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無線傳感器網絡的分簇算法的設計研究

電子設計 ? 2020-01-17 08:04 ? 次閱讀

無線傳感器網絡是當今國內外研究的一大熱點,它綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、現代網絡以及無線通信技術、分布式信息處理技術等,能夠通過各個傳感器節點進行實時監測、感知和采集各種現場信息。它是一種新型的無基礎設施網絡,它的節點是傳感器這種特殊的嵌入式設備,它們靜態地隨機分布于某一區域。無線傳感器網絡在國家軍事、工農業、城市管理、生物醫療、環境監測、搶險救災、危險區域遠程控制等許多重要領域都有潛在的實用價值,已經引起許多國家學術界和工業界的高度重視。

在軍事方面,美國五角大樓提出了“智能塵埃”的設計思想,目的是在戰場上拋散千萬個微小的具有無線通信能力的傳感器模塊,用于監控人的活動情況,同時美國陸軍已確定努力開發多層次集成式傳感器復雜系統~ssNc(靈巧傳感器網絡通信),并認為這是建成未來目標部隊的關鍵之一;民用方面,由加州大學伯克利分校David culler教授領導的科研小組在緬因州的大鴨子島上布置了32節點組成的傳感器網絡,實現對一種海燕生活習性的監測。國內已經有許多大學開展了對無線傳感器網絡的研究,但是還沒有達到實用階段,大部分工作還處于仿真或試驗階段。

1、無線傳感器網絡的系統結構

據上海。羿歌所認識,無線傳感器網絡的基本思想是,在現場布置大量的節點,這些節點上的傳感器感知現場的信息,微處理器對原始數據進行初步處理,再由無線收發模塊將數據發送給相鄰節點,數據經傳感器網絡節點的一級級轉發,最終發送給基站,再由基站通過串口傳送給主機,從而實現對現場的監控。

在傳感器網絡中,節點任意散落在被監測區域內,這一過程是通過飛行器散播、人工埋置和火箭彈射等方式完成的,節點以自組織形式構成網絡。

無線傳感器網絡可以采用平面結構和分級結構,通常采用分級結構。分級結構如圖l所示,網絡劃分為多個簇,每個簇由一個簇頭和多個簇成員組成。這些簇頭形成了高一級的網絡。

在分層結構中,簇頭結點負責簇間數據的轉發,而簇成員只負責數據的采集。這大大減少了網絡中路由控制信息的數量,因此具有很好的可擴充性。簇頭可以預先指定,也可以由節點使用分簇算法自動選舉產生。由于簇頭可以隨時選舉產生,所以分層結構具有很強的抗毀性。

無線傳感器網絡的分簇算法的設計研究

圖1分級結構無線傳感器網絡

目前,還沒有形成通用的無線傳感器網絡節點的設計方案,但一般都包括四個組成部分:傳感器、微處理器、無線收發模塊和電源。如圖2,傳感器負責監控物理信號,比如i是度、空氣濕度、震動信息等。微處理器通常采用嵌入式cPu或者微控制器Mcu,無線收發單元主要由低功耗、短距離的無線通信模塊組成。

無線傳感器網絡的分簇算法的設計研究

圖2無線傳感器節點結構

2、無線傳感器網絡中現有路由協議的分析

無線傳感器網絡路由協議的分類基本上延續了傳統Adhoc網的分類方法,從不同的角度可以進行不同的分類。從路由發現策略的角度,可分為主動路由和被動路由兩種類型。

2.1 主動路由

主動路由也稱表驅動(Table D—ven)路由,其路由發現策略與傳統路由協議類似,節點通過周期性地廣播路由信息分組,交換路由信息,主動發現路由,同時,節點必須維護去往全網所有節點的路由。它的優點是當節點需要發送數據分組時,只要去往目的節點的路由存在,所需的延時很小。缺點是主動路由需要花費較大開銷,為使路由更新能夠緊隨當前拓撲結構的變化,浪費了一些資源來建立和重建那些根本沒有被使用的路由。而且,動態變化的拓撲結構可能使得這些路幽更新變成計算機時代2007年第2期·15·過時信息,路由協議始終處于不收斂狀態。傳統的路由協議如ⅪP、0sPF都屬于主動路由協議。

主動路由協議一般包括“鄰居節點探測”和“路由廣播”兩個過程。路由器向各通信端口周期廣播Hello分組,來實現鄰居節點探測。在距離矢量算法中,雖然沒有顯式的鄰節點探測過程,但在與鄰節點交換距離向量路由表時,隱含了鄰節點探測。

