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

1、隨著信息網(wǎng)絡技術迅猛發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Network，WSN）已經(jīng)廣泛應用于科研數(shù)據(jù)采集和生產(chǎn)生活各類場景，例如已經(jīng)為某些數(shù)據(jù)指標監(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(wǎng)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(shù)據(jù)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(jīng)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(xié)議進行研究。
　　無線傳感器網(wǎng)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(xié)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(xiàn)更換電源。因此設計一種高效且低能耗的網(wǎng)絡路由協(xié)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(wǎng)絡的生命周期的效果，這對推動WSN路由協(xié)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(wǎng)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(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(xié)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(xié)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(xié)議的成簇特點，設計了一種面向求解WSN分簇路由協(xié)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(xié)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(shù)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(jù)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(jīng)過對LEACH協(xié)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(xié)議。
　　最后采用Matlab對改進后的協(xié)議和LEACH協(xié)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(xié)議與LEACH協(xié)議相比

6、，不僅其網(wǎng)絡生命周期得到有效延長，而且可以有效提高網(wǎng)絡節(jié)點的能耗均衡性，提升了網(wǎng)絡的負載均衡性，實現(xiàn)了兩者消耗相同的能量時，改進后的協(xié)議可以傳輸更多的數(shù)據(jù)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(xié)議的成簇過程，使得網(wǎng)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(shù)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(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合的通信方式，先推導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(xiàn)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(xié)議框架為基礎，分別對L