　　收到廣播的消息后，非簇頭節(jié)點決定合適的集群。他們將選擇CH，簇頭將發(fā)送可聽到的最大的信號強度的消息[14]。選出的CH這一事實意味著通信所需的最小傳輸能量[6]。當非簇頭節(jié)點做出這一決定，那么他們使用CSMA MAC協(xié)議通知各自的CH，他們想成為群集成員的消息。</p><p><b>　　c)計劃創(chuàng)建階段：</b></p>

13、<p>　　在非簇頭節(jié)點接收的所有郵件之后，每個簇頭包括他們各自的集群。CH為每個節(jié)點的創(chuàng)建TDMA調度，這表明，它們可以傳輸數(shù)據了。</p><p><b>　　d）數(shù)據傳輸階段：</b></p><p>　　當TDMA為每個節(jié)點固定調度時，根據所分配的時間表，每個節(jié)點都可以將數(shù)據傳輸?shù)礁髯缘腃H。 CH節(jié)點必須保持其接收器接收到在集群中所有節(jié)點的數(shù)據[6

14、]。當他們從節(jié)點上收到所有的數(shù)據時，它們執(zhí)行聚合機制，壓縮數(shù)據量，并且將數(shù)據發(fā)送到基站。過一定時間后，開始新一輪的廣播階段。</p><p>　　B. LEACH的缺點</p><p>　　LEACH是最簡單的分層協(xié)議，如果實施得當，可以得到高效節(jié)能的無線傳感器網絡。但這些節(jié)約能源，也帶來了一些問題，如下所述：</p><p>　　1.LEACH是適合小規(guī)模的網絡，

15、因為LEACH是假定所有節(jié)點都可以互相溝通，并不適應大型規(guī)模的網絡[1]。</p><p>　　2.LEACH在網絡中為每個節(jié)點提供時隙，即使某些節(jié)點可能沒有要發(fā)送的數(shù)據，也將數(shù)據傳輸?shù)酱仡^[3] [15]。</p><p>　　3.LEACH協(xié)議要求所有節(jié)點都不斷地聽，這是不切合實際的隨機分布的傳感器節(jié)點[3] [19]。</p><p>　　4.LEACH協(xié)議沒

16、有確保將所有簇頭均勻地分布在網絡的機制。因此，所有的簇頭可能是只集中在一個網絡的一部分[17]。</p><p>　　5.LEACH在每一輪完成后定期動態(tài)聚類發(fā)生，進行重大的負荷，這可能發(fā)生平衡能量增益聚類現(xiàn)象[3] [19]。</p><p>　　由于LEACH有很多缺點，許多研究人員一直在做才能使這個協(xié)議執(zhí)行得更好。這些進步在下面進行簡要描述。</p><p>

17、　　C.不同類型的LEACH的進步</p><p>　　a) LEACH-F</p><p>　　它是LEACH協(xié)議修改集群和旋轉簇頭后的版本。集群一旦形成，固定，簇頭的位置在集群內的節(jié)點之間旋轉。集群形成只有一次，所以沒有設置在每回合開始。LEACH-F不允許新節(jié)點被添加到系統(tǒng)中，沒有調整自己的行為，直至節(jié)點死去。</p><p>　　b) LEACH-C<

18、/p><p>　　W. B. Heinzelman等為WSN提出特定應用協(xié)議的架構，稱為LEACH集中協(xié)議（LEACH-C）。它是一種增強LEACH協(xié)議。LEACH-C，采用的是集中式聚類算法和相同的穩(wěn)態(tài)階段LEACH協(xié)議。LEACH-C比LEACH更有效，因為LEACH-C比LEACH每單位能量提供了約40％以上的數(shù)據。</p><p>　　c) E-LEACH</p><

