遗传算法对无线传感器网络leach协议的改进与应用
摘 要无线传感器网络(WSN)是一种新的信息获取和数据处理技术，网络中的节点通过路由协议来选择数据转发路径。LEACH协议是层次型路由协议的典型代表，与平面型路由协议相比，LEACH协议能延长网络15%的生命周期。为了进一步提高节点能量利用率，延长网络生命周期，本文对LEACH协议进行研究与改进。本文对LEACH协议的研究分为三部分：首先对LEACH协议进行初步改进，其次在此基础上用遗传算法(GA)进行进一步改进，最后将改进后的协议应用于预装式变电站。对LEACH协议的初步改进主要分为两部分：一是簇头选择机制由随机改为划区选择，克服了LEACH协议中随机选择簇头而导致簇头分布不均问题。二是对远距离簇头通信方式由单跳改为多跳，克服了远距离簇头单跳时需要消耗较多能量的问题。本文对链式和方形两种监测环境进行分区，并在Matlab软件中，分别对原始LEACH模型、分区单跳模型和分区多跳模型进行仿真对比。对LEACH协议初步改进后，整体上能延长网络的生命周期，但存在簇头能量消耗较快的问题。为克服这个缺点，在LEACH分区模型的基础上，提出了一种基于遗传算法的改进LEACH协议（LEACH-H），该算法以节点的当前剩余能量、节点邻居节点数和节点与基站的距离三个因子作为待优化变量；以网络中第一个节点和半数节点的生存周期作为优化目标；采用轮盘赌和最佳个体保存法作为遗传算法的选择算子，最大程度的将适应度值高的个体保留下来；采用相邻染色体两两交叉方法作为交叉算子，提高了算法的局部搜索能力。本文在MATLAB软件平台对改进前与改进后的算法进行了仿真，对其数据进行了分析，发现LEACH-H下第一个节点的生存周期平均提高了50.7%，半数节点的存活轮数平均增加了29.6%。将改进后的协议应用于预装式变电站中，在Matlab软件中模拟预装式变电站监测系统，传感器节点采集变电站中设备的工作参数和变电站的环境参数，节点分别利用LEACH-H和LEACH协议来完成对采集数据的转发。通过结果对比，当传感器节点布设于平面区域中，第一个节点的生存周期提高了54.17%，半数节点的存活轮数增加了27.32%。当传感器节点布设于三维空间中，LEACH-H协议第一个节点的生存时间延长了54.65%，半数节点的生存时间延长了31%。
目 录
摘 要 I
ABST
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
RACT II
目 录 IV
第1章 绪 论 1
1.1课题研究背景 1
1.1.1 无线传感器网络特征 1
1.1.2 无线传感器网络关键技术 2
1.2 国内外研究现状 3
1.3课题研究意义 5
1.4 本文的研究内容及章节规划 5
第2章 LEACH协议的初步改进 7
2.1 路由协议比较 7
2.2 LEACH协议的改进与仿真 10
2.2.1 能量模型 12
2.2.2 对LEACH协议选簇机制改进 12
2.2.3对LEACH协议簇头通信方式的改进 13
2.2.4 改进模型与原LEACH模型的仿真对比 13
2.2.5仿真总结 19
2.3 本章小结 20
第3章 遗传算法对LEACH协议的改进 21
3.1 LEACHH算法流程 21
3.2 LEACHH阈值的改进 22
3.3利用遗传算法来确定权重的最优解 23
3.3.1 初始化 25
3.3.2计算权值构成的染色体的适应度值 26
3.3.3选择操作 27
3.3.4交叉操作 28
3.3.5变异操作 29
3.4 遗传算法对LEACH协议的改进结果 29
3.4.1 验证能量模型 29
3.4.2 LEACHH与LEACH的对比 30
3.5 本章小结 32
第4章 LEACHH在预装式变电站中的应用 35
4.1预装式变电站远程监测系统 35
4.2 LEACHH和LEACH协议的应用 36
4.2.1 仿真参数设置 36
4.2.2 仿真结果分析 37
4.2.3 仿真结果总结 40
4.3 本章小结 40
第5章 总结与展望 41
5.1 总结 41
5.2 后期展望 41
参考文献 42
致 谢 45
附 录 46
英文原文 46
中文翻译 55
第1章 绪 论
1.1课题研究背景
无线传感器网络在1999年9月被商业期刊定位为21世纪最重要的21项技术之一，在2001年1月，被美国的《MIT技术评论》誉为改变未来世界的第一项新兴技术[1]。
无线传感器网络是由大量体积小、能量有限的传感器节点组成，节点间互相合作，感知并采集被监测对象不同方面的相关信息，通过无线通信的方式，将所采集的数据发送给基站。对于一个应用而言，无线传感器网络有三个基本元素，即：被监测对象、用于检测的传感器节点以及外部观察者。
