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无线传感器网络的分簇算法的设计研究

电子设计 2020-01-17 08:04 次阅读

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。电玩之家_[官网入口]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。

电玩之家_[官网入口]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。

电玩之家_[官网入口]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。电玩之家_[官网入口]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。

无线传感器网络的分簇算法的设计研究

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。

无线传感器网络的分簇算法的设计研究

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

电玩之家_[官网入口]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。电玩之家_[官网入口]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

电玩之家_[官网入口]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。电玩之家_[官网入口]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。电玩之家_[官网入口]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

无线传感器网络的分簇算法的设计研究

其中p=1,2,¨.,k,n。为第p类中的点数。

无线传感器网络的分簇算法的设计研究

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。


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