基于分簇的无线传感器网络算法研究
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基于分簇的无线传感器网络算法研究
Abstract
Wirelesssensornetworksismonitoringtheareathroughthelayoutofalargenumberofsensornodes,thesenodesbywayoftheformationofthewirelesscommunications-amulti-hopnetworkself-organization.Sensingregionofsensornodestocollectinformationaboutperceivedobjects,andaftergatheringtheinformationprovidedtothebasestation.Inrecentyears,wirelesssensornetworkWSNisamulti-disciplinaryhighlycross,highlyintegratedknowledgeofmodernnetworktrafficonahotresearchfrontier.Sincewirelesssensornetworksofthemostsignificantfeature-theenergyofthenetworknodesislimited,soengagedintheresearchofwirelesssensornetworks,itshouldfocusonenergyissuestoconsidernodes.Inthewirelesssensornetworkarchitecture,networklayerroutingtechnologyisessential.Routingprotocol-likeroutingprotocolsandalsoincludesgraphicclusteringroutingprotocols.Becauseclusteringroutingwithtopologyeasymanagement,energyuseefficiency,andsimpledatafusionhasbecomethefocusoftheroutingtechnology.Wirelesssensornetworkclusteringalgorithmisaresearchfocus,theupperlayerprotocolapplicationssensornetworksaredependentonthelogicalstructureofclustering.Clusteringalgorithmisdividedintonodesinthenetworkclusterheadnodeandclusternodestoachievenetworkcommunicationmethod.Clusterheadelectionalgorithm-includingthecluster-likeformationandstabilityofcommunicationwithinthetwo-stagecluster,undernormalcircumstances,-agoodclusteringalgorithmisstableclustercommunicationtimeshouldbemuchgreaterthanthetimeoftheformationofthevalvecluster,sothatthedatawillincreasetheeffectivetransmissiontimeandreducetheenergyconsumptionofalarge-scaleclusterformation.
1引言
无线传感器网络(WirelessSensorNetwork,WSN)是通过在监测区域内布置大量传感器节点，通过这些节点完成无线通信的方式形成—个多跳自组织的网络系统。传感器节点收集感知区域内感知对象的信息，并将收集到的信息处理后提供给基站。近年来,无线传感器网络WSN是多学科高度交叉、知识高度集成的关于现代网络通信的一个前沿热点研究方向。由于无线传感器网络最显著的特征之—是网络节点的能量受限，因此从事无线传感器网络方面的研究时，应该着重考虑节点的能量问题。在无线传感网络体系结构中，网络层的路由技术至关重要。路由协议—般又包括平面路由协议和分簇路由协议。由于分簇路由具有拓扑管理方便、能量利用高效、数据融合简单等优点，成为当前重点研究的路由技术。无线传感器网络中的分簇算法是当前研究的热点，传感器网络上层协议的应用都依赖于分簇的逻辑结构。分簇算法就是把网络中的节点分为簇头节点和簇内节点来实现网络通信的方法。簇头选举算法—般包括簇的形成和簇内稳定通信两个阶段，一般情况下，—个好的分簇算法簇内稳定通信时间应远远大于簇形成的时间阀，这样就能增加数据传输的有效时间，减少大规模簇生成消耗的能量。2无线传感器网络中的分簇路由算法
2.1传统路由算法
直接路由算法中节点直接将数据传送给基站，这样远离基站的节点会消耗很多的能量而很快死亡。而MTE(MinimumTransmissionEnergy)是它的一个改进，它采用多跳的方法传送数据，每个节点运行建立路由以确定下一跳邻居节点，这个邻居节点是朝BS方向上离它最近的节点(假设每个节点都知道网络中其它节点的位置)，数据包通过下一跳邻居节点传送直到到达BS。在MTE这种路由算法中最接近基站的节点会因路由大量传来的数据而很快死亡，而直接通信中是离基站最远的节点最快死亡。