19、;p>　　Energy-LEACH（E-LEACH）[9]在LEACH的基礎上提高了CH選拔程序。它使節(jié)點的剩余能量決定節(jié)點是否變成CH或者不經過第一輪為主要度量。E-LEACH的操作分輪，在第一輪中，每個節(jié)點具有相同的概率變?yōu)镃H，這意味著節(jié)點是隨機選擇的作為簇頭，在下一輪中，每個節(jié)點的剩余能量是不同的，后一個全方位溝通和考慮成為簇頭。這意味著平均節(jié)點有更多的精力將成為CH，而且用更少的能源。</p><p&

20、gt;　　d) V-LEACH</p><p>　　V-LEACH[10]是LEACH協(xié)議的新版本內的無線網絡，其目的是減少能源消耗。V-LEACH協(xié)議的主要理念是，除了有一個CH集群中，有一個副CH，副CH的作用是CH去世時代替它。通過這樣做，群集節(jié)點的數(shù)據將始終達到BS沒有需要選出一個新的CH的時機，這樣會延長整個網絡的生命時間。</p><p>　　e) H-LEACH</p&

21、gt;<p>　　Hierarchical LEACH（H-LEACH）[3]由G.理查德Wairagu提出，通過最大限度地減少節(jié)點之間的通信距離，以節(jié)省能源。它采用了相同的LEACH的聚類方法。在初始階段，進一步聚類簇頭和簇頭，隨后將充當主簇頭（MCH）提前一名，進行數(shù)據轉發(fā)到基站。在H-LEACH終于只有一個主簇頭是涉及到所有壓縮數(shù)據傳輸?shù)交?，所以中央點失敗的情況時可能發(fā)生的MCH死亡。</p><

22、;p><b>　　四．提出協(xié)議</b></p><p>　　在研究領域的無線傳感器網絡時，大量的仿真工程/實驗表明，有越來越多的高效節(jié)能的路由協(xié)議。在本文中，我們提出了一個修改后的版本LEACH稱為EEE LEACH，比原來的LEACH可以提高能源效率。提高能源效率的基本概念涉及的盡可能保持最低無線通信距離[3]。目前流行的技術，用來減少通信距離的集群節(jié)點之間形成的，而不是直接的溝通[

23、3] [15]。比如增加集群，通信距離的下降以及隨著因能量效率的協(xié)議增加的數(shù)量。因此，我們可以說，集群的數(shù)量和通信距離彼此成反比。</p><p>　　為了保持這些概念，我們提出了多層次的聚類技術。在這里，除了像LEACH的節(jié)點和基站的簇之間形成單層，它涉及到集群形成兩層。在第一層中的簇頭形成正常節(jié)點發(fā)送自己的數(shù)據到各自的CH和使用的數(shù)據聚集的能量（EDA）技術，簇頭聚合接收到的數(shù)據。同樣在第二層形成主簇頭（MC

24、H）。主簇頭的形成后，簇頭搜索最接近的主簇頭，通過計算它們之間的距離，其總數(shù)據傳輸?shù)礁髯缘闹鞔仡^。以類似的方式，主簇頭從他們最近的簇頭接收數(shù)據，所有接收到的數(shù)據，通過使用他們的主數(shù)據聚合能源技術（EMDA）聚合，將其轉化為一種壓縮格式，并轉發(fā)給基站（BS）。</p><p>　　初步決定簇頭和主簇頭的數(shù)量由d決定，使用分數(shù)值為（5％至30％）為簇頭（2％至15％）的主簇頭。在EEE LEACH，我們的主簇頭的數(shù)目

25、保持在小于簇頭的數(shù)量，以減少整體的節(jié)點和基站之間的通信距離。</p><p>　　我們LEACH協(xié)議的新版本中引入的關鍵思想是最大限度地減少了控制開銷CHS和同樣在主簇頭的分配負載，而最后將數(shù)據轉發(fā)給BS。節(jié)點遭受額外的開銷時，這將克服節(jié)點故障的情況。</p><p>　　無線通信距離從傳感器領域中向基站的距離為x，節(jié)點之間的距離為y，簇頭之間的距離為z，正常節(jié)點的數(shù)目為n1，簇頭的數(shù)目為

