無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于聚類的分簇算法研究分析 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于聚類的分簇算法研究1、目的及意義（含國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀）與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比較，無(wú)線自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)能量都是受限制的，同時(shí)，使用完后又很難再次補(bǔ)充。如何利用節(jié)點(diǎn)能量高效地，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期最大化成為無(wú)線自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)路由算法的重要目標(biāo)之一。根據(jù)無(wú)線自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)的這個(gè)特性，國(guó)內(nèi)外的許多學(xué)者都提出了適用于它的各種路由算法。能將這些路由算法大致分成四類:平面型、層次型、基于地理位置型和基于QoS型路由協(xié)議。為了盡可能最大程度地延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期，需要尋找出一種高效的分簇算法，能夠?qū)崿F(xiàn)均勻分布網(wǎng)絡(luò)能耗，同時(shí)在各輪的數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，也盡可能地降低簇頭和各個(gè)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)通信的總的能耗，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)生命周期的有效延長(zhǎng)。無(wú)線通信技術(shù)、電子技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)(Micro-Electro-Mechanism)的飛速發(fā)展，推動(dòng)了低成本、多功能、低功耗、體積小、可進(jìn)行短距離無(wú)線通信的傳感器的進(jìn)步。這些傳感器節(jié)點(diǎn)集成了信息感知、數(shù)據(jù)處理和無(wú)線通信等功能，使大量節(jié)點(diǎn)通過(guò)協(xié)同工作構(gòu)建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetworksy，WSN)成為可能。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種新的信息獲取方式和信息處理模式，通過(guò)大量部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)，采集網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)感知對(duì)象的信息，采用多跳的無(wú)線通信方式，將收集、處理后的信息提供給終端用戶。它將邏輯上的信息世界與客觀上的物理世界聯(lián)系起來(lái)，改變了人類與自然界的交互方式，實(shí)現(xiàn)了物理世界、計(jì)算機(jī)世界以及人類社會(huì)三種世界的連通，被認(rèn)為是21世紀(jì)最具影響力的技術(shù)和10個(gè)將改變世界的技術(shù)之一。早在十九世紀(jì)八十年代，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃署(DefenseAdvancedResearchProjectsAgencyDAPA)就已經(jīng)開(kāi)始了傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究，但當(dāng)時(shí)無(wú)論是計(jì)算機(jī)處理技術(shù)，還是通信、微電子等技術(shù)，都極大地限制了傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。1999年，出現(xiàn)了題為“傳感器走向無(wú)線時(shí)代”的關(guān)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)代表性論述。隨后，美國(guó)的移動(dòng)計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)國(guó)際會(huì)議提出無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是下一個(gè)世紀(jì)面臨的發(fā)展機(jī)遇。2003年，美國(guó)《技術(shù)評(píng)論》雜志論述未來(lái)新興十大技術(shù)時(shí)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)被列為第一項(xiàng)未來(lái)新興技術(shù)。同年，美國(guó)《商業(yè)周刊》未來(lái)技術(shù)專版論述四大新技術(shù)時(shí)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)也列入其中。美國(guó)《今日防務(wù)》雜志更認(rèn)為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和發(fā)展將引起一場(chǎng)劃時(shí)代的軍事技術(shù)革命和未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的變革。2004年《IEEESpectrum》雜志發(fā)表了一期“傳感器的國(guó)度”的專輯，論述了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和可能的廣泛應(yīng)用?？梢灶A(yù)計(jì)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，將對(duì)人們的社會(huì)生活和產(chǎn)業(yè)變革帶來(lái)極大的影響并產(chǎn)生巨大的推動(dòng)作用。WSN巨大的學(xué)術(shù)價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景引起了許多國(guó)家軍事界、產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的高度重視。英國(guó)、意大利、日本等國(guó)家的一些大學(xué)與研究機(jī)構(gòu)也對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究表現(xiàn)出了極大的興趣。