【正文】 冪指數(shù)降低。在LEACH路由協(xié)議中，使用的能量消耗公式是一階無(wú)線電模式(first order radio model) 。該模型基于以下的假設(shè)條件：1）網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)完全相同。2）無(wú)線電信號(hào)在各個(gè)方向上能量消耗相同。3）Sink節(jié)點(diǎn)是固定的，并且離整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)較遠(yuǎn)。4）信道是對(duì)稱(chēng)的，從節(jié)點(diǎn)A發(fā)到節(jié)點(diǎn)B的能量消耗與從節(jié)點(diǎn)B發(fā)到節(jié)點(diǎn)A的能量消耗相同。，傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送lbit數(shù)據(jù)消耗的能量分為兩部分，一部分是信號(hào)發(fā)射電路所消耗的能量，一部分是信號(hào)放大電路所消耗的能量，寫(xiě)成公式為： ETxl,d=ETxelecl+ETxampl,d=lEekc+lζampdβ （）lEelec+lζfsd2 ,dd0 lEelec+lζmpd4 ,d≥d0 （） 信號(hào)接收電路接收kbit數(shù)據(jù)所消耗的能量為： ERxl=ERxelecl=lEelec其中Eamp是信號(hào)放大器的放大倍數(shù)，而Eelec是發(fā)送電路和接收電路消耗的能量，在這個(gè)模式里面兩者相等。β 是由無(wú)線電通道決定的常量，d是信號(hào)傳輸?shù)木嚯x。其中，這意味著，信號(hào)傳輸距離越短，能量消耗越少。： 一階無(wú)線電模型 LEACH算法的仿真 LEACH算法的仿真模型 ，它基于以下三點(diǎn)假設(shè)：（1）固定基站(BS)離所有節(jié)點(diǎn)都很遠(yuǎn)，所有簇頭節(jié)點(diǎn)將能夠?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)直接發(fā)送給基站。網(wǎng)絡(luò)中所有傳感器節(jié)點(diǎn)都是同種類(lèi)型的節(jié)點(diǎn)并且具有相同的初始能量；節(jié)點(diǎn)具有足夠的功率與其他節(jié)點(diǎn)和基站進(jìn)行通信，且具有控制發(fā)送功率的能力，每次都是以所需的最小功率與其他節(jié)點(diǎn)或基站進(jìn)行通信，有足夠的計(jì)算能力來(lái)支持信號(hào)處理和計(jì)算路由。（2）傳感器網(wǎng)絡(luò)以數(shù)據(jù)為中心，即在每個(gè)采樣周期，所有節(jié)點(diǎn)都要采集數(shù)據(jù)傳送給簇頭節(jié)點(diǎn)。采樣周期由數(shù)據(jù)采集、將數(shù)據(jù)傳送給簇頭節(jié)點(diǎn)和簇頭節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳送給基站三個(gè)階段組成。假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)每個(gè)采樣周期只有一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)需要發(fā)送且數(shù)據(jù)報(bào)的長(zhǎng)度恒定不變。（3）簇頭節(jié)點(diǎn)已經(jīng)給其簇內(nèi)的成員節(jié)點(diǎn)分配好TDMA時(shí)隙，成員節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)給其簇頭節(jié)點(diǎn)時(shí)，只在其特定的TDMA時(shí)隙內(nèi)發(fā)送，不會(huì)發(fā)生多個(gè)成員節(jié)點(diǎn)同時(shí)向簇頭節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)而產(chǎn)生數(shù)據(jù)沖突的情況。 LEACH算法采用的仿真模型 仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置 首先根據(jù)參考文獻(xiàn)，先對(duì)LEACH協(xié)議的實(shí)驗(yàn)參數(shù)作如下設(shè)置：（1） ，且均靜態(tài)節(jié)點(diǎn)；并把這100個(gè)靜態(tài)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在范圍是100m*100m的指定區(qū)域內(nèi)，縱橫坐標(biāo)范圍從（0，100）到（0，100）；基站設(shè)在（50，175）坐標(biāo)處；（2） 使Eelec=50nJ/bit；式子含義是接發(fā)1個(gè)比特信息耗能為50納焦耳； εda=5nJ/bit，表示簇首節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理融合時(shí)，每融合處理1比特?cái)?shù)據(jù)的能耗是5納焦耳；（3） εamp =，εamp=12pJ/bit/m2，均為放大倍數(shù)在計(jì)算能耗時(shí)的參數(shù)值；數(shù)據(jù)包容量設(shè)置為50bytes，單個(gè)廣播信息包數(shù)據(jù)量設(shè)置25bytes 。 