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，ＬＥＡＣＨ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。
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无线传感器网络中基于分簇的能耗优化算法研究
无线传感器网络中基于分簇的能耗优化算法研究
无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）是一种由许多分布式，具有感知、处理和通信能力的传感器节点组成的智能传感系统。传感器节点通过无线通信进行信息交换和协作，并将采集到的信息传递给应用系统或用户。由于传感器节点部署环境通常是固定的，而且大多数情况下传感器节点所需的能源来源是有限的，因此如何减少无线传感器网络的能耗成为无线传感网络研究的一个重要问题。
分簇技术是解决无线传感器网络能耗问题的一种有效手段之一，该技术将传感器节点按照一定的规则分成多个簇，将簇头选举出来，并通过簇头对传感器节点进行协调和管理，这样可以达到减少能耗、延长网络寿命的效果。目前，基于分簇的能耗优化算法是无线传感器网络能耗优化研究的重点方向之一。
无线传感器网络中基于分簇的能耗优化算法研究从以下几个方面进行探究：
1.簇头选举算法研究
簇头选举算法是分簇技术中的核心问题，如何选取具有较好的能力和生存能力的节点作为簇头，对于提高整个网络的能量效率至关重要。目前，常用的簇头选举算法有轮流选簇、基于能量阀值的选簇、基于节点距离和能量等级的选簇、基于负载均衡的选簇等方法。不同的选簇算法，适用于不同的网络场景，选择合适的选簇算法对于改善无线传感器网络的能源消耗有着非常重要的作用。
2.簇形成算法研究
簇形成算法是指按照一定的原则把传感器节点分成若干个簇的算法。 目前，K-Means 算法和 LEACH 算法是最为典型的簇形成算法。 K-Means 算法在线聚类算法，算法计算复杂度较低，在分簇效果上也比较优秀。在该算法下，传感器节点通过协作完成数据采集和处理的任务，并将数据传输给簇中的簇头节点，簇头节点负责数据的集中存储和处理。该算法的缺点是不适合大规模无线传感器网络，且对物理环境要求较高。
LEACH 算法是一种基于概率型轮询策略的簇形成算法，LEACH 算法中每个节点节点有相等的概率成为簇头，有效降低了能量损失，且具有良好的网络负载均衡性。同时，LEACH 算法也同时存在一些缺点，例如网络延迟较高和能量效率不稳定，需要综合考虑网络的实际应用情况选择。
无线传感器网络基于能量和距离的分簇路由算法研究
无线传感器网络基于能量和距离的分簇路由算法研究★
０ 引言 谢 妙
（玉林师范学院计算机科学与Ｔ程学院，玉林５３７０００）
摘 要：研究无线传感器网络节点能耗和生存周期问题 详细分析经典分簇路由协议Ｌｅａｃｈ的不
足．针对其不足提出一种基于能量和距离的分簇路由算法 算法根据通信过程中的能量损
耗重新计算了最优分簇数。簇首的选择充分考虑节点剩余能量，同时，簇首问根据通信距离
的长短采用基于阈值的单跳与多跳相结合的通信方式 最后在ＮＳ２平台上进行仿真 仿真
结果表明，与Ｌｅａｃｈ算法相比，改进算法综合考虑了能量和距离因素，能有效地均衡节点能
耗．提高能量的有效性．从而延长网络的生存周期
关键词：无线传感器网络：路由协议：簇；能量均衡
无线传感器网络（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｓｅｎｓｏｒ Ｎｅｔｗｏｒｋ．简称
ＷＳＮ）综合了传感器技术、嵌入式技术、无线网络通信
技术和分布式信息处理技术等ｆ１１，能实时监测、感知、采
集和处理各种监测对象的信息．是一种全新的信息获
取和处理的网络，在军事、环境监测和工业生产等方面
具有十分广阔的应用前景．是当前国际上备受关注的
研究热点之一。无线传感器节点能量十分有限．难以替
代或补充．而如何减少节点能耗，有效使用节点能量．
延长网络寿命已成为业界研究的首要目标
无线传感器网络的路由算法对有效利用节点能
量、延长网络生存周期起着关键的作用 无线传感器网
络路由协议可分为平面路由协议和层次路由协议两
种。由于平面路由协议网络中的所有节点都是平等的．
都通过自组织方式协同工作．不存在管理节点．缺乏对