比較典型的研究項(xiàng)目有DARPA的SensorIT、加州大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)的WINSCWirelessIntegratedNetworkSensors)、加州大學(xué)伯克萊分校(UCBerkeley)的SmartDust,Sun實(shí)驗(yàn)室的SPOTCSmallProgrammableObjectTechnology)、麻省理工大學(xué)(MIT)的υ-AMPS（υ-AdaptiveMulti-domainPowerawareSensors)等等。我國(guó)的傳感器網(wǎng)絡(luò)研究起步相對(duì)較晚，但我國(guó)也十分重視無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究?！爸袊?guó)未來(lái)20年技術(shù)預(yù)見(jiàn)研究”提出的157個(gè)技術(shù)課題中有7項(xiàng)直接涉及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。2006年初發(fā)布的《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》為信息技術(shù)確定了3個(gè)前沿方向，其中兩個(gè)與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究直接相關(guān)。我國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金和863國(guó)家高新技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃連續(xù)資助多個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究項(xiàng)目，973國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃也對(duì)研究無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)項(xiàng)目進(jìn)行了資助，從而加快了國(guó)內(nèi)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究進(jìn)程。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣闊應(yīng)用前景引起了人們的廣泛關(guān)注，成為了當(dāng)今國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。然而在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)是體積微小的嵌入式設(shè)備，采用能量有限的電池供電，它的計(jì)算能力和通信能力十分有限，而且在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，除了少數(shù)節(jié)點(diǎn)需要移動(dòng)以外，大部分節(jié)點(diǎn)都是靜止的。所以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)有著不同的設(shè)計(jì)要求，因?yàn)樗鼈兺ǔ＿\(yùn)行在人無(wú)法接近的惡劣甚至危險(xiǎn)的遠(yuǎn)程環(huán)境中，能源無(wú)法更換，設(shè)計(jì)有效的策略延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期成為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心問(wèn)題。這些獨(dú)特的要求和制約因素為傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究提出了新的技術(shù)問(wèn)題。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)處于新技術(shù)的最前沿，是許多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域，涉及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂?、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)安全、時(shí)間同步、定位技術(shù)、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)管理、無(wú)線通信技術(shù)、嵌入式操作系統(tǒng)、應(yīng)用層技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。目前尚存在著許多值得探討的熱點(diǎn)課題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者正在進(jìn)行深入研究。2研究的基本內(nèi)容、目標(biāo)、擬采用的基本方案及目標(biāo)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)都是由電池來(lái)供電的，電池容量有限，但是大部分應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)網(wǎng)絡(luò)的生存周期要求很高，要求其能夠正常工作幾年甚至幾十年。因此，低功耗路由協(xié)議的設(shè)計(jì)成為當(dāng)前WSN路由研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。本文主要針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分簇路由算法進(jìn)行研究。針對(duì)WSN路由的應(yīng)用相關(guān)性和現(xiàn)有協(xié)議的不足，在傳統(tǒng)K-means分簇算法的基礎(chǔ)上，提出了兩種分簇路由算法:BSK-means集中式分簇算法和BPK-means分布式分簇算法，它們均沿用了經(jīng)典LEACH算法中的“輪”的思想。在研究這兩種新的分簇路由算法過(guò)程中，以優(yōu)化簇結(jié)構(gòu)和均衡節(jié)點(diǎn)間能耗為主要研究?jī)?nèi)容，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存周期為主要研究目標(biāo)，綜合考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量和節(jié)點(diǎn)地理位置來(lái)選舉合理的簇頭。BSK-means集中式分簇算法是網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)由基站不斷的重復(fù)執(zhí)行簇的重構(gòu)，分簇過(guò)程中采取了簇均衡調(diào)整技術(shù)對(duì)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行均衡調(diào)整;在選舉簇頭時(shí)，綜合考慮了節(jié)點(diǎn)到簇心的距離和節(jié)點(diǎn)的剩余能量來(lái)合理選擇簇頭，從而實(shí)現(xiàn)了簇頭和簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的均衡分布，使網(wǎng)絡(luò)能量均衡使用，有效的延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生存周期。