无线传感器网络的分簇算法的设计研究

无线传感器网络是当今国内外研究的一大热点，它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络以及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各个传感器节点进行实时监测、感知和采集各种现场信息。它是一种新型的无基础设施网络，它的节点是传感器这种特殊的嵌入式设备，它们静态地随机分布于某一区域。无线传感器网络在国家军事、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、危险区域远程控制等许多重要领域都有潜在的实用价值，已经引起许多国家学术界和工业界的高度重视。

在军事方面，美国五角大楼提出了“智能尘埃”的设计思想，目的是在战场上抛散千万个微小的具有无线通信能力的传感器模块，用于监控人的活动情况，同时美国陆军已确定努力开发多层次集成式传感器复杂系统～ssNc（灵巧传感器网络通信），并认为这是建成未来目标部队的关键之一；民用方面，由加州大学伯克利分校David culler教授领导的科研小组在缅因州的大鸭子岛上布置了32节点组成的传感器网络，实现对一种海燕生活习性的监测。国内已经有许多大学开展了对无线传感器网络的研究，但是还没有达到实用阶段，大部分工作还处于仿真或试验阶段。

1、无线传感器网络的系统结构

据上海。羿歌所认识，无线传感器网络的基本思想是，在现场布置大量的节点，这些节点上的传感器感知现场的信息，微处理器对原始数据进行初步处理，再由无线收发模块将数据发送给相邻节点，数据经传感器网络节点的一级级转发，最终发送给基站，再由基站通过串口传送给主机，从而实现对现场的监控。

在传感器网络中，节点任意散落在被监测区域内，这一过程是通过飞行器散播、人工埋置和火箭弹射等方式完成的，节点以自组织形式构成网络。

无线传感器网络可以采用平面结构和分级结构，通常采用分级结构。分级结构如图l所示，网络划分为多个簇，每个簇由一个簇头和多个簇成员组成。这些簇头形成了高一级的网络。

在分层结构中，簇头结点负责簇间数据的转发，而簇成员只负责数据的采集。这大大减少了网络中路由控制信息的数量，因此具有很好的可扩充性。簇头可以预先指定，也可以由节点使用分簇算法自动选举产生。由于簇头可以随时选举产生，所以分层结构具有很强的抗毁性。

图1分级结构无线传感器网络

目前，还没有形成通用的无线传感器网络节点的设计方案，但一般都包括四个组成部分：传感器、微处理器、无线收发模块和电源。如图2，传感器负责监控物理信号，比如i是度、空气湿度、震动信息等。微处理器通常采用嵌入式cPu或者微控制器Mcu，无线收发单元主要由低功耗、短距离的无线通信模块组成。

图2无线传感器节点结构

2、无线传感器网络中现有路由协议的分析

无线传感器网络路由协议的分类基本上延续了传统Adhoc网的分类方法，从不同的角度可以进行不同的分类。从路由发现策略的角度，可分为主动路由和被动路由两种类型。

2．1 主动路由

主动路由也称表驱动（Table D—ven）路由，其路由发现策略与传统路由协议类似，节点通过周期性地广播路由信息分组，交换路由信息，主动发现路由，同时，节点必须维护去往全网所有节点的路由。它的优点是当节点需要发送数据分组时，只要去往目的节点的路由存在，所需的延时很小。缺点是主动路由需要花费较大开销，为使路由更新能够紧随当前拓扑结构的变化，浪费了一些资源来建立和重建那些根本没有被使用的路由。而且，动态变化的拓扑结构可能使得这些路幽更新变成计算机时代2007年第2期·15·过时信息，路由协议始终处于不收敛状态。传统的路由协议如ⅪP、0sPF都属于主动路由协议。

主动路由协议一般包括“邻居节点探测”和“路由广播”两个过程。路由器向各通信端口周期广播Hello分组，来实现邻居节点探测。在距离矢量算法中，虽然没有显式的邻节点探测过程，但在与邻节点交换距离向量路由表时，隐含了邻节点探测。

