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原文题目：An Application-Specific Protocol Architecture forWireless Microsensor Networks

摘要：
　　将数百或数千个廉价的微传感器节点连接在一起，用户可以通过智能地组合各个节点的数据，精确地监控远程环境。这些网络需要健壮的无线通信协议，这些协议既节能又能提供低延迟。本文对低能量自适应分簇层次结构（LEACH）进行了分析和研究，LEACH是一种用于微传感器网络的协议体系结构，它将基于分簇的路由和媒体访问的节能思想与特定应用的数据聚合结合在一起，在系统寿命、寿命和性能等方面取得了良好的性能，应用程序感知质量。LEACH包括一种新的分布式簇形成技术，该技术可以实现大量节点的自组织，用于调整簇和旋转簇头位置以在所有节点之间均匀分配能量负载的算法，以及使分布式信号处理能够节省通信资源的技术。我们的结果表明，与通用的多跳方法相比，LEACH可以将系统寿命提高一个数量级

关键词：Index Terms—Data aggregation, protocol architecture, wirelessmicrosensor networks

一、引言

通信带宽和能量是无线传感器网络中两个关键的资源。

为了设计好无线微传感器网络的协议，了解与传感器应用相关的参数是非常重要的。

虽然有许多方法可以评估传感器网络协议的属性，但我们使用以下度量：

A、易于部署性

B、系统寿命。（要节能）

C、延迟。因为传感器网络对时间敏感

D、质量。对于传感器网络，最终用户不需要网络中的所有数据

引言总结：

LEACH采用了以下技术来实现上述设计目标：1）随机、自适应、自配置的集群信息；2） 数据传输的本地化控制；3） 低能耗媒体接入控制；以及4）特定于应用程序的数据处理，例如数据聚合或压缩。

二、背景

Clare等人开发了一种用于低能耗操作的时分多址（TDMA）MAC协议[5]。

使用TDMA（time-divison multiple-access ）方法可以节省能量，方法是在无线电断电的情况下，使节点长时间保持休眠状态。Intanagonwiwat等人开发了直接扩散协议，该协议采用数据驱动模型来实现低能耗路由[13]

在LEACH中，我们使用随机的簇头位置旋转来实现某些节点不被频繁的选为簇头而导致节点过早死亡

已有的已经有考虑：能量感知、MTE（minimum transmission energy）、集群方案、NTDR等

三、LEACH协议体系结构

典型的微传感器网络支持的应用是远程环境监测。

由于单个节点的数据通常在微传感器网络中相互关联，最终用户不需要所有（冗余）数据；相反，最终用户需要一个描述环境中发生的事件的高级数据函数。

由于相邻节点的数据信号之间的相关性最强，因此我们选择使用集群基础设施作为LEACH的基础。这使得集群内节点的所有数据都可以在本地处理，从而减少了需要传输给最终用户的数据集。

具体而言，数据聚合技术可用于将多个相关数据信号组合成一个较小的信息集，以保持原始信号的有效数据（即信息内容）[9]。因此，更少的实际数据需要从集群传输到基站（BS）

以下部分介绍簇头选择和分布式簇形成算法以及LEACH的稳态操作

A、簇头选择算法

这种成为簇头的概率选择是基于这样的假设，即所有节点都以相等的能量开始，并且所有节点在每一帧中都有数据要发送。

为了做到这一点，节点可以在预定的跳数内向所有邻居发送“hello”消息（到大约M）。每个节点可以计算它接收到的“hello”消息的数量这是该节点的估计值。然后可以基于这些参数来确定所需的簇数目。这种方法允许LEACH以增加开销为代价来适应不断变化的网络。

B、簇形成算法

一旦节点使用（3）或（6）中的概率选择自己为簇头节点，簇头节点就必须让网络中的所有其他节点知道他们已经为本轮选择了这个角色。

为此，每个簇头节点使用非持久性载波侦听多址（CSMA）MAC协议广播一条播发消息（ADV）[18]。

此消息是一条小消息，包含节点的ID和一个将此消息区分为公告消息的标头。每个非簇头节点根据从每个簇头接收到的播发信号强度，通过选择需要最小通信能量的簇头来确定此轮的簇。假设纯信号强度为对称传播信道，信号强度最大的簇头广播消息是需要最小传输能量的簇头。

请注意，这通常是最靠近传感器的簇头，除非存在通信障碍。在关系的情况下，随机选择一个簇头。

在每个节点决定它属于哪个集群之后，它必须通知集群头节点它将是集群的一个成员。每个节点使用一个非持久的CSMA MAC协议将一个join-request消息（join-REQ）发送回所选的集群头。此消息也是一条短消息，由节点ID和簇头ID组成。

LEACH中的集群头充当本地控制中心来协调集群中的数据传输。

簇头节点建立TDMA调度，并将该调度传输到集群中的节点。这确保了数据消息之间没有冲突，并且还允许每个非簇头节点的无线电组件在其传输期间以外的任何时候都关闭，从而减少了单个传感器消耗的能量。在集群中的所有节点都知道TDMA调度之后，建立阶段就完成了，稳态操作（数据传输）就可以开始了。这种分布式集群形成算法的流程图如图2所示。

C、稳定阶段

稳态操作分为帧，节点在分配的传输时隙中，每帧最多向簇头发送一次数据。

节点传输数据的每个时隙的持续时间是恒定的，因此，发送一帧数据的时间取决于集群中节点的数量

图4显示了一轮LEACH的时间线。我们假设所有的节点都是时间同步的，并且同时启动设置阶段。例如，这可以通过让BS向节点发送同步脉冲来实现。

为了减少能量消耗，每个非簇头节点都使用功率控制来根据簇头广告的接收强度来设置发射功率的大小。2此外，每个非簇头节点的无线电被关闭，直到其分配的发射时间为止。由于我们针对所有节点都有数据要发送到簇头的情况优化了我们的设计，因此使用TDMA调度是带宽的有效利用，并且代表了一种低延迟和能量效率的方法。

为了确保动态环境中的连接性，节点可以将其发射功率设置为略大于到达簇头所需的最小功率，或者簇头可以向每个节点发送短反馈消息，指示它们增加或减少发射功率，就像在蜂窝系统中所做的那样

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