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原文題目：An Application-Specific Protocol Architecture forWireless Microsensor Networks
摘要：
將數百或數千個廉價的微傳感器節點連接在一起，用戶可以通過智能地組合各個節點的數據，精確地監控遠程環境。這些網絡需要健壯的無線通信協議，這些協議既節能又能提供低延遲。本文對低能量自適應分簇層次結構（LEACH）進行了分析和研究，LEACH是一種用於微傳感器網絡的協議體系結構，它將基於分簇的路由和媒體訪問的節能思想與特定應用的數據聚合結合在一起，在系統壽命、壽命和性能等方面取得了良好的性能，應用程序感知質量。LEACH包括一種新的分布式簇形成技術，該技術可以實現大量節點的自組織，用於調整簇和旋轉簇頭位置以在所有節點之間均勻分配能量負載的算法，以及使分布式信號處理能夠節省通信資源的技術。我們的結果表明，與通用的多跳方法相比，LEACH可以將系統壽命提高一個數量級
關鍵詞：Index Terms—Data aggregation, protocol architecture, wirelessmicrosensor networks
一、引言
通信帶寬和能量是無線傳感器網絡中兩個關鍵的資源。
為了設計好無線微傳感器網絡的協議，了解與傳感器應用相關的參數是非常重要的。
雖然有許多方法可以評估傳感器網絡協議的屬性，但我們使用以下度量：
A、易於部署性
B、系統壽命。（要節能）
C、延遲。因為傳感器網絡對時間敏感
D、質量。對於傳感器網絡，最終用戶不需要網絡中的所有數據
引言總結：
LEACH采用了以下技術來實現上述設計目標：1）隨機、自適應、自配置的集群信息；2） 數據傳輸的本地化控制；3） 低能耗媒體接入控制；以及4）特定於應用程序的數據處理，例如數據聚合或壓縮。
二、背景
Clare等人開發了一種用於低能耗操作的時分多址（TDMA）MAC協議[5]。
使用TDMA（time-divison multiple-access ）方法可以節省能量，方法是在無線電斷電的情況下，使節點長時間保持休眠狀態。Intanagonwiwat等人開發了直接擴散協議，該協議采用數據驅動模型來實現低能耗路由[13]
在LEACH中，我們使用隨機的簇頭位置旋轉來實現某些節點不被頻繁的選為簇頭而導致節點過早死亡
已有的已經有考慮：能量感知、MTE（minimum transmission energy）、集群方案、NTDR等
三、LEACH協議體系結構
典型的微傳感器網絡支持的應用是遠程環境監測。
由於單個節點的數據通常在微傳感器網絡中相互關聯，最終用戶不需要所有（冗余）數據；相反，最終用戶需要一個描述環境中發生的事件的高級數據函數。
由於相鄰節點的數據信號之間的相關性最強，因此我們選擇使用集群基礎設施作為LEACH的基礎。這使得集群內節點的所有數據都可以在本地處理，從而減少了需要傳輸給最終用戶的數據集。
具體而言，數據聚合技術可用於將多個相關數據信號組合成一個較小的信息集，以保持原始信號的有效數據（即信息內容）[9]。因此，更少的實際數據需要從集群傳輸到基站（BS）
以下部分介紹簇頭選擇和分布式簇形成算法以及LEACH的穩態操作
A、簇頭選擇算法
這種成為簇頭的概率選擇是基於這樣的假設，即所有節點都以相等的能量開始，並且所有節點在每一幀中都有數據要發送。
為了做到這一點，節點可以在預定的跳數內向所有鄰居發送“hello”消息（到大約M）。每個節點可以計算它接收到的“hello”消息的數量這是該節點的估計值。然后可以基於這些參數來確定所需的簇數目。這種方法允許LEACH以增加開銷為代價來適應不斷變化的網絡。
B、簇形成算法
一旦節點使用（3）或（6）中的概率選擇自己為簇頭節點，簇頭節點就必須讓網絡中的所有其他節點知道他們已經為本輪選擇了這個角色。
為此，每個簇頭節點使用非持久性載波偵聽多址（CSMA）MAC協議廣播一條播發消息（ADV）[18]。
此消息是一條小消息，包含節點的ID和一個將此消息區分為公告消息的標頭。每個非簇頭節點根據從每個簇頭接收到的播發信號強度，通過選擇需要最小通信能量的簇頭來確定此輪的簇。假設純信號強度為對稱傳播信道，信號強度最大的簇頭廣播消息是需要最小傳輸能量的簇頭。
請注意，這通常是最靠近傳感器的簇頭，除非存在通信障礙。在關系的情況下，隨機選擇一個簇頭。
在每個節點決定它屬於哪個集群之后，它必須通知集群頭節點它將是集群的一個成員。每個節點使用一個非持久的CSMA MAC協議將一個join-request消息（join-REQ）發送回所選的集群頭。此消息也是一條短消息，由節點ID和簇頭ID組成。
LEACH中的集群頭充當本地控制中心來協調集群中的數據傳輸。
簇頭節點建立TDMA調度，並將該調度傳輸到集群中的節點。這確保了數據消息之間沒有沖突，並且還允許每個非簇頭節點的無線電組件在其傳輸期間以外的任何時候都關閉，從而減少了單個傳感器消耗的能量。在集群中的所有節點都知道TDMA調度之后，建立階段就完成了，穩態操作（數據傳輸）就可以開始了。這種分布式集群形成算法的流程圖如圖2所示。
C、穩定階段
穩態操作分為幀，節點在分配的傳輸時隙中，每幀最多向簇頭發送一次數據。
節點傳輸數據的每個時隙的持續時間是恆定的，因此，發送一幀數據的時間取決於集群中節點的數量
圖4顯示了一輪LEACH的時間線。我們假設所有的節點都是時間同步的，並且同時啟動設置階段。例如，這可以通過讓BS向節點發送同步脈沖來實現。
為了減少能量消耗，每個非簇頭節點都使用功率控制來根據簇頭廣告的接收強度來設置發射功率的大小。2此外，每個非簇頭節點的無線電被關閉，直到其分配的發射時間為止。由於我們針對所有節點都有數據要發送到簇頭的情況優化了我們的設計，因此使用TDMA調度是帶寬的有效利用，並且代表了一種低延遲和能量效率的方法。
為了確保動態環境中的連接性，節點可以將其發射功率設置為略大於到達簇頭所需的最小功率，或者簇頭可以向每個節點發送短反饋消息，指示它們增加或減少發射功率，就像在蜂窩系統中所做的那樣