一种基于LEACH协议改进的物联网路由算法

作     者：赵雁航 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：钱志鸿

授予年度：2014年

学科分类：1305[艺术学-设计学（可授艺术学、工学学位）] 0810[工学-信息与通信工程] 13[艺术学] 081104[工学-模式识别与智能系统] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 081101[工学-控制理论与控制工程] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：路由算法 无线传感器网络 物联网 LEACH K-means 

摘      要：近些年物联网技术蓬勃发展，无线传感器网络随时、随地的获取数据信息的特点为物联网技术打下了基础，因此作为物联网底层网络中非常重要的技术形式，无线传感器网络就更加受到研究者们的青睐.路由技术作为无线传感器网络中非常重要的关键技术之一，已经有越来越多的研究者参与到其研究中来，路由技术的研究得到了很大的发展。 随着研究的不断深入，很多成熟的路由协议已经被提出，但是每一个路由协议都是面向不同的需求所提出的，因此都是针对一个或者是几个性能进行了完善，没有任何一种路由协议可以面面俱到的去改善网络的所有性能参数。本文在总结了平面路由协议、层次路由协议以及位置路由协议并且从不同的性能参数进行了比较之后，选择了最经典最早的层次路由协议LEACH协议进行研究。本文详细介绍了LEACH协议的工作原理并且分析了其优点和缺点，并且对其缺点进行了相应改进。 LEACH协议在分簇阶段采用了随机选择簇头节点的机制，把能量消耗平均到每一个节点上去，自适应性好，容错性强，适用于大范围的无线传感器网络。但是，随机的选择簇头节点会导致簇头节点分布不均匀，从而引发能量消耗大，网络生命周期较短的问题，而选择几个簇头节点才能使得能耗最小也是必须要考虑的问题。 本文在对LEACH算法深入研究的基础上，本着延长网络生命周期的原则，对LEACH算法做了3点改进： 1.通过分析LEACH算法的能耗模型推导出可以使能耗最小的最优簇头数目;2.针对分簇阶段簇头节点分布不均匀的问题，使用K-means聚类算法进行簇头节点的选择优化分簇;3.综合考虑距离和能耗问题，提出EK-LEACH算法选择能量最小的簇头节点并且优化分簇。 最后，本文对原有的LEACH协议、选择最优簇头数目并且使用K-means分簇的K-LEACH协议以及选择最优簇头数目并且使用基于能耗的K-means算法进行分簇的EK-LEACH协议进行仿真实验。经过对仿真结果的分析和比较得出结论：选择最优的簇头数目在节点死亡个数、网络生命周期上要优于其他的簇头个数。而加入基于能耗的K-means算法进行分簇的EK-LEACH算法比K-LEACH算法和传统的LEACH算法分簇更加均匀，并且在死亡节点个数、网络生命周期等方面性能更优。