传感网分簇算法研究及其进展

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1、传感网分簇算法研究及其进展摘要:作为网络拓扑控制的有效方式之一，分簇算法可显著降低无线传感器网络的能量消耗，提高网络吞吐率。文章基于无线传感器网络分簇的架构，对目前主流的分簇算法进行归纳分类。针对无线传感器网络分簇算法设计中存在的难点，文章给出了解决难点的部分成果，并对进一步的研究进行了展望。关键字:无线传感器网络；分簇算法；拓扑控制；簇头英文摘要:Asoneoftheefficientwaysofnetworktopologycontrol,clusteringalgorithmscanreducethee

2、nergyconsumptionofthenetworkandobviouslyimprovethethroughputratio.BasedonthearchitectureofclusteringinWSN,thearticleclassifiestherepresentativeclusteringalgorithms.Thearticleanalyzesthedifficultiesandproblemsinthealgorithmdesignandillustratessomeoftheresult

3、s;andfurtherresearchofthisareaisforeseen.英文关键字:wirelesssensornetwork;clusteringalgorithm;topologycontrol;clusterhead基金项目：国家重点基础研究发展规划(“973”计划)项目(2007CB310606)；东南大学移动通信国家重点实验室自主研究课题资助项目(2008A08、2008B05b)      无线传感器网络(WSN)在军事、环境监测、工业控制、智能家居和城市交通等方面都有重要的实用价值，已

4、成为热点研究领域之一[1]。对应于不同的应用需求，各种WSN在硬件平台、软件系统和通信协议上都存在较大差异。从网络拓扑的角度看，WSN可以被分为平面结构以及分簇结构两大类。平面结构中WSN各节点的地位都是平等的，而在分簇结构中，网络中的节点被划分为若干个称为簇的节点集合，每个簇通常由一个簇头节点和多个成员节点组成，簇头负责管理和控制簇成员节点的工作，同时负责簇内数据收集及簇间数据转发。与平面结构相比，采用分簇结构的WSN具有能量效率高、可扩展性好等优点，但是如何选取簇头、划分簇类，需要合适的分簇算法加以解决。

5、   适用于WSN的分簇算法已成为WSN研究领域的核心技术之一。1WSN中的分簇架构   在采用分簇结构的无线传感器网络中，网络节点被划分为若干个簇。每个簇通常由一个簇头节点(CH)以及多个成员节点(MN)组成。成员节点只与簇头通信，簇头与簇头构成高一级的虚拟骨干网，负责簇内的数据融合和簇间数据转发。因为簇头节点的能量消耗较大，通常采用周期性选择簇头节点的方法均衡网络中节点能量的消耗。簇头的集合形成连通统治集(CDS)，因为获得最优CDS是NPC问题，因此实际提出的算法均为启发式的。图1给出了分簇结构以及簇内

6、与簇间的数据流向。    WSN采用分簇结构具有如下一些显著的优点： ·在满足一定约束条件情况下(例如覆盖范围与采样精度要求等)，簇成员节点可以在某些时间段内关闭通信模块，大幅度减少空闲等待状况的能量消耗，因此可节省能量。·簇头通常负责采集簇成员发送来的数据，这些数据具有较大的相关性，因此可以采用数据融合算法，在保证信息量的情况下降低数据通信量，降低数据转发的能量开销。·因为采用层次结构，簇成员只需了解到所属簇头的路由信息，簇头只需了解簇头间的路由信息，因此可降低路由协议的复杂度，减少路由表项数目，路由维护开

7、销也随之降低。·具有较好的可扩展性能，更加适合于大规模WSN的应用场景。  2.1集中式/分布式算法   根据是否存在一个中心控制节点(通常是基站)负责整个网络的簇划分，分簇算法可分为集中式与分布式两类。典型的集中式算法有LEACH-C[2]、APTEEN[3]等。我们提出的基于径向基函数(RBF)的分簇算法[4]也属于此类。中心控制节点通常有持续的电源供应、较高的存储与计算能力，并能获得网络的全局信息(如每个节点的位置以及剩余能量等)，因此可以采用复杂的算法获得优化的分簇结果。但是由于普通无线传感器节点能量

8、有限，计算与通信能力不强，因此对于大型的WSN，集中式算法在灵活性、可扩展性以及健壮性等方面存在缺陷，例如很多集中式算法要求获得节点的剩余能量，因为传感器节点运行中能量不断下降，所以必须隔一段时间就得通知中心控制点更新剩余能量信息，这就造成大量额外数据包的传输，使算法的开销过大。   与集中式算法不同，分布式算法一般只需要相邻节点之间互相交换信息，甚至不考虑相邻节点独立作出判断，这类算法简单、高效、