无线传感器网络分簇算法研究综述

无线传感器网络分簇算法研究综述

郭士琪华北电力大学

【摘要】由于无线传感器网络存在能量约束问题，因此如何利用现有能量资源，延长网络的生命周期是无线传感器网络技术迫切需要解决的问题。分簇算法（ＣｌｕｓｔｅｒＡｌｇｏｒｉｔｈｍ）是无线传感器网络在分层路由中的重要算法。本文在简单介绍当前几个典型分簇算法的基础上，重点分析了簇首的形成过程，最后给出了结论和展望。

【关键词】无线传感器网络分簇算法

ＬＥＡＣＨ近年来随着无线通信、集成电路、传感器以及微机电系统等技术的飞速发展，使得低成本、低功耗、多功能的微型无线传感器的大量生产成为可能，这些微型无线传感器具有无线通信、数据采集和处理、协同合作等功能，无线传感器网络就是由许多这些传感器节点协同组织起来的。传感器网络的节点可以随机或者特定地布置在目标环境中，它们之间通过特定的协议自组织起来，能够获取周围环境的信息并且相互协同工作完成特定任务。

无线传感器网络中，节点通常运行在人们无法接近的恶劣甚至危险的远程环境中，能源无法替换，因此如何设计有效的策略延长网络的生命周期是该种网络的核心问题。另外，无线通信带宽窄、易受干扰的特点决定了无线传感器网络数据传输易出错、易被窃取，所以设计易安装、寿命长、容错能力强、传输安全的无线传感器网络就成了研究人员努力追求的目标。

分簇算法（ＣｌｕｓｔｅｒＡｌｇｏｒｉｔｈｍ）是无线传感器网络在分层路由中的重要算法。分簇的概念最早是在分组无线网中提出，主要是对网络中的节点进行层次划分，若干相邻节点构成一个簇，每个簇内选举一个簇首（ＣｌｕｓｔｅｒＨｅａｄｅｒ），簇首之间的连接构成上层骨干网，所有簇间通信都通过骨干网进行转发。迄今为止，在无线自组网（ＷｉｒｅｌｅｓｓＡｄＨｏｃＮｅｔｗｏｒｋｓ）中已经提出较多的分簇算法用于实施层次路由协议，如基于节点ＩＤ的链路分簇算法、最低移动性算法等。而无线传感器网络中的分簇算法正处于研究的阶段。同无线自组网相比，无线传感器网络中的分簇算法更侧重于保持网络整体的能量消耗的均衡，避免出现热点问题（“ｈｏｔｓ。

ｏｔ”。

ｒｏｂｌｅｍ），最大化地延长网络的生存时间。

一、相关研究工作在无线传感器网络中，衡量一个分簇算法的优劣主要有以下几个标准，簇结构的稳定性，簇首节点的数量、负载均衡度和能量的分布是否均匀。

二、几种典型的分簇算法在无线传感器网络的分簇算法中，出现最早、最具有代表性的是低功耗自适应簇类路由协议（ＬＥＡＣＨ，Ｌｏｗｅｎｅｒｇｙａｄａ。

ｔｉｖｅｃｌｕｓｔｅｒｉｎｇｈｉｅｒａｒｃｈｙ）。

ＬＥＡＣＨ实现了一个负载平衡进程，允许不同节点在不同的时间成为簇首，平均分担中继通信业务。同平面路由协议相比，ＬＥＡ

ＣＨ大大提高了传感器网络中的整体性能，节约了传感器节点的能量消耗；后续的分簇算法很多都是在ＬＥＡＣＨ基础上进行的改进。

１．ＬＥＡＣＨ。ＬＥＡＣＨ的基本思想是：通过等概率地随机循环选择簇首，将整个网络的能量负载平均分配到每个传感器节点，从而达到降低网络能量耗费、延长网络生命周期的目的。ＬＥＡＣＨ的执行过程是周期性的，每轮循环的基本过程是：在簇的建立阶段，每个节点选取一个介于０和１之间的随机数，如果这个数小于某个阈值，该节点成为簇首。然后，簇首向所有节点广播自己成为簇首的消息。每个节点根据接收到广播信号的强弱来决定加入哪个簇，并回复该簇簇首。在数据传输阶段，簇内的所有节点按照ＴＤＭＡ（时分复用）时隙向簇首发送数据。簇首将数据融合之后把结果发给基站。在持续工作一段时间之后，网络重新进入启动阶段，进行下一轮的簇首选取并重新建立簇。

