Leach协议学习（4）——Leach协议改进

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References：
http://www-mtl.mit.edu/~anantha/docs/journals/2002_heinzelman_twn.pdf
http://mtlweb.mit.edu/researchgroups/icsystems/uamps/pubs/

LEACH协议之后，很多人进一步提出了改进的LEACH协议，如SEP协议，选择LEACH协议来学习NS2主要是考虑到LEACH协议的经典和有趣，同时也认为是NS2学习的一个很好很有用的开头，不过，LEACH协议并不是那么容易参透，还有很多迷茫的地方，继续摸索中。。。

LEACH算法中节点以簇的形式来组织自己，每个簇由簇首来管理，当簇首接收到簇内成员发来的数据后，进行一些数据融合，然后再传送给远端基站。所以作为簇首的节点，需要很大的能量，如果簇头是事先固定的，那么簇头的能量将会很快耗尽，那么属于该簇的节点将不能继续通信，所以LEACH算法采用轮换簇首的方案来使通信中的节点轮流来作为簇首，这样就可以避免固定簇首所带来的一些缺点。这就涉及到一个簇首选举方法，在LEACH中算法的实现是分层一个个轮次的，每个轮次又分簇形成阶段和簇稳定阶段，为了减少分簇带来的额外能量消耗，所以簇稳定阶段的时间要远远大于簇形成的时间。在簇形成阶段，算法采用随机分布的算法来决定每轮的簇首，而不需要任何中央的控制。选举过程如下：每个传感器节点先生成0-1之间的随机数，如果生成的随机数小于某一阈值，那么这个节点就当选为簇首。阈值的大小是由下面的公式来决定：

（1）

其中N为整个网络中所有节点的个数，k为网络中簇首的个数，r是选举的轮数，N/k为每大轮中要进行的小轮轮数，Ci(t)是一个标志位，在每一个大轮中，如果在每个小轮中，某传感器节点当选为簇首时，Ci(t)就置为0，这样在每个大轮中已经当选过簇首的节点不能再当选为簇首，这对网络中能量的均衡有一定的作用，在每个大轮结束后，所有节点的标志位都将置为1，又开始新的一轮的循环。当节点被选为簇首后，就向外广播信息，其它节点根据收到的广播信息的能量的大小决定加入哪个簇，并向簇首发送要求加入该簇的请求，簇首收到请求信息后，将节点设置为簇内成员，并为它分配一个TDMA的时隙，再将该时隙表发送给簇内所有成员，进行时间的同步。在簇及其成员形成后，就进入了数据传输阶段，各个节点按照簇首分配的时隙给簇首发送数据，簇首将收到的信息进行融合，然后将信息传递给基站。

在分析LEACH协议之前，我们作如下的假设：

l 基站是固定的而且远离传感器节点

l 网络中的传感器节点都是同型传感器节点而且能量受限的

l 每个节点都有能力和基站通信

l 节点没有位置信息

l 对称二进制信道

l 簇首可以进行数据融合

由于是对称二进制信道，由i节点发送1bit数据到j节点和由j节点发送1bit数据到i节点所消耗的能量是一样的，假设簇首从它的n个簇成员收到 nk bits的信息，则经过数据融合向基站发送 cnk bits的数据，其中c称为压缩因子。利用文献【Energy-Efficient Communication Protocol for Wireless Microsensor Networks】提出的模型，可求得节点的能量消耗。

和平面路由算法相比，LEACH算法可以延长大约30%的网络生存时间，在这里网络生存时间定义为网络中第一个节点死亡的时间。但是从上面簇首选举方案可以看出，簇首的选举具有很大的随机性，在位置和数量上呈现不稳定的现象，当簇首太少时失去分层的意义，当簇首太多时，由于簇首要与远端基站直接通信，发射功率比较大，从而导致网络能量的过大消耗，由于簇首位置的不平衡性，每个簇所负担的节点不同，这样会加重个别节点的负担，导致网络能量的不均衡性，从而影响整个网络的生存时间。

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