基于能量均衡的无线传感网分簇拓扑算法研究(9)
网络进入稳定的数据通信阶段后，网络中每个传感器节点将所采集的数据在自己的TDMA时隙通过簇头告知的CDMA编码传送到簇头节点。簇头节点对簇中所有节点传送过来的数据进行信息融合后再传送给汇聚节点。在此过程中，非簇头节点主要工作是近距离信息传输，相对于簇头而言能量消耗小。簇头节点因其需进行数据融合和远距离数据传输，所以能量消耗相对较大。稳定通信阶段持续一段时间后，网络重新进入簇的建立阶段，进行下一回合的簇重构，按此规律不断循环，直到整个网络能量耗尽。
LEACH路由协议算法的流程图如图8所示
图8 LEACH路由协议算法流程图
3.1 LEACH协议的网络模型
(1) 网络中有固定基站(sink节点)且远离传感器节点，研究中不考虑基站的能量消耗，假定其具有充足的能量供应；
(2) 网络中所有节点同构且具有有限的能源；
(3) 网络中所有节点具有相同的起始能量；
(4) 节点是静止的；
(5) 节点总是有数据要发送；
(6) 节点可感知它的剩余能量，并能改变发射功率。
3.2 LEACH协议的能量模型
WSN中节点之间以及节点与基站之间的通信都要消耗能量，采用不同的通信协议和通信网络结构都会使WSN网络的能量消耗方式不同。在LEACH的路由算法中能量消耗公式是第一顺序无线电模式【11】。根据这种模式,传感器节点发送 l bit 字节所消耗的能量为:
传感器节点接受 l bit 字节所消耗的能量为:
其中ξamp是信号放大器的放大倍数,而Eelec¬则是发送电路和接受电路消耗的能量，d是信号传输的距离，λ是由无线电信道决定的常量，在自由空间衰减信道模型中λ=2，在两径传输衰减模型中λ=4，并且由lξampdλ可看出，信号传输距离越短，能量消耗越少。
3.3 LEACH协议的特点
(1) 为了减少传送到汇聚节点的信息数量，统一由簇头节点负责融合来自簇内不同源节点所产生的数据，并将融合后的数据发送到汇聚节点。
(2) LEACH采用基于TDMA/CDMA的MAC层机制来减少簇内和簇间的冲突。
(3) 由于数据采集是集中的和周期性的，因此该协议非常适合于要求连续监控的应用系统。
(4) 对于终端使用者来说，由于它并不需要立即得到所有的数据，因此协议不需要周期性的传输数据，这样可以达到限制传感器节点能量消耗的目的。
(5) 在给定的时间间隔后，协议重新选举簇头节点，以保证无线传感器网络获取相对均衡的能量分布。
尽管LEACH能够提高网络的生存时间，但是协议所使用的假设条件仍存在着值得讨论的问题。
3.4 LECAH协议主要问题
LEACH协议由于在假设和成簇方面的缺陷，会产生以下问题：
(1) 由于LEACH假定所有节点能够与汇聚节点直接通信，并且每个节点都具备支持不同MAC协议的计算能力，因此该协议不适合在大规模的无线传感器网络中应用。
(2) 簇头节点是直接与汇聚节点通信，采取一跳通信方式。但在实际情况下，基站往往离整个网络非常远，频繁的远距离数据传输会大大消耗节点的能量，致使节点及网络能量不均衡，影响网络寿命。
(3) 协议没有说明簇头节点的数目怎么分布才能及于整个网络。因此，很可能出现被选的簇头节点集中在网络某一区域的现象，这样就会使得一些节点的周围没有任何簇头节点，即簇头节点的不均匀性问题。
(4) 由于LEACH假定在最初的簇头选择回合中，所有的节点都携带相同的能量，并且每个成为簇头的节点都消耗大致相同的能量。因此，协议不适合节点能量不均衡的网络。
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