2.2 被動路由

被動路由也稱按需(On Demand)路由。與主動路由相反,被動路由認為在動態變化的網絡環境中,沒有必要維護去往其他所有節點的路由。它僅在沒有去往目的節點路由的時候才“按需”進行路由發現。被動路由協議根據網絡分組的傳輸請求,被動地搜索從源節點到目的節點的路由。當沒有分組傳遞請求時,路由器處于靜默狀態,并不需要交換路由信息。拓撲結構和路由表內容按需建立,它可能僅僅是整個拓撲結構信息的一部分。它的優點是不需要周期性地路由信息廣播,節省了一定的網絡資源。缺點是發送數據分組時,如果沒有去往目的節點的路由,需要等待路由發現。

被動路由協議主要包括“路由發現”和“路由維護”兩個過程。當源節點需要得到目的節點的路由,而該路由又沒有在路由表中時,路由發現過程被激活。路由器采用泛洪的方式,向整個網絡廣播路由請求分組。當有路由請求報文到達目的節點時,目的節點將向源節點發出

路由請求應答報文。這樣,在源與目的節點之間會建立起雙向“活動路徑”。活動路徑建立所需時間定義為路由建立延遲。隨著拓撲結構的變化,當活動路徑匕的某段鏈路發生中斷時,路由維護過程被啟動。路由維護可以采用兩種不同的策略:從斷點處開始修補路徑或通知源節點重新啟動路由建立過程。

3、無線傳感器網絡路由協議的設計

無線傳感器網絡中數據處理過程分為兩個步驟,分別為簇形成階段和數據傳輸階段。簇形成階段主要是用—種分簇機制,把節點分為若干個簇;在數據傳輸階段,簇內普通節點向簇頭節點傳輸數據,簇頭節點進行數據處理后,再向sink節點傳輸。

在網絡生命周期初期,為了得到較大的吞吐量,我們采用集中式的方式形成簇類。在無線傳感器網絡中選擇最優簇類是一種典型的組合優化問題,其描述如下:

M維空間上的n個模式{xiIi=l,2,.,n},要求聚成k類,使得各類自身內的點間距離最近,譬如要求

無線傳感器網絡的分簇算法的設計研究

其中p=1,2,¨.,k,n。為第p類中的點數。

無線傳感器網絡的分簇算法的設計研究

當能源將耗盡的節點占全部節點的70%時,我們認為節點的能源普遍比較貧乏,為了最大化網絡生命周期,轉而采用分布式算法來決定聚類的產生,即sink節點不再參與簇類的生成,而是由傳感器節點自身通過協商來決定聚類的產生。

我們采用一種基于節點權值的分布式、自協商成簇算法,在這種算法中,每個節點計算自身的權值來指示該節點適合充當簇頭的程度。各節點的權值可以用一個考慮多種兇素的通用公式來表示:wei曲t=Energy_Remain水Nei曲bor_NuIll/(CHJimes+1)其中:cH_Times表示節點在以前回合中充當的簇頭節點的次數;Nei曲bor_Num表示節點的鄰近數目;Ene略y—Remain表示節點的剩余能量。

數據傳輸階段劃分成幀,簇內每個普通節點在簇頭節點分配的時間槽里一次傳送一幀,每個時槽中,數據恒速傳送。在簇形成時,每個簇的節點數并不相等,故每個簇內時槽的大小也不相等,時槽的大小根據簇內每個普通節點的多少決定。為了減少能源浪費,簇內每個普通節點都使用能源控制,在自己的時槽中,才打開發送裝置,進行數據傳輸。

4、結束語

無線傳感器網絡能量有限,對它的一個重要研究方向是節能,以延長網絡生命期。本文設計了一種基于集中式和分布式相結合的分簇算法:在網絡生命周期初期,為了得到較大的吞吐量,采用集中式的方式形成簇類;當能源即將耗盡時,轉而采用分布式算法來決定聚類的產生,即siIlk節點不再參與簇類的生成,而是由傳感器節點自身通過協商來決定聚類的產生。該設計思想的提出,擴展了無線傳感器網絡的應用,對無線傳感器網絡的研究有一定的促進作用。


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的頭像 牽手一起夢 發表于 04-28 15:24 ? 553次 閱讀
華工正源發布25G CWDM 6波光模塊助力運營商加速5G新基建落地
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