通信资源的优化管理．因此并不适合在大规模网络中
采用 在现有的研究成果１２］中．采用层次路由的方法对
节点进行分簇是ＷＳＮ节省能量的有效方案 Ｌｅａｃｈ『引
是ＷＳＮ里最早提出的分簇路由协议．通过周期性的随
机选举簇首．来均衡网络中的能耗．但它没有充分考虑 节点的剩余能量．同时．簇首节点直接向基站传输数
无线传感器网络中能耗优化与分簇算法研究
无线传感器网络中能耗优化与分簇算法研究
无线传感器网络（Wireless Sensor Networks, WSN）是一种具有广泛应用前景的无线通信网络，它由大量分布在监测区域内的、具有感知、通信和计算能力的传感器节点组成。然而，传感器节点的能源有限，是制约WSN应用发展的重要因素之一。因此，如何优化能耗，延长传感器节点的寿命，成为了当前WSN研究中亟待解决的问题。
为了提高WSN能耗效率，研究人员提出了众多的能耗优化算法，其中分簇算法是一种被广泛应用的方法。分簇算法通过将传感器节点划分为不同的簇（Cluster），然后将数据汇聚在簇首节点（Cluster Head），再将数据传输到基站。这种分簇方式可以减少通信链路长度，降低数据传输能耗。
在WSN中，为了实现分簇算法，通常需要选择簇首节点。簇首节点具有更大的能量和计算能力，能够处理相邻节点的数据和控制通信。因此，选择适当的簇首节点对于能耗优化至关重要。
一种常用的簇首节点选择方法是基于距离和能量的权重评估。该方法根据节点与基站的距离以及其剩余能量，计算每个节点的权重值，然后选择权重值最大的节点作为簇首节点。这种方法简单快速，在一些场景中具有较好的效果。
然而，基于距离和能量的权重评估方法也存在一些问题。由于节点能量消耗不均衡和能量泄露等因素的影响，部分节点可能会提前耗尽能量，导致簇首节点无法正常工作。因此，研究人员提出了更加精细的簇首节点选择算法。
一种常见的优化算法是基于剩余能量比例的簇首节点选择方法。该方法将节点的剩余能量与邻居节点的剩余能量比较，选择剩余能量比例最高的节点作为簇首节点。这样可以保证簇首节点具有相对较高的能量储备，延长WSN的寿命。
除了簇首节点选择算法，还有一些其他的能耗优化算法值得研究探索。例如，动态调整传输功率的算法可以根据节点之间的距离变化自适应地调整传输功率，避免能耗浪费；自适应休眠调度算法可以根据监测区域内的数据流量变化，动态调整传感器节点的休眠和工作状态，降低能耗等。
无线传感器网络分簇路由协议研究综述
第２期 ２０１０年３月 湖南人文科技学院学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｕｎａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｈｕｍａｎｉｔｉｅｓ，Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｎｏ．２ Ｍａｒ．２０１０
无线传感器网络分簇路由协议研究综述 刘琼 ，２ （１．湖南大学软件学院，湖南长沙４１００８２；２．湖南人文科技学院教务处，湖南娄底４１７００１） ［摘要】首先分析了无线传感器网络区别于传统无线网络的个性化特点，然后从簇头选举、簇的形成和数据传输等 方面概括了无线传感器网络分簇路由协议的研究现状，最后对无线传感器网络路由协议进行了总结。 ［关键词］无线传感器网络；节能；路由协议 ［中图分类号］ＴＰ３９３ ［文献标识码］Ａ ［文章编号］１６７３—０７１２（２０１０）０２一ｏ０２４一Ｏ３ 作为新一代传感器网络，无线传感器网络（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｓｅｎｓｏｒ Ｎｅｔｗｏｒｋ，ＷＳＮ）的研究始于１９９０年代末期。从２０００ 年起，国内外的无线传感器网络研究１３趋活跃，取得了很多 研究成果。由于无线传感器网络可以使人们在任何时问、 地点和任何环境下获取大量可靠的信息，所以这已经引起 了世界上许多国家在军事领域、工业领域和学术领域的极 大关注。美国《商业周刊》认为无线传感器是全球未来四 大新技术之一，是２１世纪世界最具有影响力的２１项技术 之一。 本文从簇头选举、簇的形成、数据传输等方面概括了目 前研究者在无线传感器网络分簇路由协议节能方面的相关 研究，为进一步研究无线传感器网络路由协议提供参考。 １ 无线传感器网络特点 无线传感器网络是指一组传感器节点被部署在监测区 域中，这些传感器节点以无线通信方式形成一个自组织网 络系统，它们协作的感知、采集并处理网络覆盖区域中感知 对象的信息，并发送给基站 Ｊ。与传统无线网络相比它具 有如下特点： １．１自组织网络 网络的部署无需依赖任何预设的网络设施，节点通过 分层协议和分布式算法协调各自的行为，节点活跃状态下 可以快速、自动地组成一个独立的网络。 １．２动态网络 传感器网络的拓扑结构由于各种因素而改变，如节点 的电能耗尽或自然灾害等原因影响失效，各种条件的变化 可能造成无线通信链路带宽发生变化，甚至通信不稳定，这 些问题要求传感器网络系统要能够适应这种变化，具有动 态系统可重构性。 １．３通信能力受限 传感器节点的通信带宽是有限的，通常仅有几百ｋｂ— ｐｓ。传感器节点的通信范围与无线电发送设备的发送信号 强度、接收设备的接收能力及自然环境（如山地，树林）等 干扰因素有关。 １．４以数据为中心的网络 互联网中将网络设备用唯一的ＩＰ地址进行标识，是一 个以地址为中心的网络。无线传感器网络节点是否编号取 决于网络通信协议的设计，用户使用无线传感器网络查询 事件时，直接将所关心的事件通告给网络，网络在获得指定 事件的信息后汇报给用户。 １．５电源能量有限 传感器节点通常通过自身携带的电池供电，能量是非 常有限的，由于传感器节点的数量规模庞大，而且工作的环 境非常复杂甚至有危险的，通过人工更换电池的方式补给 能量是不太现实的。 １．６多跳路由 传感器节点覆盖在一定的区域外，因此节点之间采用 多跳的通信方式来减少远距离传输能量消耗。 传统的无线网络首要目标是提供高可靠性和更高的带 宽；而无线传感器网络存在能量受限的问题，因此无线传感 器网络路由设计大多把能耗最小化作为首要目标。针对以 上特点，许多研究人员提出了很多高效节能的路由协议。 ２无线传感器网络路由协议研究综述 ＬＥＡＣＨ 是最早提出的分簇路由协议，它的基本思想 是：以循环的方式随机选择簇头节点，将整个网络的能量负 载平均到每个传感器节点，从而达到降低网络能量耗费、延 长网络生命周期的目的。从ＬＥＡＣＨ执行过程我们看出，每 ［收稿日期］２０１０—０２—１５． ［作者简介］刘琼（１９７７一），男，湖南双峰人，湖南人文科技学院助教，湖南大学软件学院在读硕士，研究方向：无线传感器网络路由 协议。
无线传感器网络的分簇技术研究
无线传感器网络的分簇技术研究
随着物联网技术的发展，无线传感器网络（Wireless Sensor
Network，简称WSN）已经成为了一个热门的研究领域。该技术具有安装方便、无线传输、自组织等特点，在环境监测、医疗卫生、智能家居等领域得到广泛应用。但是，WSN也存在传输距离短、能源有限等缺点。为了解决这些问题，WSN的分簇技术得到了广泛研究。
什么是无线传感器网络的分簇技术？
WSN是由大量的小型传感器节点组成的网络。这些传感器节点可以收集环境信息，并将数据通过有限的无线传输距离发送到汇聚节点。分簇技术是指将WSN中的节点按照一定的规则划分成若干个簇，每个簇有一个簇首节点，负责与基站通信，将簇内的数据汇总后发送到基站。这样做的好处是：一方面可以延长节点寿命，另一方面可以减少冗余数据，提高传输效率。
WSN的分簇技术有哪些应用？
分簇技术是WSN中非常常用的一种技术，拥有广泛的应用。例如：在环境监测领域中，分簇技术可以用于空气质量监测，水质监测等；在交通监测领域中，分簇技术可以用于道路交通监测、车辆防盗等；在智能家居领域中，分簇技术可以实现对家电、灯光等设备的远程监控等。 无线传感器网络的分簇技术有哪些研究方法？
目前，有关WSN的分簇技术的研究较为广泛，常见的研究方法主要包括以下四种：
1. 基于能量的分簇方法
该方法是根据每个节点的剩余能量水平，将节点分成若干个簇，其中具有较高能量水平的节点担任簇首，每个簇有一个簇首负责数据聚合传输。该方法的优点是节点寿命相对较长，但是，在能量不均匀的情况下，容易出现“烧坏”率较高的节点，从而影响整个传感器网络的性能。
2. 基于距离的分簇方法
该方法是根据每个节点与汇聚节点的距离，将节点分成若干个簇，其中与汇聚节点距离最近的节点担任簇首，负责信息的聚合与传输。该方法的优点是节点间距离近，传输距离短，有利于节约能量。
3. 基于拓扑的分簇方法
