基于权值的无线传感器网络分簇算法

引言

近年来随着传感器和无线通信技术的进步，无线传感器网络（WSN）技术发展迅猛，进展很快，使我们可以把大量低成本的传感器分布在广阔的区域来监测我们所感兴趣的环境。传感器通过无线网络连接起来形成无线传感器网络（WSN），WSN有一些自身的限制，如：有限的能量供应[1,2]，有限的计算能力和有限的连接传感器的无线链路的带宽，而且WSN的应用领域也给路由协议带来了一些限制，比如说，WSN可能随意地分布在恶劣的或不可到达的环境中，人为维护十分困难，因此延长网络寿命是无线传感器网络协议设计的关键技术。

无线传感器网络

无线传感器网络由大量传感器节点和一个基站（BS）构成，基站是节点与其它网络通信的出入口，传感器节点监测环境并将收集的数据传给基站。然而，它能量有限，直接将数据传给基站会消耗很多能量（图1）。采用多跳的路由方法也不理想，因为最接近基站的节点会因路由大量收到的数据而很快死亡，从而导致后来到达的数据不能传给基站。其它的路由方法中[3,4]，PEGASIS中的节点只与邻居节点通信，节点轮流发送融合后的数据给BS，基于蚁群算法的路由在尽量选择最短路径的同时考虑每个节点的能量消耗，以选出更合适的路径。

本文中，我们重点评价更具有能量有效性的分簇路由算法，它将无线传感器网络分成若干簇，每个簇选举出一个簇头，簇头作为本地基站将簇内节点传给它的数据进行数据融合[5]后再传给基站（图2），因而大大降低了节点消耗的能量，延长了网络寿命。

图1  传感器系统模型一

图2  传感器网络系统模型二

无线传感器网络中的分簇路由算法

传统路由算法

直接路由算法中节点直接将数据传送给基站，这样远离基站的节点会消耗很多的能量而很快死亡。而MTE(Minimum Transmission Energy)[6]是它的一个改进，它采用多跳的方法传送数据，每个节点运行建立路由以确定下一跳邻居节点，这个邻居节点是朝BS方向上离它最近的节点（假设每个节点都知道网络中其它节点的位置），数据包通过下一跳邻居节点传送直到到达BS。

在MTE这种路由算法中最接近基站的节点会因路由大量传来的数据而很快死亡，而直接通信中是离基站最远的节点最快死亡。

最基本的分簇路由算法

为了解决传统路由算法中的高能量耗散问题，提出了LEACH（Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy）[7]—一种最基本的分簇路由算法，每个节点根据一定的概率周期性地轮换做簇头，成为簇头的节点用相同的发射功率给网络中的所有节点广播消息，非簇头节点选择加入收到信号最强的那个簇头的簇并用CSMA MAC协议发消息给簇头，通知其成为它的成员。之后，簇头根据簇中节点数目创建TDMA[8]时间表告诉每个节点发送数据的时隙，以避免碰撞的发生。另外，簇头还要通知簇成员使用哪种CDMA编码，簇头也使用这种编码过滤收到的数据，这样邻居簇的信号就会被当为噪声过滤掉，因此不会影响簇内通信。节点只在分配给它们的时隙内发送数据，其它时间关闭其无线发射机以节约能量，到此，簇就形成了。在数据发送阶段，簇头将成员节点传给它的数据进行融合后直接传给BS。

在LEACH中，成员节点在分配的TDMA时隙内总有数据传给簇头，为了节约能量，节点也许只需在它检测到有兴趣的数据时才传送数据，另外，算法周期性地分簇会消耗节点很多能量。因此，我们需要在以后的路由算法中在这些方面对它进行改善。

来源：电子产品世界