26、n2，以及有多少主簇頭為n3的[3]?，F(xiàn)有的LEACH模型的無線通信距離的計算方法使用下面的方程式[3]：</p><p>　　例如，讓我們在現(xiàn)有的LEACH和EEE LEACH總共有200個節(jié)點。使用LEACH算法中，節(jié)點被分成34個簇。因此，34個簇頭和正常的節(jié)點是166。</p><p>　　同樣使用EEE LEACH算法讓200個節(jié)點分為30個簇，4個主簇頭和166個正常節(jié)點，。&

27、lt;/p><p>　　上述式（2）建議的EEE LEACH模型可以修改為如下：</p><p>　　讓 x=15, y=2, z=3 那么 LEACH, d = 166*y + 34*x = 842 </p><p>　　并且在 EEE LEACH, d’ = 166*y + 30*z + 4*x = 482 </p><p>　　在這種方式

28、中，我們可以觀察到D和D'之間有巨大的差異，d'比d小。因此，大大的減小層次聚類的傳輸距離，這反過來又使節(jié)約能源消耗最小化。</p><p><b>　　五，實施細節(jié)</b></p><p>　　路由協(xié)議LEACH和EEE LEACH已經準確地模擬在MATLAB中。先假設一個網絡，尺寸為200米×300米。在每個協(xié)議的節(jié)點的數(shù)量被假定為200

29、。節(jié)點產生的隨機放置。每一種路由協(xié)議的能量意識，相對于以下參數(shù)評價：</p><p>　　1.在每一輪的節(jié)點的能量消耗。</p><p>　　2.每輪所需的一定百分比（0.5％，50％，100％）的節(jié)點成為死的數(shù)目。</p><p>　　3.最佳選舉概率值的簇頭（p）和主簇頭（pm），以確定所提出的協(xié)議有更高的效率。</p><p>　　傳輸

30、成本和接收k比特的消息的距離為d的成本的方程如下[2] [12] [16] [18]：在多徑的情況下發(fā)送數(shù)據（ETX）的能源消耗衰落和免費空間表示為：</p><p>　　能耗接收數(shù)據（ERX）被給定為：</p><p><b>　　其中，</b></p><p>　　Eelec表示發(fā)射機或接收機電路每比特消耗的能量。 Emp多徑衰落的消耗的能

31、源。 Efs自由空間能源消耗量。</p><p>　　在協(xié)議中的每個節(jié)點的初始能量為E0并且每一輪完成后，協(xié)議的能量消耗，E0開始減小。以這種方式時，在協(xié)議中的任何一個節(jié)點的E0變?yōu)榱悖缓蟀l(fā)生第一個節(jié)點死亡的情況。</p><p>　　類似地，當在協(xié)議中的節(jié)點數(shù)目的一半的E0變?yōu)榱悖瑒t一半節(jié)點死亡的情況發(fā)生時，在協(xié)議中的節(jié)點的最后一個節(jié)點的E0變?yōu)榱悖瑒t最后一個節(jié)點死亡的情況發(fā)生。<

32、;/p><p>　　簇頭和主簇頭的數(shù)量是由固定在式（1）給出的閾值T1和T的值的之間的p和pm，我們得到的CH和主簇頭的數(shù)目。我們把p在式（1）的地方預先確定的固定值時，計算t，那么我們得到的主簇頭的數(shù)量。</p><p>　　仿真中涉及的參數(shù)描述在下面的表I.</p><p><b>　　仿真參數(shù)表</b></p><p>

33、;　　在MATLAB中的路由協(xié)議的截圖</p><p>　　圖4和圖5分別為LEACH和EEE LEACH協(xié)議在MATLAB的模擬輸出：</p><p><b>　　結果與討論</b></p><p>　　我們模擬了我們所提出的協(xié)議，并用所生成的數(shù)據與原LEACH協(xié)議做了比較。</p><p>　　圖6顯示了第五輪完成后

