Application-Specific Protocol Architectures for Wireless Networks

3.The LEACH Protocol Architectures（待续）

无线传感器网络能够监视偏远的地区。这些网络实质上是数据融合的网络，在网络里数据是高度相关的并且最终的使用者需要一个高水平的节点传感环境的描述。除此之外，这些网络需要易于部署、长的系统寿命和低延时的数据传输。这是一个不同的样式与需要点到点连接、有不相关的数据和依靠一种固定的基础设施的传统无线网络相比。就能量和延迟而言，有限电池容量的微传感器节点和每个节点大量的数据都可能以最低的成本产生转化为高应用程序感知的性能的需要。一跨层或应用程序特定的协议体系结构能看见这些规格通过扩展协议栈的低层来达到应用的需要。

为了满足无线传感器网络的要求，我们开发了LEACH（低能量自适应聚类层次），应用程序特定的协议体系结构（见图3-1）[40]。LEACH是一种基于聚类的协议，该协议包括以下功能:

随机，自适应，自配置簇头形成；
本地控制数据传输；
低能量的媒体访问，和
应用程序特定的数据处理，例如数据融合。

典型的微型传感器网络支持的应用程序是环境的远程监控
。在微型传感器网络里由于个别节点的数据是相关的，最终使用者不需要所有的数据，而，最终用户需要的高级别功能的数据，描述了在环境中发生的事件。因为靠近彼此节点之间的数据信号的相关性是最强的，我们选择使用一种聚类基础设施作为leach的基础。这允许来自簇内节点的所有数据进行本地处理，减少需要要被发送到最终用户的数据集。特别的，数据融合能用于合并几个相关的数据信号为含有原始信息中有用信息的一小部分信息集。因此，十分少的实际数据需要被从簇内传输到基站。如果在传输数据上的能量消耗的成本高于数据计算的成本，相当大的能量节省可以通过本地聚集的大量数据在发送到基站之前成为一个更小的数据来实现。

在leach中，节点自组织进入本地簇，一个节点充当簇头。所有非簇头节点必须传输数据到簇头，然而簇头必须接收簇内成员的数据,完成数据的信号处理（例如，数据融合），和传输数据到远处的基站。因此，作为簇头节点消耗的能量大于非簇头节点。在场景中，所有节点的能量都是有限的,如果簇头节点选择一个先验和固定的整个系统生命周期，在一个静态的聚类算法，簇头传感器节点将很快耗尽有限的能源。一旦簇头耗尽能量，它将不再运行。因此，当簇头节点死亡，属于这个簇的所有节点将失去交流能力。因此leach采用随机的轮流产生簇头节点为了防止耗尽在网络中一个传感器节点的能量。以这种方式，一个簇头相关联的能量负载均匀分布的节点之间。

LEACH中媒体访问在非簇头节点被选择以减少能量消耗。由于簇头节点知道所有的簇内节点，它能创造一个TDMA时间表能精确告诉节点什么时候它们的数据。这个允许节点保持休眠状态尽可能长的与内部模块断电。此外，使用的TDMA调度对于数据传输防止簇内的冲突。

LEACH的操作被分成轮。每轮从建立阶段开始当簇被组织时，随后由几帧的数据被传输从节点到簇头和基站的稳态阶段，如图3-2.节点必须是时间同步的为了在相同的时间建立阶段。为了最小化阶段的开销，稳定阶段比建立阶段要长。

3.1 Self-Configuring Cluster Formation

leach 使用一种分布式算法形成簇，节点自主决定没有集中的控制。这种方法的优点是与基站没有长距离的交流是必须和分布式簇的形成在不知道在网络中精确的节点的位置的情况下可以完成。除此之外，没有全局通信被需要建立簇，并且在簇形成期间任何节点的当前状态没有任何假设。我们的目标是实现形成良好的簇，仅仅通过节点自主地本地决定完成。

3.1.1 Determining Cluster-Head Nodes

我们想要使用分布式算法建立簇，什么是我们尝试达到的重要目标？什么算是一个好簇的形成？第一，我们想要设计算法，它每轮有一定数量簇，k。第二，我们想要尝试在网路中所有节点之间平均能量消耗达到没有在其他节点之前过度使用将要能量耗尽的节点。这将最大化时间知道首个节点死亡。作为一个簇头节点能量消耗大于非簇头节点，在网络中均匀分布节点之间能量负载，要求每个节点轮流成为簇头。因此，簇形成算法必须被设计成节点是簇头的时间大致相同。假设所有节点开始有相同的能量。最后你，我们将如簇头节点传遍网络，这样能最小限度减少非簇头节点传输它们数据的距离。