LEACH算法仿真過(guò)程 （1）首先給每一傳感節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分配一個(gè)取值范圍在（0，1）之間的數(shù)，然后逐一和門(mén)限值T(n)公式中給出的T值進(jìn)行對(duì)比，若小于門(mén)限值T，則此節(jié)點(diǎn)會(huì)被當(dāng)選為簇首，所有當(dāng)選的成員節(jié)點(diǎn)均不符合以上條件。* 100m時(shí)，100個(gè)無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)分布狀況圖。 100個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)分布狀況圖對(duì)門(mén)限值公式的認(rèn)真研究發(fā)現(xiàn)，我們可以通過(guò)改變簇首選取時(shí)的概率值來(lái)得到不同當(dāng)選的簇頭的數(shù)目，：是取p=。在圖中用黑色圓圈標(biāo)注當(dāng)選的簇首節(jié)點(diǎn)，用藍(lán)色圓圈標(biāo)注普通成員節(jié)點(diǎn)。容易從圖中看出，簇首的分布狀態(tài)很不均勻；原因所在是簇首位于網(wǎng)絡(luò)邊緣或者幾個(gè)簇首相鄰的情形，且仿真在每輪被選出的簇首數(shù)并非確定是100*=5個(gè)。，、5個(gè)、7個(gè)。圖 當(dāng)選的簇頭數(shù)目為3個(gè)圖 當(dāng)選的簇頭數(shù)目為5個(gè) 當(dāng)選的簇頭數(shù)目為7個(gè)（2）新的簇首節(jié)點(diǎn)被選成功后，余下的成員節(jié)點(diǎn)根據(jù)檢測(cè)到信號(hào)的強(qiáng)弱找到自己應(yīng)加入的簇。若收到較大強(qiáng)度的信號(hào)，表示自身鄰近簇首節(jié)點(diǎn)，距離簇頭節(jié)點(diǎn)越近，其他非簇頭節(jié)點(diǎn)向它發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，耗能自然越少，網(wǎng)絡(luò)的生存周期也會(huì)延長(zhǎng)。仿真實(shí)驗(yàn)中，常用的方法是逐一計(jì)算出簇成員節(jié)點(diǎn)與每個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)的間距，把最鄰近自己的那個(gè)節(jié)點(diǎn)作為簇首。圖中同在一簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)采用相同的符號(hào)表示。容易從圖中看出，因簇頭節(jié)點(diǎn)的分布具有隨機(jī)性，每一簇中的成員節(jié)點(diǎn)數(shù)目差別又很大。擁有成員節(jié)點(diǎn)數(shù)多的簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)在一輪通信中耗能相應(yīng)比較多，因此需要從其成員節(jié)點(diǎn)接收更多的信息再進(jìn)行更有效的數(shù)據(jù)融合處理。（3）無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)LEACH協(xié)議中包含兩種不同類(lèi)型的節(jié)點(diǎn)：一種是簇首；它負(fù)責(zé)與簇內(nèi)各成員節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，然后將采集到的數(shù)據(jù)信息的進(jìn)行融合處理，且把處理后的數(shù)據(jù)傳送至基站；另一種是簇內(nèi)非簇頭節(jié)點(diǎn)，只需要在本簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行通訊。實(shí)際應(yīng)用中，每個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)須具有控制發(fā)射功率的能力，用最小的功率與sink節(jié)點(diǎn)或基站通信。仿真過(guò)程，依照第一順序無(wú)線能量傳輸物理模型計(jì)算出每個(gè)簇成員節(jié)點(diǎn)與其簇頭的間距及簇首與基站的距離。 成簇后的節(jié)點(diǎn)分布狀況圖（4）。通過(guò)節(jié)點(diǎn)能耗計(jì)算流程進(jìn)行仿真。