而B(niǎo)PK-means分布式分簇算法通過(guò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)分布式地執(zhí)行分簇計(jì)算并相互交換信息來(lái)確定網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)的簇結(jié)構(gòu)，在分簇過(guò)程中由簇頭執(zhí)行簇均衡調(diào)整策略，而根據(jù)最優(yōu)簇頭選擇策略來(lái)保證簇頭具有較高能量，此算法也實(shí)現(xiàn)了簇結(jié)構(gòu)的合理優(yōu)化，使網(wǎng)絡(luò)能量均衡消耗，最終延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。最后為了驗(yàn)證這兩種算法的性能指標(biāo)，通過(guò)Matlab仿真平臺(tái)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明它們都有效的優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)的簇結(jié)構(gòu)，均衡了網(wǎng)絡(luò)能耗，提高了網(wǎng)絡(luò)的通信效率，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。K-means算法是聚類算法中最頻繁使用并且最知名的算法之一，把傳統(tǒng)的聚類算法應(yīng)用在無(wú)線傳感網(wǎng)分簇路由協(xié)議算法中，在擴(kuò)寬了聚類算法的應(yīng)用領(lǐng)域和前景的同時(shí)，也成功探索出了一種新穎的高效節(jié)能的分簇路由算法。3參考文獻(xiàn)楊永剛,崔寶同.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中一種節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡的分簇算法[J].傳感器與微系統(tǒng),2014,33(3):139-142.徐晶晶,張欣慧,許必宵,等.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇算法綜述[J].計(jì)算機(jī)科學(xué),2017,44(2):31-37.劉壯,馮欣,王雁龍,等.基于雙簇頭聚類分簇和數(shù)據(jù)融合的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào):理學(xué)版,2015,53(5):1013-1017.張冰濤,王小鵬.基于ECC的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全分簇算法[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào),2016,35(1):20-24.呂萌萌.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中高效能分簇路由算法研究[D].山東師范大學(xué),2014.周立廣,王高才.基于分簇的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能路由算法研究與應(yīng)用探討[J].網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用,2014(1):117-118.王猛.基于分簇的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)多路徑路由優(yōu)化算法的研究[D].重慶理工大學(xué),2014.楊友良,李艷輝.基于FCM的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇多跳路由算法[J].河北聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015(1):90-94.劉佳,黃友銳,唐超禮,等.基于Agent技術(shù)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞执厮惴ǚ抡嫜芯縖J].儀表技術(shù)與傳感器,2014(7):94-96.劉帥,吳舒辭,沈?qū)W杰.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于空間相關(guān)性的分簇算法研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件,2014,31(6):108-110.何學(xué)文,曹清梅,鄭樂(lè)平.基于HEB無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由算法的研究[J].江西理工大學(xué)學(xué)報(bào),2015(1):99-103.尹翔,常麗萍,戴維超,等.一種優(yōu)化的基于博弈論的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域分簇算法[J].計(jì)算機(jī)科學(xué),2017,44(3):123-127.藺莉,張莉華.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中能量高效的自適應(yīng)分簇算法[J].儀表技術(shù)與傳感器,2017(3):121-126.孔秀平.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由算法研究[D].揚(yáng)州大學(xué),2014.李晟.基于興趣數(shù)據(jù)篩選的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇算法研究與實(shí)現(xiàn)[D].南京郵電大學(xué),2016.ShamshirbandS,AminiA,AnuarNB,etal.D-FICCA:Adensity-basedfuzzyimperialistcompetitiveclusteringalgorithmforintrusiondetectioninwirelesssensornetworks[J].Measurement,2014,55(9):212-226.BaranidharanB,SanthiB.GAECH:GeneticAlgorithmBasedEnergyEfficientClusteringHierarchyinWirelessSensorNetworks[J].JournalofSensors,2015,2015(4).GuravaiahK,VelusamyRL.EnergyEfficientClusteringAlgorithmUsingRFDBasedMulti-hopCommunicationinWirelessSensorNetworks[J].WirelessPersonalCommunications,2017,95(4):1-28.éfrenL.Souza,PazziRW,NakamuraEF.Aprediction-basedclusteringalgorithmfortrackingtargetsinquantizedareasforwirelesssensor