【正文】 4 2 16 顯然，采用 LEACH 算法時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期將小于 4 輪。 未考慮簇頭在簇結(jié)構(gòu)中位置時(shí)存在的問(wèn)題 為指出未考慮簇頭在簇結(jié)構(gòu)中位置時(shí) LEACH 算法中存在的問(wèn)題，首先假定通過(guò)飛機(jī)播 撒等方式部署的傳感器網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)形成了若干個(gè)簇。 由此導(dǎo)致在 傳感器節(jié)點(diǎn)密集分布 區(qū)域的簇頭能耗巨大 ， 而在 傳感器節(jié)點(diǎn)稀疏分布 區(qū)域的簇頭能耗較小，網(wǎng)絡(luò)中各簇頭的能耗極不均衡。由于位于簇邊緣位置的簇頭其通訊 能耗遠(yuǎn)大于位于簇中心位置的簇頭，因此將導(dǎo)致各簇頭能耗不均 衡，使某些簇頭節(jié)點(diǎn)能量提前耗盡。 (1) 算法沒(méi)有 考慮簇頭節(jié)點(diǎn)在簇結(jié)構(gòu)中的位置對(duì)簇頭能耗的影響。 每輪 工作周期結(jié)束后， 重新選擇簇頭 并重復(fù)前面的工作 。在初始化階段，隨機(jī)選擇節(jié)點(diǎn)為簇首領(lǐng)，成為簇首領(lǐng)的節(jié)點(diǎn)向周圍廣播信息，其它節(jié)點(diǎn)根據(jù)接受到廣播信息的強(qiáng)度來(lái)選擇它所要加入的簇，并告知相應(yīng)的簇首領(lǐng)，由于信息的強(qiáng)度和節(jié)點(diǎn)之間的距離是成正比的，因此，實(shí)際上各非 簇頭節(jié)點(diǎn)是選擇距離自己地理距離最短的簇頭所在的簇加入，并形成簇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 如圖 所示： 湖南大學(xué)畢業(yè)論文 第 12 頁(yè) 圖 成簇階段圖 傳感器網(wǎng)絡(luò)首先產(chǎn)生中心節(jié)點(diǎn)，其余節(jié)點(diǎn)加入距離自己最近的中心節(jié) 點(diǎn)所在的簇，然后由中心節(jié)點(diǎn)直接和 SINK 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊。 Step7： 每隔時(shí)間 t，進(jìn)行下一輪簇頭選取，轉(zhuǎn) Step1，重新選擇 簇頭并成簇。 Step5： 其余節(jié)點(diǎn)選擇加入某簇頭所在的簇，形成穩(wěn)定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 Step3： Ni產(chǎn)生一個(gè) 0~1 之間的隨機(jī)數(shù) RadomNum。并根據(jù)該閥值從候選節(jié)點(diǎn)中 挑 選簇頭，具體的步驟： Step1： 若傳感器節(jié)點(diǎn) Ni∈ G，則對(duì)于每個(gè) Ni獨(dú)立運(yùn)算 ()式，獲得閥值 T(n)。 該算法主要通過(guò)隨機(jī)選擇簇首領(lǐng)，平均分擔(dān)中繼通信業(yè)務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能。 ? 節(jié)點(diǎn)都沒(méi)有位置信息。 ? 傳感器網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)是同構(gòu)的，并且能量都受到限制。 ? 分簇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)便于管理，有利于分布式算法的應(yīng)用，可以對(duì)系統(tǒng)變化作出快速反應(yīng)，具有較好的可擴(kuò)展性，適合大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)。 ? 成員節(jié)點(diǎn)的功能比較簡(jiǎn)單，無(wú)須維護(hù)復(fù)雜的路由信息。這樣既保證了原有覆蓋范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)通信，也在很大程度上節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)能量。 LEACH算法 LEACH 算法是一種典型的層次路由算法。這就是通過(guò)各種優(yōu)化應(yīng)用，完善操作系統(tǒng)和通信協(xié)議來(lái)降低網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，從而在總能量不變的情況 下增加傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用時(shí)間。 傳統(tǒng)的能量供應(yīng)裝置是電池，然而縮小電池的體積，增加電池容量的工程技術(shù)發(fā)展緩慢，這直接影響了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。而分布式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)正是這一思想的重要體現(xiàn)。 本章 首先給出了 傳感器網(wǎng)絡(luò) 的定義、特點(diǎn)以及 傳感器網(wǎng)絡(luò) 管理核心技術(shù)的描述，然后，簡(jiǎn)要介紹了 傳感器網(wǎng)絡(luò) 的應(yīng)用領(lǐng)域，最后，簡(jiǎn)述了當(dāng)前 傳感器網(wǎng)絡(luò) 研究中所面臨的挑戰(zhàn)。每個(gè)傳感器僅僅具有有限的計(jì)算資源，難以處理巨大的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流。 (7)感知數(shù)據(jù)流巨大。很多傳感器網(wǎng) 絡(luò)需要對(duì)感知對(duì)象進(jìn)行控制，如溫度控制。傳感器網(wǎng)絡(luò)必須具有可重構(gòu)和自調(diào)整性。