该方法是根据节点的位置信息生成拓扑结构，将节点分成若干个簇，其中拓扑结构中心点担任簇首。该方法充分考虑节点的地理信息，能够减少节点之间的信息冗余，提高了传输效率。
无线传感器网络中的分簇协议研究
无线传感器网络中的分簇协议研究
第一章：引言
随着无线传感器网络技术的不断发展，传感器网络的规模越来越大，节点数量也越来越多，因此如何有效地管理和协调这些节点的通信成为了一个重要的研究方向。分簇协议是无线传感器网络中的一种重要协议。通过分簇协议，将传感器节点划分成若干个簇，每个簇由一个簇头节点负责协调和管理该簇内的所有节点，减少节点之间的冲突，提高网络的能效和稳定性。本文将对无线传感器网络中的分簇协议进行研究。
第二章：分簇协议分类
在无线传感器网络中，分簇协议可以分为基于层次结构的分簇协议和基于非层次结构的分簇协议。基于层次结构的分簇协议通常使用树状结构将传感器节点分成若干个簇，每个簇内只有一个簇头节点。常见的分簇协议有LEACH和PEGASIS。基于非层次结构的分簇协议则不使用树状结构，每个节点都可以成为簇头节点，常见的有SEP和TEEN。
第三章：基于层次结构的分簇协议
LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）是一种经典的基于层次结构的分簇协议，它通过在每轮信标周期（Beacon
Interval）开始前，让各个节点通过随机方式决定是否成为簇头节点，从而实现簇头节点的选举。 评价一个簇头节点的标准主要是基于其到BS（Base Station）之间的距离，距离越短越有可能成为簇头节点，但是具有这种条件的节点会消耗更多的电能。LEACH通过周期性更换簇头节点来实现能量的均衡。
PEGASIS（Power-Efficient Gathering in Sensor Information
Systems）协议是一种链式的簇头节点通信协议。PEGASIS在最初的节点网络中随机选取一个节点作为起始点，并以最小的路程长链式地将所有传感器节点连接起来形成有向图。在该有向图上，每个节点都将其数据传递给它的下一个节点，最终数据被传递到簇头节点。 PEGASIS协议最大的优点是节省了节点之间的通信开销，从而更加省电，并且可以在链式结构中提高全局结束时间。
无线传感器网络中的分簇与路由算法优化策略研究
无线传感器网络中的分簇与路由算法优化策略研究
简介
无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是一种由大量低成本、低功耗的传感器节点组成的自组织网络。这些节点能够收集环境中的数据，通过无线通信将数据传输到基站或数据中心。在无线传感器网络中，分簇和路由算法是优化网络性能和延长节点寿命的重要策略。本文将重点探讨无线传感器网络中分簇和路由算法的优化策略研究。
一、无线传感器网络中的分簇算法
分簇算法是将节点划分为若干个簇（cluster），每个簇都有一个簇头（cluster head）来负责数据聚集和传输。常见的分簇算法包括LEACH、PEACH、SEP等。LEACH（Low Energy Adaptive
Clustering Hierarchy）是一种经典的分簇算法，它采用概率模型将节点选择为簇头，以均匀地分布能量消耗，延长网络寿命。
为了优化分簇算法的性能，研究者提出了一些改进策略。一种改进策略是基于节点能量水平和节点位置的动态簇头选择策略。根据节点的能量水平来选择簇头，能量较高的节点更有可能成为簇头，以提高网络的稳定性和寿命。另一种改进策略是基于人工智能算法的簇头选择策略，例如遗传算法、粒子群算法等。通过优化目标函数，选择最优的簇头节点，进一步提高网络性能。
二、无线传感器网络中的路由算法
路由算法决定了节点间的通信路径，对网络的性能和能耗有重要影响。常见的路由算法包括LEACH-C、TEEN、APTEEN等。LEACH-C是在LEACH算法的基础上增加了一些机制，如簇头选择策略、数据传输控制策略等。TEEN（Threshold-sensitive Energy
Efficient sensor Network protocol）是一种基于阈值敏感的能量效率路由协议，通过设置阈值来控制节点的工作模式，以达到节能的目的。APTEEN（Adaptive Periodic Threshold-sensitive Energy
分簇式无线传感器网络节点故障诊断算法研究