２．ＬＥＡＣＨ–Ｃ及ＬＥＡＣＨ–Ｆ。ＬＥＡＣＨ－Ｃ

（ＬＥＡＣＨ－ｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄ）和ＬＥＡＣＨ－Ｆ（ＬＥＡＣＨ－ｆｉｘｅｄ）都是集中式的簇首产生算法。

由基站负责挑选簇首。

ＬＥＡＣＨ是由每个节点根据随机数自主决定是否当选簇首，每轮产生的簇首没有确定的数量和位置。ＬＥＡＣＨ－Ｃ根据全局信息挑选簇首，可以有效解决ＬＥＡＣＨ的这一不足，每个节点把自身地理位置和当前能量报告给基站。基站根据所有节点的报告计算平均能量，当前能量低于平均能量的节点不能成为候选簇首。从剩余候选节

点中选出合适数量和最优地理位置的簇首集合是一个Ｎ。

问题。基站根据所有成员节点到簇首的距离平方和最小的原则，采用模拟退火（ｓｉｍｕｌａｔｅｄａｎｎｅａｌｉｎｇ）算法解决该Ｎ。

问题。最后，基站把簇首集合和簇的结构广播出去。

ＬＥＡＣＨ－Ｆ也是在ＬＥＡＣＨ基础上做了一些改变，簇的形成与ＬＥＡＣＨ－Ｃ一样，也是基站采用模拟退火算法生成簇。同时，基站为每个簇生成一个簇首列表，指示簇内节点轮流当选簇首的顺序，一旦簇形成之后，簇的结构就不再改变，簇内节点根据簇首列表依次成为簇首。

与ＬＥＡＣＨ和ＬＥＡＣＨ－Ｃ相比，ＬＥＡＣＨ－Ｆ最大的优点就是无须每轮循环都构造簇，减少了构造簇的开销。但是，ＬＥＡＣＨ－Ｆ并不适合真实的网络应用，因为它不能动态处理节点的加入、失败和移动，同时，它还增加了簇间的信号干扰。

３．ＤＡＥＡ。ＤＡＥＡ（ｄａｔａａｇｇｒｅｇａｔｉｏｎ－ｅｘａｃｔａｎｄａ。

ｒｏｘｉｍａｔｅ）是３层的分簇协议。簇是依地理位置事先划分成的大小相等、相邻且不重叠的正方形区域。基于这种结构，为了最大程度地节省能量和融合数据，ＤＡＥＡ提出为每个簇选择簇首（即局部汇聚点ＬＡ（ｌｏｃａｌａｇｇｒｅｇａｔｉｏｎ））和从ＬＡ中选择上层簇首（即主汇聚点ＭＡ（ｍａｓｔｅｒａｇｇｒｅｇａｔｉｏｎ））。选择ＬＡ是基于节点的能量和节点已当选过簇首的

次数。从ＬＡ集合中选取最优的ＭＡ，由ＭＡ负责转发数据到基站，从而最大化网络生命周期，是一个Ｎ。

完全问题。ＤＡＥＡ采用ＩＬ。

（ｉｎｔｅｇｅｒｌｉｎｅａｒ。

ｒｏｇｒａｍ，整数线性优化）技术求解，目标是最小化α＊σ＋β＊ρ（２．３）其中：σ是每个ＬＡ耗费的能量；ρ是选出的ＭＡ个数，α，β是两个平衡因子。同时，ＤＡＥＡ还提出ＭＡ的最大个数限制、ＭＡ转发数据到基站的能量限制等９个约束条件，采用ＩＬ。

算法求解。此外，对于从ＬＡ中选择ＭＡ，ＤＡＥＡ还提出了３种次优的解决方法：遗传算法、ｋｍｅａｎｓ算法和贪婪算法。

ＤＡＥＡ提出的这种３层簇首数据融合结构是能量与延迟之间的折衷，分层的增加可以节省能量，但增加了延迟。ＤＡＥＡ适用于中小型网络。

三、结语采用分簇结构是解决传感器网络节能和提高扩展性、可靠性以及健壮性的有效途径，以此为基础设计的路由协议能够很好的促进负载平衡和进行有效的数据融合。在今后的研究中，还需要解决由视频和图像传感以及实时应用引起的ＱｏＳ问题，能量感知的ＱｏＳ分簇路由越来越受到重视，它将在目标的实时追踪等方面得到应用，这就对带宽保证和能量高效路径的有效利用提出了严格要求。

参考文献：

任丰原，黄海宁，林闯．无线传感器网络。软件学报，２００３，