34、LEACH和LEACH EEE之間的能源消耗的對比圖，在兩者p=15％且在EEE LEACH中pm=2%時，LEACH此時的消耗能量為1.5758 J，EEE LEACH為0.4223 J。從圖中清楚地理解，EEE LEACH比LEACH更節(jié)能，因為EEE LEACH比LEACH消耗更少的能量。</p><p>　　圖7示出的死亡節(jié)點圖，LEACH和EEE LEACH此輪節(jié)點數(shù)目為50，100，150和200。對

35、于50的節(jié)點數(shù)量，LEACH和EEE LEACH協(xié)議的第一個死亡節(jié)點在307和653的輪數(shù)，同樣在100，150和200的節(jié)點數(shù)量的情況下，LEACH和EEE LEACH協(xié)議的第一個死亡節(jié)點在[355735]，[371，747]和[392，799]輪。上述實施細節(jié)部分中提到的步驟找到的第一個死亡節(jié)點。因此，它清楚地表明EEE LEACH比LEACH的第一個死亡節(jié)點延遲。</p><p>　　圖8顯示了一半數(shù)量的節(jié)

36、點死亡（50％）時的曲線圖，此輪LEACH和EEE LEACH的節(jié)點數(shù)目為50，100,150和200。節(jié)點數(shù)量為50時，LEACH和EEE LEACH節(jié)點死亡一半在961和1493輪，同樣節(jié)點數(shù)量為100，150和200，在LEACH和EEE LEACH節(jié)點死亡一半在[1180和2017]，[1312和2132]和[1534和2139]輪。上面實現(xiàn)細節(jié)部分提到的方式來確定半節(jié)點死者的數(shù)量。因此它清楚地表明，EEE LEACH比LEAC

37、H一半死節(jié)點數(shù)量延遲。</p><p>　　圖9顯示了最后一個節(jié)點（100％）死亡圖，LEACH和LEACH EEE的節(jié)點數(shù)量為50，100，150 和200。對于50個節(jié)點，最后一個節(jié)點在LEACH和EEE LEACH分別在4592和5094的輪死亡。同樣100，150和200的節(jié)點數(shù)量，LEACH和EEE LEACH協(xié)議的最后一個節(jié)點是死亡分別在[4732and5174]，[5310，5503]和[6427和

38、7142]的輪。找到最后一個節(jié)點死亡的過程中提到的實現(xiàn)細節(jié)部分。因此，它清楚地表明在EEE LEACH的情況下的最后一個節(jié)點死亡，遲于LEACH。</p><p>　　總體而言，很顯然這三幅圖中的每一幅都顯示，EEE LEACH節(jié)點的生存時間比LEACH長。因此，EEE LEACH比LEACH能夠更好的延長網絡的生命周期。</p><p>　　圖10表示圖LEACH和LEACH EEE之間

39、簇頭選舉概率值（P）從5％到30％，，并且改變主簇頭選舉的概率值（pm）為2％，4％，6％，8％和10％，好地為EEE LEACH協(xié)議。這個概率值p和pm也影響式（1）中的閾值。該圖顯示在兩者p相同，EEE LEACH協(xié)議的剩余能量在pm= 2％時，EEE LEACH協(xié)議比LEACH協(xié)議的顯示出更大的效率。</p><p>　　逐漸增加EEE LEACH的PM值，減少P值。 EEE LEACH協(xié)議，比LEACH變

40、得不那么有效，但在更大的p值，EEE LEACH再次變得比LEACH有效率。總體來說，EEE LEACH在降低、增加pm值或增加p值有更好的表現(xiàn)。</p><p><b>　　結論</b></p><p>　　在本文中，我們認為一個眾所周知的無線傳感器網絡路由協(xié)議稱為LEACH，在LEACH協(xié)議基礎上提出了一個新的版本稱為EEELEACH的。EEE LEACH協(xié)議成功