２０１１年第３Ｏ卷第４期 传感器与微系统（Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ） ３７
分簇式无线传感器网络节点故障诊断算法研究
刘 凯，彭 力 （江南大学检测与过程控制研究所，江苏无锡２１４１２２）
摘要：无线传感器网络（ＷＳＮｓ）分布式节点故障诊断算法是一种可用于ＷＳＮｓ节点的故障诊断算法，通 过整个网络内邻居节点之间的数据融合诊断出故障节点。但分布式算法的计算量十分巨大，浪费了大量 的节点能源，而且分布式算法中使用自定义的全局阈值会降低诊断精度，分簇式的节点故障诊断算法应用 ＬＥＡＣＨ—ＤＦＤ算法，通过簇头节点完成故障检测，节省了大量的能量，而且采用优化的阈值，提高了诊断精 度，并且受节点故障率的影响减小。 关键词：节能；ＬＥＡＣＨ—ＤＦＤ；无线传感器网络；故障诊断；分簇 中图分类号：ＴＰ ３９３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００－９７８７（２０１１）０４－００３７－－０４
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ｃｌｕｓｔｅｒｉｎｇ ｎｏｄｅ
ｉｎ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ
ＬＩＵ Ｋａｉ，ＰＥＮＧ Ｌｉ （Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ，Ｊｉａｎｇｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｘｉ ２１４１２２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ（ＷＳＮｓ）ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｓ ａ ｎｏｄｅ ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｔｈａｔ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ＷＳＮｓ．Ｔｈｅ ｄａｔａ ｆｕｓｉｏｎ ｉｓ ｕｓｅｄ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｎｏｄｅｓ ａｎｄ ｉｔｓ ｎｅｉｇｈｂｏｒ ｎｏｄｅｓ ｔｏ ｄｉａｇｎｏｓｅ ｆａｕｌｔ ｎｏｄｅｓ． Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｓ ｖｅｒｙ ｃｏｍｐｌｅｘ，ｉｔ ｗａｓｔｅｓ ａ ｌｏｔ ｏｆ ｎｏｄｅｓ’ｅｎｅｒｇｙ，ａｎｄ ａｌｓｏ ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｕｓｉｎｇ ａ ｕｎｉｑｕｅ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ａｃｒｏｓｓ ｔｈｅ ｎｅｔｗｏｒｋｓ ｗｉｌｌ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ．Ｃｌｕｓｔｅｒｉｎｇ ｎｏｄｅ ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｐｒｏｐｏｓｅｓ ａ ＬＥＡＣＨ—ＤＦＤ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｗｈｉｃｈ ａｃｈｉｅｖｅｓ ｔｈｅ ｎｏｄｅｓ’ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｂｙ ｔｈｅ ｃｌｕｓｔｅｒ ｈｅａｄ．