傳感網(wǎng)分簇算法研究及其進(jìn)展

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1、傳感網(wǎng)分簇算法研究及其進(jìn)展摘要:作為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂频挠行Х绞街唬执厮惴娠@著降低無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐率。文章基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇的架構(gòu)，對目前主流的分簇算法進(jìn)行歸納分類。針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇算法設(shè)計(jì)中存在的難點(diǎn)，文章給出了解決難點(diǎn)的部分成果，并對進(jìn)一步的研究進(jìn)行了展望。關(guān)鍵字:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；分簇算法；拓?fù)淇刂?；簇頭英文摘要:Asoneoftheefficientwaysofnetworktopologycontrol,clusteringalgorithmscanreducethee

2、nergyconsumptionofthenetworkandobviouslyimprovethethroughputratio.BasedonthearchitectureofclusteringinWSN,thearticleclassifiestherepresentativeclusteringalgorithms.Thearticleanalyzesthedifficultiesandproblemsinthealgorithmdesignandillustratessomeoftheresult

3、s;andfurtherresearchofthisareaisforeseen.英文關(guān)鍵字:wirelesssensornetwork;clusteringalgorithm;topologycontrol;clusterhead基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(“973”計(jì)劃)項(xiàng)目(2007CB310606)；東南大學(xué)移動通信國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題資助項(xiàng)目(2008A08、2008B05b)??????無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)在軍事、環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)控制、智能家居和城市交通等方面都有重要的實(shí)用價值，已

4、成為熱點(diǎn)研究領(lǐng)域之一[1]。對應(yīng)于不同的應(yīng)用需求，各種WSN在硬件平臺、軟件系統(tǒng)和通信協(xié)議上都存在較大差異。從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕嵌瓤?，WSN可以被分為平面結(jié)構(gòu)以及分簇結(jié)構(gòu)兩大類。平面結(jié)構(gòu)中WSN各節(jié)點(diǎn)的地位都是平等的，而在分簇結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)被劃分為若干個稱為簇的節(jié)點(diǎn)集合，每個簇通常由一個簇頭節(jié)點(diǎn)和多個成員節(jié)點(diǎn)組成，簇頭負(fù)責(zé)管理和控制簇成員節(jié)點(diǎn)的工作，同時負(fù)責(zé)簇內(nèi)數(shù)據(jù)收集及簇間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。與平面結(jié)構(gòu)相比，采用分簇結(jié)構(gòu)的WSN具有能量效率高、可擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)，但是如何選取簇頭、劃分簇類，需要合適的分簇算法加以解決。

5、???適用于WSN的分簇算法已成為WSN研究領(lǐng)域的核心技術(shù)之一。1WSN中的分簇架構(gòu)???在采用分簇結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)被劃分為若干個簇。每個簇通常由一個簇頭節(jié)點(diǎn)(CH)以及多個成員節(jié)點(diǎn)(MN)組成。成員節(jié)點(diǎn)只與簇頭通信，簇頭與簇頭構(gòu)成高一級的虛擬骨干網(wǎng)，負(fù)責(zé)簇內(nèi)的數(shù)據(jù)融合和簇間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。因?yàn)榇仡^節(jié)點(diǎn)的能量消耗較大，通常采用周期性選擇簇頭節(jié)點(diǎn)的方法均衡網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能量的消耗。簇頭的集合形成連通統(tǒng)治集(CDS)，因?yàn)楂@得最優(yōu)CDS是NPC問題，因此實(shí)際提出的算法均為啟發(fā)式的。圖1給出了分簇結(jié)構(gòu)以及簇內(nèi)

6、與簇間的數(shù)據(jù)流向。????WSN采用分簇結(jié)構(gòu)具有如下一些顯著的優(yōu)點(diǎn)：?·在滿足一定約束條件情況下(例如覆蓋范圍與采樣精度要求等)，簇成員節(jié)點(diǎn)可以在某些時間段內(nèi)關(guān)閉通信模塊，大幅度減少空閑等待狀況的能量消耗，因此可節(jié)省能量?！ご仡^通常負(fù)責(zé)采集簇成員發(fā)送來的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)具有較大的相關(guān)性，因此可以采用數(shù)據(jù)融合算法，在保證信息量的情況下降低數(shù)據(jù)通信量，降低數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的能量開銷?！ひ?yàn)椴捎脤哟谓Y(jié)構(gòu)，簇成員只需了解到所屬簇頭的路由信息，簇頭只需了解簇頭間的路由信息，因此可降低路由協(xié)議的復(fù)雜度，減少路由表項(xiàng)數(shù)目，路由維護(hù)開

7、銷也隨之降低?！ぞ哂休^好的可擴(kuò)展性能，更加適合于大規(guī)模WSN的應(yīng)用場景。??2.1集中式/分布式算法???根據(jù)是否存在一個中心控制節(jié)點(diǎn)(通常是基站)負(fù)責(zé)整個網(wǎng)絡(luò)的簇劃分，分簇算法可分為集中式與分布式兩類。典型的集中式算法有LEACH-C[2]、APTEEN[3]等。我們提出的基于徑向基函數(shù)(RBF)的分簇算法[4]也屬于此類。中心控制節(jié)點(diǎn)通常有持續(xù)的電源供應(yīng)、較高的存儲與計(jì)算能力，并能獲得網(wǎng)絡(luò)的全局信息(如每個節(jié)點(diǎn)的位置以及剩余能量等)，因此可以采用復(fù)雜的算法獲得優(yōu)化的分簇結(jié)果。但是由于普通無線傳感器節(jié)點(diǎn)能量

8、有限，計(jì)算與通信能力不強(qiáng)，因此對于大型的WSN，集中式算法在靈活性、可擴(kuò)展性以及健壯性等方面存在缺陷，例如很多集中式算法要求獲得節(jié)點(diǎn)的剩余能量，因?yàn)閭鞲衅鞴?jié)點(diǎn)運(yùn)行中能量不斷下降，所以必須隔一段時間就得通知中心控制點(diǎn)更新剩余能量信息，這就造成大量額外數(shù)據(jù)包的傳輸，使算法的開銷過大。???與集中式算法不同，分布式算法一般只需要相鄰節(jié)點(diǎn)之間互相交換信息，甚至不考慮相鄰節(jié)點(diǎn)獨(dú)立作出判斷，這類算法簡單、高效、