網(wǎng)絡(luò)中的傳感器、感知對(duì)象和觀察者這三要素都可能具有移動(dòng)性，并且經(jīng)常有新節(jié)點(diǎn)加入或已有節(jié)點(diǎn)失效。 (5)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性強(qiáng)。傳感器的數(shù)量與用戶數(shù)量比通常也非常大。傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)密集，數(shù)量巨大，可能達(dá) 湖南大學(xué)畢業(yè)論文 第 9 頁(yè) 到幾 百、幾千萬(wàn)，甚至更多。如何使用大量具有有限計(jì)算能力的傳感器進(jìn)行協(xié)作分布式信息處理，是我們面臨的第 3 個(gè)挑戰(zhàn)。這些傳感器都具有計(jì)算能力，可以完成一些信息處理工作。 (3)計(jì)算能力有限。商 品化的無(wú)線發(fā)送接收器電源遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)的需要。網(wǎng)絡(luò)中的傳感器由于電源能量的原因經(jīng)常失效或廢棄。 (2)電源能量有限。傳感器之間的通信斷接頻繁，經(jīng)常導(dǎo)致通信失敗。這些特點(diǎn)向我們提出了一系列挑戰(zhàn)性問(wèn)題 [14]： (1)通信能力有限。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將是未來(lái)的一個(gè)無(wú)孔不入的十分龐大的網(wǎng)絡(luò)，其應(yīng)用可以涉及到人類日常生活和社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)的所有領(lǐng)域。家庭采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)家電協(xié)同工作，進(jìn)行安全調(diào)控，并且可以節(jié)省電能。我們可以大膽的預(yù)見(jiàn)，將來(lái)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將無(wú)處不在，將完全融入我們的生活。盡管無(wú)線傳感器技術(shù)目前仍處于初步應(yīng)用階段，但已經(jīng)展示出了非凡的應(yīng)用價(jià)值，相信隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和推進(jìn)，一定會(huì)得到更大的應(yīng)用。此外和還可以在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線等諸多領(lǐng)域，英特爾正在對(duì)工廠中的一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)試，該網(wǎng)絡(luò)由 40 臺(tái)機(jī)器上的 210 個(gè)傳感器組成 ，這樣組成的監(jiān)控系統(tǒng)將可以大大改善工廠的運(yùn)作條件。比如一些危險(xiǎn)的工業(yè)環(huán)境如井礦、核電廠等，工作人員可以通過(guò)它來(lái)實(shí)施安全監(jiān)測(cè)。哈伯研究公司總裁阿爾門(mén)丁格預(yù)測(cè)：智能塵埃式傳感器及有關(guān)的技術(shù)銷售將從 20xx 年的 1000 萬(wàn)美元增加到 20xx 年的幾十億美元。 軍事領(lǐng)域 由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有密集型、低成本、隨機(jī)分布的節(jié)點(diǎn)組成，自組織性和容錯(cuò)能力使其非常適合應(yīng)用于惡劣的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，包括偵察敵情、監(jiān)控兵力、裝備和物資，判斷生物化學(xué)攻擊等多方面用途 [1]。而且還可以減輕護(hù)理人員的負(fù)擔(dān)。該系統(tǒng)通過(guò)在鞋、家具以家用電器等家中道 具和設(shè)備中嵌入半導(dǎo)體傳感器，幫助老齡人士、阿爾茨海默氏病患者以及殘障人士的家庭生活。英特爾公司也推出了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的家庭護(hù)理技術(shù)。它可以用于病區(qū)移動(dòng)查房、床邊護(hù)理、呼叫通信、護(hù)理監(jiān)控、藥庫(kù)管理等方面。它也可以應(yīng)用在精細(xì)農(nóng)業(yè)中，來(lái)監(jiān)測(cè)農(nóng)作物中的害蟲(chóng)、土壤的酸堿度和施肥狀況等。20xx 年第二季度，他們換用 150 個(gè)安有 D 型微型電池的第二代傳感器，來(lái)評(píng)估這些鳥(niǎo)巢的條件。 傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用 環(huán)境的檢測(cè)和保護(hù) 隨著人們對(duì)于環(huán)境問(wèn)題的關(guān)注程度越來(lái)越高，需要采集的環(huán)境數(shù)據(jù)也越來(lái)越多，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的 出現(xiàn)為隨機(jī)性的研究數(shù)據(jù)獲取提供了便利，并且還可以避免傳統(tǒng)數(shù)據(jù)收集方式給環(huán)境帶來(lái)的侵入式破壞。只有這樣才能夠設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高效率的以數(shù)據(jù)為中心的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。