此圖說(shuō)明了LEACH協(xié)議生命周期中的輪數(shù)與剩余節(jié)點(diǎn)數(shù)目之間存在密切的關(guān)系，這種關(guān)系恰恰反映了網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。從仿真圖中不難看出，運(yùn)行到545輪時(shí)，出現(xiàn)第一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡；運(yùn)行至2438輪時(shí)，節(jié)點(diǎn)全部死亡。 結(jié)點(diǎn)耗能計(jì)算流 LEACH算法網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間 LEACH算法仿真結(jié)果分析通過(guò)仿真分析研究，我們得出LEACH算法具有自適應(yīng)，分布式的優(yōu)點(diǎn)。因LEACH成員節(jié)點(diǎn)輪流擔(dān)當(dāng)簇頭，讓每一節(jié)點(diǎn)均勻分擔(dān)能量損耗，網(wǎng)絡(luò)的生命時(shí)間也得到了延長(zhǎng)。同時(shí)，LEACH算法也存在明顯的不足之處，概括起來(lái)有以下兩個(gè)方面：（1）簇頭選舉過(guò)程采用隨機(jī)方式，選擇閉值時(shí)又忽略了節(jié)點(diǎn)的初始能量，所以簇頭把收集過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)信息融合后傳送至基站時(shí)，處理數(shù)據(jù)和傳送過(guò)程中能耗很大。簇首選舉的隨機(jī)性機(jī)制還會(huì)造成將要當(dāng)選的節(jié)點(diǎn)能量過(guò)低，進(jìn)而出現(xiàn)通信失敗，數(shù)據(jù)包丟失的現(xiàn)象。（2）因?yàn)槊枯喼写仡^數(shù)的多少直接受門(mén)限值公式中概率值的影響，所以簇頭數(shù)不斷變化，達(dá)不到想要的理想狀態(tài)；若簇頭數(shù)目太少，則會(huì)失去分層的意義；若數(shù)量太多，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò)能耗過(guò)大，還會(huì)導(dǎo)致每輪中簇中節(jié)點(diǎn)數(shù)差別甚大，簇頭節(jié)點(diǎn)的負(fù)載更不均衡。這情形，也會(huì)出現(xiàn)一些節(jié)點(diǎn)能量過(guò)早耗盡走向死亡的現(xiàn)象。另外，簇首節(jié)點(diǎn)所處的位置不是最優(yōu)化時(shí)，會(huì)造成位于網(wǎng)絡(luò)的邊緣簇首及幾個(gè)簇首鄰近時(shí)，使得某些節(jié)點(diǎn)必須傳輸更遠(yuǎn)的距離與簇首進(jìn)行通信，從而導(dǎo)致了額外的能量損耗。結(jié) 論無(wú)線傳感是二十一世紀(jì)十大新興技術(shù)之一。由于網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)眾多，又要依靠電池供電，且經(jīng)常運(yùn)行在至人無(wú)法看管接近的危險(xiǎn)復(fù)雜的環(huán)境中，維護(hù)時(shí)工作量很大，及時(shí)更換電池顯得很不現(xiàn)實(shí)，關(guān)鍵問(wèn)題所在就是要求我們?cè)O(shè)計(jì)出更有效的方案延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。本論文主要針對(duì)經(jīng)典分簇路由LEACH協(xié)議進(jìn)行研究，在從節(jié)約能量的角度分析了LEACH協(xié)議的優(yōu)勢(shì)所在。最后基于MATLAB環(huán)境對(duì)整個(gè)LEACH協(xié)議的低功耗信息收集機(jī)制原理進(jìn)行了仿真。整個(gè)研究過(guò)程得出以下三方面結(jié)論：（1）簇頭節(jié)點(diǎn)的分布具有隨機(jī)性，每一簇中的成員節(jié)點(diǎn)數(shù)目差別又很大。擁有成員節(jié)點(diǎn)數(shù)多的簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)在一輪通信中耗能相應(yīng)比較多，因此需要從其成員節(jié)點(diǎn)接收更多的信息再進(jìn)行更有效的數(shù)據(jù)融合處理。（2）從仿真的結(jié)果來(lái)看，與一般的平面多跳路由協(xié)議和靜態(tài)分層算法相比，LEACH可以將網(wǎng)絡(luò)生命周期延長(zhǎng)15%。（3）LEACH算法具有自適應(yīng)，分布式的優(yōu)點(diǎn)，但是簇頭選舉過(guò)程采用隨機(jī)方式，選擇閉值時(shí)又忽略了節(jié)點(diǎn)的初始能量，所以簇頭把收集過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)信息融合后傳送至基站時(shí)，處理數(shù)據(jù)和傳送過(guò)程中能耗很大。