2.2最基本的分簇路由算法
为了解决传统路由算法中的高能量耗散问题，提出了LEACH(Low-EnergyAdaptive
ClusteringHierarchy)—一种最基本的分簇路由算法，每个节点根据一定的概率周期性地
轮换做簇头，成为簇头的节点用相同的发射功率给网络中的所有节点广播消息，非簇头节
点选择加入收到信号最强的那个簇头的簇并用CSMAMAC协议发消息给簇头，通知其成为它
的成员。之后，簇头根据簇中节点数目创建TDMA时间表告诉每个节点发送数据的时隙，以
避免碰撞的发生。另外，簇头还要通知簇成员使用哪种CDMA编码，簇头也使用这种编码过
滤收到的数据，这样邻居簇的信号就会被当为噪声过滤掉，因此不会影响簇内通信。节点
只在分配给它们的时隙内发送数据，其它时间关闭其无线发射机以节约能量，到此，簇就
形成了。在数据发送阶段，簇头将成员节点传给它的数据进行融合后直接传给BS。
在LEACH中，成员节点在分配的TDMA时隙内总有数据传给簇头，为了节约能量，节点
也许只需在它检测到有兴趣的数据时才传送数据，另外，算法周期性地分簇会消耗节点很
多能量。因此，我们需要在以后的路由算法中在这些方面对它进行改善。
可形成最佳簇的中心控制分簇路由算法。LEACH虽节约能量，但它不能形成最佳簇。中
心控制算法通过基站来控制形成最佳的簇。
LEACH-C中，每个节点发送包含自身位置信息和能量信息的消息给BS，位置信息可以
保证形成优良的簇，为了将能耗平均分摊给所有节点，BS计算网络节点的平均能量，低于
此能量的节点都不能做簇头，因此用LEACH-C可以形成比LEACH更优良的簇，它的其它阶
段和LEACH一样。静态分簇(StaticClustering)中，簇形成方法和LEACH-C一样，只是这
些簇头一旦形成，在整个网络生命期都固定不变，其余的数据传输方式和LEACH和LEACH-C
一样，但是一旦簇头能量耗尽，簇内节点就失去了通信能力。
LEACH-C和LEACH在仿真时间内比StaticClustering明显可以发送更多的数据给BS，
并且每单位能量可传送更多的数据，但LEACH-C性能最好。
由于LEACH在一些情况中所选的簇头可能全在区域的一端，在另一端的传感器节点可
能侦听不到簇头发出的信息，而不能加入任何簇，因此提出了SC(SubstractiveClustering)
和LMSSC(LeastMeanSquaredSubstractiveClustering)分簇算法。SC的思想是具有最多邻居数的节点被选为一个簇的中心，在一个确定半径内的其它节
点归为它的簇，之后再寻找新的具有最多邻居的节点，这样一直持续下去直到80%的节点已
被分簇。
LMSSC在SC上进行了修改以形成更好的簇，它的思想是在确定半径内与邻居节点的距
离平方和平均值最小的节点被选为一个簇的中心，所有这个半径内的它的邻居节点被划为
它的簇。这两种方法都是在簇形成以后再在簇内选择合适的簇头。簇头将收到的数据进行
融合后直接或选择一条代价最小(到BS能量消耗最小)的路径将数据传给BS。
LMSSC中节点运行的周期比SC中的更长，所以LMSSC产生的簇更佳。并且，选择最小
代价路径传送数据的SC和LMSSC比直接传送数据的SC和LMSSC性能更优。
HYENAS(HybridEnergy-AwareSensorNetworks)也是先形成簇，再选择簇头，但它用
CBR(Case-BasedReasoning)作为一种决策方法来保证形成合适的簇，CBR技术通过吸取每
轮结束时的错误经历来创建黑名单，黑名单是用来存放一组簇的。这些簇的簇成员所用的
能量超过了网络中所有节点所用能量的平均值，当当前每个簇的特性(如：簇成员数，簇头
到其它节点的距离平方和等)和黑名单中簇的特性有相似之处时，基站就会增加一个簇。如
果有少数节点离开了原来的簇时，它们会自己形成子簇，子簇簇头会单独为子簇创建TDMA
时间表，然后把这个消息传给它最初的簇头，簇头再传给基站。这种方法能处理少数移动
节点的问题，还能大大减少簇头和移动节点的通信距离。
当第一个节点死亡或最后一个节点死亡时，HYENAS运行的轮数要比LEACH多。因此，
它的网络寿命也就相应更长。
2.3基于阈值信息的分簇路由算法
TEEN(ThresholdSensitiveEnergyEfficientSensorNetworkProtocol)协议在
LEACH上进行了改进。它的分簇方法和LEACH一样，只是它的簇成员不像LEACH算法那样
总是发送数据给簇头。它的每个节点设定了两个阈值，硬门限(HT)和软门限(ST)，当节点
监测到的数据大于HT并且与前次监测的数据变化值大于或等于ST时才发送数据给簇头，
这样可以大大减少节点发射数据的次数，但节点不发送数据用户就会长时间收不到数据或
者认为节点死亡。
APTEEN(AdaptivePeriodicThreshold-sensitiveEnergyEfficientSensorNetwork
Protocol)协议弥补了TEEN的缺点，簇成员节点除了在数据发生明显变化时发送外，还会
周期性地发送消息，这样节点除了能节约能量外，用户收到发送来的消息后也可以周期性
得获得已存储在基站的数据。
在每个节点的平均能量耗散和存活节点总数性能方面，APTEEN介于TEEN和LEACH
之间，但TEEN性能最好，因为TEEN中簇内的节点发送数据的次数最少。
2.4其它的分簇路由算法
PEGASIS(Power-EfficientGatheringinSensorInformationSystem)的主要思想是