2．2 被动路由

被动路由也称按需（On Demand）路由。与主动路由相反，被动路由认为在动态变化的网络环境中，没有必要维护去往其他所有节点的路由。它仅在没有去往目的节点路由的时候才“按需”进行路由发现。被动路由协议根据网络分组的传输请求，被动地搜索从源节点到目的节点的路由。当没有分组传递请求时，路由器处于静默状态，并不需要交换路由信息。拓扑结构和路由表内容按需建立，它可能仅仅是整个拓扑结构信息的一部分。它的优点是不需要周期性地路由信息广播，节省了一定的网络资源。缺点是发送数据分组时，如果没有去往目的节点的路由，需要等待路由发现。

被动路由协议主要包括“路由发现”和“路由维护”两个过程。当源节点需要得到目的节点的路由，而该路由又没有在路由表中时，路由发现过程被激活。路由器采用泛洪的方式，向整个网络广播路由请求分组。当有路由请求报文到达目的节点时，目的节点将向源节点发出

路由请求应答报文。这样，在源与目的节点之间会建立起双向“活动路径”。活动路径建立所需时间定义为路由建立延迟。随着拓扑结构的变化，当活动路径匕的某段链路发生中断时，路由维护过程被启动。路由维护可以采用两种不同的策略：从断点处开始修补路径或通知源节点重新启动路由建立过程。

3、无线传感器网络路由协议的设计

无线传感器网络中数据处理过程分为两个步骤，分别为簇形成阶段和数据传输阶段。簇形成阶段主要是用—种分簇机制，把节点分为若干个簇；在数据传输阶段，簇内普通节点向簇头节点传输数据，簇头节点进行数据处理后，再向sink节点传输。

在网络生命周期初期，为了得到较大的吞吐量，我们采用集中式的方式形成簇类。在无线传感器网络中选择最优簇类是一种典型的组合优化问题，其描述如下：

M维空间上的n个模式{xiIi=l，2，．，n}，要求聚成k类，使得各类自身内的点间距离最近，譬如要求

其中p=1，2，¨．，k，n。为第p类中的点数。

当能源将耗尽的节点占全部节点的70％时，我们认为节点的能源普遍比较贫乏，为了最大化网络生命周期，转而采用分布式算法来决定聚类的产生，即sink节点不再参与簇类的生成，而是由传感器节点自身通过协商来决定聚类的产生。

我们采用一种基于节点权值的分布式、自协商成簇算法，在这种算法中，每个节点计算自身的权值来指示该节点适合充当簇头的程度。各节点的权值可以用一个考虑多种凶素的通用公式来表示：wei曲t=Energy_Remain水Nei曲bor_NuIll／（CHJimes+1）其中：cH_Times表示节点在以前回合中充当的簇头节点的次数；Nei曲bor_Num表示节点的邻近数目；Ene略y—Remain表示节点的剩余能量。

数据传输阶段划分成帧，簇内每个普通节点在簇头节点分配的时间槽里一次传送一帧，每个时槽中，数据恒速传送。在簇形成时，每个簇的节点数并不相等，故每个簇内时槽的大小也不相等，时槽的大小根据簇内每个普通节点的多少决定。为了减少能源浪费，簇内每个普通节点都使用能源控制，在自己的时槽中，才打开发送装置，进行数据传输。

4、结束语

无线传感器网络能量有限，对它的一个重要研究方向是节能，以延长网络生命期。本文设计了一种基于集中式和分布式相结合的分簇算法：在网络生命周期初期，为了得到较大的吞吐量，采用集中式的方式形成簇类；当能源即将耗尽时，转而采用分布式算法来决定聚类的产生，即siIlk节点不再参与簇类的生成，而是由传感器节点自身通过协商来决定聚类的产生。该设计思想的提出，扩展了无线传感器网络的应用，对无线传感器网络的研究有一定的促进作用。