鑒于研究時(shí)間短和能力有限，本論文的撰寫(xiě)工作與仿真研究還不夠成熟，不夠完善，有待進(jìn)一步改進(jìn)提高。將要進(jìn)一步開(kāi)展的研究工作還很多，主要體現(xiàn)在簇首能量均衡的算法是基于靜態(tài)節(jié)點(diǎn)對(duì)LEACH算法進(jìn)行改進(jìn)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以直接與基站通信的特性，在一定程度上限制了網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性，因此不適應(yīng)于規(guī)模較大網(wǎng)絡(luò)。在現(xiàn)實(shí)的生活中，由于節(jié)點(diǎn)布置的隨意性、所處環(huán)境的特殊性，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)作一段時(shí)間后會(huì)出現(xiàn)能量過(guò)低或者不平衡的聚類(lèi)，此刻應(yīng)加入一些移動(dòng)感測(cè)節(jié)點(diǎn)至聚類(lèi)擔(dān)當(dāng)簇首，并及時(shí)補(bǔ)充能量供給，理論證明和仿真實(shí)驗(yàn)需要進(jìn)一步研究。下一步將針對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)研究和設(shè)計(jì)，并引入多跳的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，使己改進(jìn)的算法更加完善。致 謝本論文是在老師悉心指導(dǎo)下完成的。導(dǎo)師淵博的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，精益求精的工作作風(fēng)，誨人不倦的高尚師德，嚴(yán)以律己、寬以待人的崇高風(fēng)范，樸實(shí)無(wú)華、平易近人的人格魅力對(duì)我影響深遠(yuǎn)。不僅使我樹(shù)立了遠(yuǎn)大的學(xué)術(shù)目標(biāo)、掌握了基本的研究方法，還使我明白了許多待人接物與為人處世的道理。本論文從選題到完成，每一步都是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下完成的，傾注了導(dǎo)師大量的心血。在此，謹(jǐn)向?qū)煴硎境绺叩木匆夂椭孕牡母兄x。其次，我要感謝我的同伴，沒(méi)有他的協(xié)助，我的設(shè)計(jì)是無(wú)法進(jìn)行到最后的。在他的幫助下，我們合作完成了我們的畢業(yè)設(shè)計(jì)。他在完成自己的畢業(yè)設(shè)計(jì)的情況下，給予了我這么多的幫助，我非常感謝。總之，感謝梁老師在百忙之中給予的熱心指導(dǎo)以及我的同伴給予我的配合及幫助。由于我的學(xué)術(shù)水平有限，所寫(xiě)論文難免有不足之處，懇請(qǐng)各位老師和學(xué)友批評(píng)和指正！參考文獻(xiàn)[1]　梁偉．智能無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)．科學(xué)出版社．[2]　史永彬，劉培亮．無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究現(xiàn)狀．國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2005，（11）．[3]　杜曉通．無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與工程應(yīng)用[M]．機(jī)械工業(yè)出版社，2010.[4]　唐宏．無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理及應(yīng)用[M]．人民郵電出版社，2010．[5]　Braginsky D,Estrin D. 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One of the main design goals of WSNs is to carry out data munication while trying to prolong the lifetime of the network and prevent connectivity degradation by employing aggressive energy management techniques. The design of routing protocols in WSNs is influenced by many challenging factors. These factors must be overe before efficient munication can be achieved in WSNs. In th