感知數(shù)據(jù)管理與處理技術(shù)包括感知網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢、分析、挖掘、 理解以及基于感知數(shù)據(jù)決策和行為的理論和技術(shù)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)必須以感知數(shù)據(jù)管理和處理為中心，把數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)緊密結(jié)合，從邏輯概念和軟、硬件技術(shù)兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)一個(gè)高性能的以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，為用戶或觀察者提供一個(gè)有效的感知數(shù)據(jù)空間或感知數(shù)據(jù)庫(kù)管理和處理系統(tǒng)，使用戶如同使用通常的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)一樣自如地在傳感器網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行感知數(shù)據(jù)的管理和處理。 傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù) 以數(shù)據(jù)為中心的傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本思想是：把傳感器視為感知數(shù)據(jù)流或感知數(shù)據(jù)源，把傳感器網(wǎng)絡(luò)視為感知數(shù)據(jù)空間或感知數(shù)據(jù)庫(kù)，把數(shù)據(jù)管理和處理作為網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用目標(biāo)。每個(gè)傳感器僅僅具有有限的計(jì)算資源，難以處理巨大的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流。 (4) 感知數(shù)據(jù)流巨大。傳感器的數(shù) 量與用戶數(shù)量比通常也非常大。傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)密集，數(shù)量巨大，可能達(dá)到幾百、幾千萬(wàn)，甚至更多。使用大量具有有限計(jì)算能力的傳感器進(jìn)行協(xié)作分布式信息處理，是我們的選擇之一。這些傳感器都具有計(jì)算能力，可以完成一些信息處理工作。 (2) 計(jì)算能力有限。傳感器之間的通信斷接頻繁，經(jīng)常導(dǎo)致通信失敗。 典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu) 傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn) 傳感器網(wǎng)絡(luò)除了具有 AdHoc 網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性、斷接性、電源能力有限等特征外，還具有以下鮮明特點(diǎn) [14]： (1) 通信能力有限。 Sink 直接與 Inter 或通信衛(wèi)星相連，通過(guò) Inter 或通信衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)任務(wù)管理節(jié)點(diǎn) (即觀察者 )與傳感器之間的通信。傳感器節(jié)點(diǎn)散布在指定的感知區(qū)域內(nèi)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以收集數(shù)據(jù)， 湖南大學(xué)畢業(yè)論文 第 5 頁(yè) 并通過(guò) “多跳 ”路由方式把數(shù)據(jù)傳送到 Sink。軟件則為傳感器提供必要的軟件支持，如嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)等。處理部件負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)各部分的工作。電源為傳感器提供正常 工作所必需的能源。節(jié)點(diǎn)間以 AdHoc 方式進(jìn)行通信，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以充當(dāng)路由器的角色，并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具備動(dòng)態(tài)搜索、定位和恢復(fù)連接的能力。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的部分或全部節(jié)點(diǎn)可以移動(dòng)。 從定義可以看出，傳感器、感知對(duì)象和觀察者是傳感器網(wǎng)絡(luò)的 3 個(gè)基本要素；有線或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是傳感器之間、傳感器 與觀察者之間的通信方式，用于在傳感器與觀察者之間建立通信路徑；協(xié)作地感知、采集、處理、發(fā)布感知信息是傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能。 小結(jié) 本章首先給出了課題的研究背景與意義、然后綜述了國(guó)內(nèi)外 傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋判定算法 的研究現(xiàn)狀、最后，給出了論文的結(jié)構(gòu)和研究?jī)?nèi)容簡(jiǎn)介。 第 五 章 對(duì)算法進(jìn)行仿真模擬實(shí)驗(yàn)。 第三章對(duì)傳統(tǒng)的 LEACH 算法進(jìn)行了介紹，并詳細(xì)分析了其存在的不足。 論文主要由以下部分構(gòu)成： 第一章對(duì)本課題背景和國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀做了描述。 (2) 針對(duì) LEACH 算法在簇頭選取過(guò)程中沒(méi)有考慮簇頭在簇結(jié)構(gòu)中位置 和 沒(méi)有考慮節(jié)點(diǎn)實(shí)際部署情況而引發(fā)的問(wèn)題，將基于節(jié)點(diǎn)平均能耗的簇頭選取算法和節(jié)點(diǎn)密度數(shù)學(xué)模型結(jié)合起來(lái)，提出了能量有效簇頭選取算法。