图1.1 无线传感器网络的体系结构
如图1.1 所示，传感器节点主要负责采集被监测对象的实时信息，节点有时还需要完成其他的任务，比如存储和融合其他节点转发来的数据。数据在传输过程中可能被多个节点处理，传送到sink(汇聚节点），sink是用来连接网关与外部网络，能将所采集到的监测信息通过Internet或其他网络通讯方式传送到管理节点。网络的数据交互是双向的，用户如果需要查看监测对象的状态，可以通过管理节点发布指令，告知相应的传感器节点收集并传送监测数据。 无线传感器网络技术广泛的应用于军事侦测、环境监测、智能交通、医疗卫生、预装式变电站等领域中[2,6]。
1.1.1 无线传感器网络特征
无线传感器网络与现有的无线网络如Ad hoc相比，其在传感器节点设计、通信方式、工作机制等方面有自身的特征[2]。
传感器节点的功耗低、体积小、价格低廉。与传统的用来采集数据的节点而言，无线传感网中的传感器节点更注重低功耗、微型化等特点。
（2）传感器节点采用电池供电，能量有限。节点的能量绝大部分消耗在无线通信上。在很多应用场合如军事、高原等想要频繁的更换电池是不现实的。所以，在设计网络协议时，需要重点考虑高效的使用节点能量。
（3）通信能力有限。在节点传输数据通信过程中，节点的能量消耗与节点间的距离有关，随着通信距离的增加，能耗以指数型的速度急剧的增加，所以位置较远的节点不宜通过单跳的形式将数据直接传送给汇聚节点，而是要根据路由算法来选择下一跳节点。
（4）自组织网络。无线传感器网络中所有节点的地位是平等的。当要进行数据传输时，节点根据路由协议相互协调，自组织为一个网络来实现。在实际应用中，会出现网络的拓扑结构发生变化的情况，比如某些节点能量耗尽、节点因为环境因素造成失效，网络新增节点等。正是由于网络中节点的平等地位，没有中心节点，使得网络可以根据不同的情况来变更拓扑结构。
传统的无线网络的设计首要目标是提高通信服务质量和高效利用带宽，尽量使通信信道最大化。而无线传感器网络的主要设计目标是减少网络中节点的能量损失，均衡网络能耗，使得网络中能源能得到高效使用。
1.1.2 无线传感器网络关键技术
（1）网络拓扑结构。优质健壮的网络拓扑结构，能够提高MAC协议和路由协议的效率和性能，有利用节省节点的能量，进而能延长网络的生命周期。目前对网络拓扑结构的研究重点是：在满足网络的覆盖度和连通度的情况下，减少多余甚至是无效的通信链路，寻找优质节点，进而建立一个稳健的，能高效转发数据的网络拓扑结构[3]。
（2）网络安全。传感器节点一般部署于恶劣的环境、无人看管的区域或敌方区域内，不仅面临着一般网络所需要面临的问题，如信息泄密、篡改、拒绝服务等，还存在着自身的问题，如何在节点计算、通信、电源能量有限的情况下，进行信息的安全传递。目前主要是从密钥管理、身份验证和攻防技术三个方面来维护网络安全。除此之外，水印技术在数据融合后实现对原始信息的保留，也成为了网络安全的研究内容[4]。
（3）定位技术。节点提供正确的监测数据的前提是自身能够正确定位，一般来说，节点在传送数据时，都要附带上监测位置的地理信息，否则外部观察者有理由认为数据是不正确的。其次，通过对节点地理位置的了解，可以知道网络中节点的部署是否合理，会不会出现大面积盲区或者节点的大量堆积，以便进行调整，改善网络节点的覆盖质量[5]。
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摘 要 I
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第1章 绪 论 1
1.1课题研究背景 1
1.1.1 无线传感器网络特征 1
1.1.2 无线传感器网络关键技术 2
1.2 国内外研究现状 3
1.3课题研究意义 5
1.4 本文的研究内容及章节规划 5
第2章 LEACH协议的初步改进 7
2.1 路由协议比较 7
2.2 LEACH协议的改进与仿真 10
2.2.1 能量模型 12
2.2.2 对LEACH协议选簇机制改进 12
2.2.3对LEACH协议簇头通信方式的改进 13
2.2.4 改进模型与原LEACH模型的仿真对比 13
2.2.5仿真总结 19
2.3 本章小结 20
第3章 遗传算法对LEACH协议的改进 21
3.1 LEACHH算法流程 21
3.2 LEACHH阈值的改进 22
3.3利用遗传算法来确定权重的最优解 23
3.3.1 初始化 25
3.3.2计算权值构成的染色体的适应度值 26
3.3.3选择操作 27
3.3.4交叉操作 28
