基于能量均衡的无线传感网分簇拓扑算法研究(8)
(4) 支持移动性。
目前的WSN路由协议对网络的拓扑感知能力和移动性的支持比较差，随着科学技术的不断快速发展，如何在控制协议开销的前提下，让分簇算法更好地支持快速拓扑感知是一个重要挑战。
(5) 其它方面
无线传感器网络作为一种与应用高度相关的网络，引入跨层设计机制，与MAC、网络层甚至应用层实现联合优化，进一步提高网络的容错性，降低冲突与干扰，与休眠/唤醒机制相结合，与网络覆盖、数据融合等问题联合考虑等，都是分簇算法需要进一步研究的课题的。
了解了多种多样的分簇算法后，下一步本文将就比较经典的无线传感器网络LEACH协议进行研究，并进行仿真，可以更进一步地熟悉分簇协议的理论知识。一方面会对学习LEACH对网络节点分簇的流程控制，另一方面在这一部分的研究学习中，特别是对于LEACH协议的理解和把握，为下一步的对LEACH协议的改进工作打好了基础。
3 LEACH分簇算法的分析研究
LEACH的全称是“低功耗自适应分簇分层型协议” (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)。顾名思义，LEACH是在原始的平面路由协议基础上进行功耗和自组织方面拓展后得到的分簇协议，由于LEACH的典型性，对LEACH分簇算法的分析研究【9】一直是WSN路由协议领域的研究热门。
LEACH算法是一种自适应分簇拓扑算法【10】，它的执行过程是周期性的，每一轮的循环分为簇的建立阶段和稳定的数据通信阶段。在簇的建立阶段，相邻节点动态地形成簇，随机产生簇头；在数据通信阶段，簇内节点把数据发送给簇头，簇头进行数据融合并把结果发送给汇聚节点。由于簇头需要完成数据融合、与汇聚节点通信等工作，所以能量消耗较大。LEACH算法能够保证各节点等概率地担任簇头，使得网络中的节点相对均衡地消耗能量，从而达到降低网络能源消耗、提高网络整体生存时间的目的。仿真表明，与一般的平面多跳路由协议和静态分层算法相比，LEACH可以将网络生命周期延长15%。
LEACH在运行过程中不断的循环执行簇的重构过程，每个簇重构过程可以用回合的概念来描述。每个回合由簇的建立阶段和稳定的数据通信阶段组成。为了节省资源开销，稳定的数据通信阶段的持续时间要大于簇的建立阶段的持续时间。簇的建立过程可分成4个阶段：簇头节点的选择、簇头节点的广播、簇头节点的建立和调度机制的生成。
簇头节点的选择是由网络中所需要的簇头节点总数和迄今为止每个节点已成为簇头节点的次数来决定。具体的簇头选择过程是：每个传感器节点产生一个0～1之间的一个随机数，如果这个数小于阈值T(n)，则发布自己是簇头的公告信息。在每轮循环中，如果节点已经当选过簇头，则把T(n)设置为0，这样该节点不会再次当选为簇头。对于未当选过簇头的节点，则将以T(n)的概率当选；随着当选过簇头的节点数目增加，剩余节点当选簇头的阈值T(n)随之增大，节点产生小于T(n)的随机数的概率随之增大，所以节点当选簇头的概率增大。当只剩下一个节点未当选时，T(n)=1，表示这个节点一定当选。阈值T(n)可表示为
其中，P是簇头在所有节点中所占的百分比，r是选举轮数，r mod(1/P)代表这一轮循环中当选过簇头的节点个数，G是在最近的1/p轮中未当选簇头的节点集合。
节点当选簇头以后，将通告信息用广播的方式告知整个网络。网络中的非簇头节点根据接收信息的信号强度决定加入哪个簇，并通知相应的簇头节点。当所有非簇头节点都加入了各自选择的簇后，便完成了簇的建立。对于每个簇头节点，当接收到所有的加入信息后，就产生一个TDMA定时信息，并通知该簇中所有节点。为避免附近簇的信号干扰，每个簇采用不同的CDMA编码进行通信。这个用于当前阶段的CDMA编码连同TDMA定时信息一起发送，当簇内节点收到这个信息后，它们就会于随后的数据通信阶段在各自分配到的TDMA时间槽内发送数据给簇头节点。
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