目前提出的成簇算法有ACMWN、 HYENAS、 EECS、 PEGASIS、 GAF、 ACE、 FBCC 等。 成簇算法 湖南大學(xué)畢業(yè)論文 第 3 頁(yè) 成簇算法在簇頭產(chǎn)生后，形成簇的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將網(wǎng)絡(luò)劃分成相連的區(qū)域。更多的簇頭選取算法綜合考慮了節(jié)點(diǎn)的剩余能量，簇頭到基站的距離，簇內(nèi)通信代價(jià)等問(wèn)題。 網(wǎng)絡(luò)分布 如圖 1 所示， 圖 簇集網(wǎng)絡(luò)示意圖 簇頭選取算法 簇頭的產(chǎn)生是簇形成的基礎(chǔ)， 在一些算法中，比如 Maxmin Zpmin， 簇頭是被預(yù)先指定部署的，且假設(shè)它們的能量并不受限。 在成簇算法中，網(wǎng)絡(luò)通常被劃分為簇（ Cluster）。第一個(gè)階段是根據(jù)一定的機(jī) 制算法選取某個(gè)接點(diǎn)作為簇頭，用于管理或控制整個(gè)簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)成員節(jié)點(diǎn)之間的工作，負(fù)責(zé)簇內(nèi)信息的收集和數(shù)據(jù)的融合處理以及簇間轉(zhuǎn)發(fā)。針對(duì)以上問(wèn)題，學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)主要集中在傳感器分簇算法、通信路由協(xié)議、傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋以及傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)上的研究上。 綜上所述，本文研究傳感器網(wǎng)絡(luò)中能量有效的分簇算法，具有重要的理論意義與實(shí)用價(jià)值。而覆蓋算法也是以分簇算法為基礎(chǔ)進(jìn)行研究的。分簇算法作為路由協(xié)議的研究基礎(chǔ)，對(duì)路由算法性能的優(yōu)劣具有重要的影響。 由于傳感器網(wǎng)絡(luò)具有異于 MANET 的獨(dú)特性質(zhì) [13]，因此傳統(tǒng) MANET 協(xié)議不適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)，需要為傳感器網(wǎng)絡(luò)研究新的有效的路由算法。主要的信息工業(yè)界巨頭也開(kāi)始了傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的工作，紛紛設(shè)立或啟動(dòng)相應(yīng)的行動(dòng)計(jì)劃。美國(guó)自然科學(xué)基金委員會(huì) 20xx 年制定計(jì)劃并投巨資支持傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)基礎(chǔ)理論的研究。隨著無(wú)線通訊技術(shù)被引入傳感器，傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用發(fā)生了革命性的變化，以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)為標(biāo)志的全新的傳感器網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域，在基礎(chǔ)理論和工程技術(shù)兩個(gè)層面向科技工作者提供了大量的具有挑戰(zhàn)性的課題 [16]。隨后便出現(xiàn)了使用串 /并接口與傳感器連接，可以獲取多種信息的傳感器網(wǎng)絡(luò)。 Node Density 湖南大學(xué)畢業(yè)論文 第 III 頁(yè) 目 錄 1. 緒論 ...................................................................................................................................................................................... 1 課題研究背景與意義 ...........................................................................................................................................1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 ......................................................................................................................................................2 論文結(jié)構(gòu)和研究?jī)?nèi)容 ............................................................................................................................................3 小結(jié) ................................................................................................................................................................................3 2. 傳感器網(wǎng)絡(luò)概述 ..........................................