3.3.5变异操作 29
3.4 遗传算法对LEACH协议的改进结果 29
3.4.1 验证能量模型 29
3.4.2 LEACHH与LEACH的对比 30
3.5 本章小结 32
第4章 LEACHH在预装式变电站中的应用 35
4.1预装式变电站远程监测系统 35
4.2 LEACHH和LEACH协议的应用 36
4.2.1 仿真参数设置 36
4.2.2 仿真结果分析 37
4.2.3 仿真结果总结 40
4.3 本章小结 40
第5章 总结与展望 41
5.1 总结 41
5.2 后期展望 41
参考文献 42
致 谢 45
附 录 46
英文原文 46
中文翻译 55
第1章 绪 论
1.1课题研究背景
无线传感器网络在1999年9月被商业期刊定位为21世纪最重要的21项技术之一，在2001年1月，被美国的《MIT技术评论》誉为改变未来世界的第一项新兴技术[1]。
无线传感器网络是由大量体积小、能量有限的传感器节点组成，节点间互相合作，感知并采集被监测对象不同方面的相关信息，通过无线通信的方式，将所采集的数据发送给基站。对于一个应用而言，无线传感器网络有三个基本元素，即：被监测对象、用于检测的传感器节点以及外部观察者。
图1.1 无线传感器网络的体系结构
如图1.1 所示，传感器节点主要负责采集被监测对象的实时信息，节点有时还需要完成其他的任务，比如存储和融合其他节点转发来的数据。数据在传输过程中可能被多个节点处理，传送到sink(汇聚节点），sink是用来连接网关与外部网络，能将所采集到的监测信息通过Internet或其他网络通讯方式传送到管理节点。网络的数据交互是双向的，用户如果需要查看监测对象的状态，可以通过管理节点发布指令，告知相应的传感器节点收集并传送监测数据。 无线传感器网络技术广泛的应用于军事侦测、环境监测、智能交通、医疗卫生、预装式变电站等领域中[2,6]。
1.1.1 无线传感器网络特征
无线传感器网络与现有的无线网络如Ad hoc相比，其在传感器节点设计、通信方式、工作机制等方面有自身的特征[2]。
传感器节点的功耗低、体积小、价格低廉。与传统的用来采集数据的节点而言，无线传感网中的传感器节点更注重低功耗、微型化等特点。
（2）传感器节点采用电池供电，能量有限。节点的能量绝大部分消耗在无线通信上。在很多应用场合如军事、高原等想要频繁的更换电池是不现实的。所以，在设计网络协议时，需要重点考虑高效的使用节点能量。
（3）通信能力有限。在节点传输数据通信过程中，节点的能量消耗与节点间的距离有关，随着通信距离的增加，能耗以指数型的速度急剧的增加，所以位置较远的节点不宜通过单跳的形式将数据直接传送给汇聚节点，而是要根据路由算法来选择下一跳节点。
（4）自组织网络。无线传感器网络中所有节点的地位是平等的。当要进行数据传输时，节点根据路由协议相互协调，自组织为一个网络来实现。在实际应用中，会出现网络的拓扑结构发生变化的情况，比如某些节点能量耗尽、节点因为环境因素造成失效，网络新增节点等。正是由于网络中节点的平等地位，没有中心节点，使得网络可以根据不同的情况来变更拓扑结构。
传统的无线网络的设计首要目标是提高通信服务质量和高效利用带宽，尽量使通信信道最大化。而无线传感器网络的主要设计目标是减少网络中节点的能量损失，均衡网络能耗，使得网络中能源能得到高效使用。
1.1.2 无线传感器网络关键技术
（1）网络拓扑结构。优质健壮的网络拓扑结构，能够提高MAC协议和路由协议的效率和性能，有利用节省节点的能量，进而能延长网络的生命周期。目前对网络拓扑结构的研究重点是：在满足网络的覆盖度和连通度的情况下，减少多余甚至是无效的通信链路，寻找优质节点，进而建立一个稳健的，能高效转发数据的网络拓扑结构[3]。
（2）网络安全。传感器节点一般部署于恶劣的环境、无人看管的区域或敌方区域内，不仅面临着一般网络所需要面临的问题，如信息泄密、篡改、拒绝服务等，还存在着自身的问题，如何在节点计算、通信、电源能量有限的情况下，进行信息的安全传递。目前主要是从密钥管理、身份验证和攻防技术三个方面来维护网络安全。除此之外，水印技术在数据融合后实现对原始信息的保留，也成为了网络安全的研究内容[4]。
（3）定位技术。节点提供正确的监测数据的前提是自身能够正确定位，一般来说，节点在传送数据时，都要附带上监测位置的地理信息，否则外部观察者有理由认为数据是不正确的。其次，通过对节点地理位置的了解，可以知道网络中节点的部署是否合理，会不会出现大面积盲区或者节点的大量堆积，以便进行调整，改善网络节点的覆盖质量[5]。
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