Ｔｈｉｓ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｓａｖｅｓ ｌｏｔｓ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ，ａｎｄ ｉｔ ＵＳｅＳ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｓｅｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ＳＯ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｎｏｄｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｒａｔｅ ｉｓ ｒｅｄｕｃｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇ；ＬＥＡＣＨ—ＤＦＤ；ＷＳＮｓ；ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ；ｃｌｕｓｔｅｒｉｎｇ
无线传感网络中的分簇算法综述
无线传感网络中的翕簇算法综述
注：目客自＃＃学ｌ金嚣助Ⅻ目（项目蝙号：６１０７２０ｄ３）
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一、前言
无线传感网络由大量依靠微型电池供电的传感嚣构成．这些传感器能够监涮周围环境的变化井具备一定
的数据处理和无线通信能力。传感器利用感知元件和柑关电路测量所处环境中感兴趣的各种参教井将它们转换为电信号．然后利用自带的无线收发器米传辅采臭的数据。无线传感月结为了完成特定任务，ｏ须按照某种Ｍ络协议或算法将丈量传感％有机地组织起来吐
传搏网络在军事和民用上都人有用武之地．如军事目标侦察、＊气预测、抢险救灾和使探考察等．传感同络的优点之一是无需人ｆ预能够在恶劣环境ｆ完成特殊的任务，周此，传感节点通常以一种随机非受掩的方式部署在感并趣的区域内－井吼自组织方式构成传感网络Ⅲ。考虑到传感同络覆盖区域较Ａ并Ｅ倍感节点靠
电池供电一因此通常需要部署数量巨大（成千上万十）的传感节点。因此，大规模传感网络的设计需要日扩展的体系结构和管ａ簟略．井Ｈ需要设计能量意识的算法以延Ｋ传感节点和传感网络的寿命…。
为了提高阿络的可扩展性，根多学者都提出采用分簇结构来组织嗣络中的节点。通过某种分旗算法将同
络划分成多个簇，每个簇通常古有一个称为簇头的管理节点，有时也可以不选举簇韭．在Ａｄｂ％嗣络巾，由于回络规模不大．分麒算法的目拆主要是在移动月络环境中获得稳定的簇结构和提高嘲络性能（如改善路由和
无线传感器网络中的节点分簇技术研究
无线传感器网络中的节点分簇技术研究
无线传感器网络是一种由许多使用无线通信技术的小型节点组成的网络。这些节点可以在一定范围内互相通信，通过传感器收集数据并将其传输到网络中心。但是，这些节点会遇到许多困难，如传输范围受限、能源有限、节点失效等。节点分簇技术被提出作为一种解决方案，它可以将节点分成各个簇并协调负载均衡，进而缓解一些问题。
下面开始讨论节点分簇技术的原理和方法。
一、节点分簇技术的原理
传感器网络中的节点的能源有限，所以需要合理利用能源。节点分簇技术可以将所有节点分成不同的簇，每个簇有一个负责人，即簇头。簇头会汇总簇内节点的数据并将其传输到网络中心。分簇技术使每个节点能够将能源用于感知环境而非网络通信，从而延长节点寿命。此外，簇头负责节点的选路和数据传输，这降低了网络能量消耗，提高网络的生命周期。
二、节点分簇技术的方法
1. 节点选择
首先，根据节点的位置和信道状况将节点划分到对应的簇中。然后，选举簇头节点。一种简单的方法是让节点拥有更大的能量和距离网络中心更近的节点成为簇头。另一种方法是根据质量指标对节点进行评分并选出簇头，如RFID信号强度、电池电压、运行时间等。这样可以确保簇头的质量，提高网络精度。
2. 簇头和簇成员之间的通信
一旦选择出簇头，簇头与簇成员之间就需要进行通信。簇头需要将所有节点的信息汇总并作出决策，簇成员需要将感知到的信息发送给簇头。数据在簇内交换后，簇头负责将它们汇总并发送到网络中心。 3. 簇的建立和维护
分簇后，簇需要维护。簇头需要不断监测簇内节点的状态，一旦某个节点死亡，需要通知其他节点。同时，簇头也需要及时地接收新节点加入簇的请求，并在添加节点的时候重新计算网络拓扑与负载均衡，以保证整个网络的健康运转。
总之，节点分簇技术是传感器网络中的一个关键技术。有效的节点分簇技术可以提高网络的生命周期、降低能源消耗并增强网络安全性。 如何选择簇头和保证簇的建立和维护都是节点分簇技术需要解决的问题。未来，我们需要不断探索新的方法，并在实际应用中验证其有效性，进一步提升节点分簇技术的性能。