无线传感器网络的节能研究（本科毕业论文）(5)

(4) 应用相关。传感器网络的应用环境千差万别，数据通信模式不同，没有

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一个路由机制适合所有的应用，这是传感器网络应用相关性的一个体现。设计者需要针对每一个具体应用的需求，设计与之相适应的特定路由机制。

2.2 无线传感器网络路由协议设计要求

针对传感器网络路由机制的上述特点，在根据具体应用设计路由机制时，要满足下面的传感器网络路由机制的要求：

(1) 能量高效。传感器网络路由协议不仅要选择能量消耗小的传输路径，而且要从整个网络的角度考虑，选择使整个网络能量均衡消耗的路由。传感器节点的资源有限，传感器网络的路由机制要能够简单而且高效的实现信息传输。

(2) 可扩展性。在无线传感器网络中，监测区域大小不同或节点密度不同，造成网络规模大小不同；节点失败、新节点加入以及节点移动等，都会使得网络拓扑结构动态发生变化，这就要求路由机制具有可扩展性，能够适应网络结构的变化。

(3) 鲁棒性。能量用尽或环境因素造成传感器节点的失败，周围环境影响无线链路的通信质量以及无线链路本身的缺点等，这些无线传感器网络的不可靠性要求路由机制具有一定的容错能力。

(4) 快速收敛性。收敛是指在最佳路径的判断上，所有的路由器节点信息更新达到一致的过程。当某个网络事件比如节点硬件故障失去承担义务的能力引起拓扑变化使原有路由不可用时，路由器就发出更新信息，路由更新信息遍及整个网络，引发所有路由器重新计算最合适路由过程，最终使所有路由器找到一致公认的最合适路径。收敛慢的路由算法可能会造成路径循环或网络中断。

由于传感器网络独有的特征，每个传感器节点由电池供电，且电池一般不能更换或者充电，所以上述要求中，能量的高效使用是最重要的。

2.3 无线传感器网络分簇算法基本概念

在无线传感器网络中，网络的分簇结构与平面结构相比具有良好的灵活性、可伸缩性、可扩展性，合理有效的网络分簇结构可以建立高效的网络控制体系，对节点资源进行有效的管理，实现包括带宽分配及频率复用等在内的资源调度和应用、高效路由计算、提供信道接入控制等功能，大大提高了网络的性能。 2.3.1 平面路由协议

无线传感器网络通常由传感器节点自组织构成，传感器节点可能存在着异构问题，但从数学图论和建行研究的角度来看，在不考虑空间差异情况下可以将无线传感器网络的节点抽象成图的顶点，如下的平面图就是一个无线传感器网络的

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平面结构。在平面拓扑结构中，所有网络节点的地位是平等的，因此，又把平面结构称对等式结构。平面结构具有生存性强、健壮性好等特点，但随着网络规模的增大，网络的性能将迅速下降。当网络规模增加到某个程度时，路由协议可能会消耗掉所有的网络带宽，即随着无线传感器网络中节点数目的增多，网络管理控制开销也会逐渐增加，从而极大地降低了网络的整体性能。因此，平面结构只适合中小型网络，无法满足大规模无线传感器网络的扩展性需求。

外部网络卫星 汇聚节点

任务管理节点 监测区域 传感器节点 用户

图2.1 平面拓扑结构图

2.3.2 分簇路由协议

鉴于无线传感器网络的特殊环境对系统性能的制约性要求，人们提出了无线传感器网络的分簇结构模式，通过分级的方式可以克服平面结构的缺点，达到提高网络容量、进行网络管理、路由优化和增强网络扩展性的目的。分级结构一般采用分簇算法将网络划分成不同的子网，簇内包含簇头和簇成员。分级结构的优点是以实现网络的管理与同步，并且这种结构类似于蜂窝网络结构，可以赋予簇头更多的功能，临时充当基站，实现资源的分配和无线接入管理。

层次拓扑结构的网络一般以簇的形式存在，所谓簇，就是具有某种关联(如根据位置、能量级别关联)的网络节点组成的集合。分簇算法是根据无线传感器网络的具体应用需求，按照某种规则或方法将网路分成可以相互连通并覆盖所有节点的多个簇，并在当网络结构发生变化时更新簇结构以及维护网络的正常功能。分簇算法的主要目的是通过初始化，获得高连通度、覆盖所有节点的簇结构，当网络结构发生变化时及时更新簇结构，确保节点感知到的信息正确地传递到汇聚节点，并且能够使用较少的计算和通信开销来构造和维护一个能够覆盖整个网络的逻辑拓扑结构。

网络分簇过程一般包括两个阶段：簇结构的初始化建立、网络运行中对簇以

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及簇信息的更新和维护。在初始化建立阶段，网络中的节点将基于一定的准则构建多个节点集合，每个集合就是我们所说的簇；在网络运行时，随着节点的移动会损坏等问题的出现，集合也依据准则进行更新，即簇以及簇信息的更新，簇的更新包括簇头节点的改变、簇内成员节点的变化以及簇的重建。通常来说，重建簇的规则是与初始化建立簇的原则和方法是紧密相关的。层次拓扑结构与分簇路由协议相对应，在分簇路由协议中，网络中的节点可以划分为簇头节点和成员节点两类。在每个簇内，根据一定的算法机制选取某个节点作为簇头，用于管理或控制整个簇内成员节点，协调成员节点之间的工作，负责簇内信息的收集和数据的融合处理以及簇间转发。

有线网络

图2.2 层次拓扑结构

同平面结构相比较，无线传感器网络的分级结构能够大大减少网络中路由控制信息的数量，提高网络带宽的利用率，并且极大较少了网络规模受节点数目限制的情况。但是，分成结构也存在一些缺点：（1）簇头的选择算法需要一定的额外开销，分簇完成后由于传感器节点具有弱移动性或者新节点的加入与旧节点的死亡等，需要及时进行簇结构的维护和更新，这也增加了网络节点的负载；（2）簇头节点的“额外”义务功能使其任务相对比较繁重，簇头往往会成为网络的瓶颈；（3）簇间的路由也往往不一定是最优路由。

尽管分级结构存在一定缺点，但是从实施资源管理、提高网络资源利用率和增加服务质量保障的角度考虑，分集结构较平面结构还是更有优势的，因此，只要在设计分簇算法时对一些问题加以考虑，则基于分级结构的无线传感器网络还是可以达到良好的服务性能的。

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2.3.3 分簇算法基本目标及其性能评价

在使用分簇结构的无线传感器网络中，分簇算法的首要目标的建立合理和有效的网络分簇结构、维持网络拓扑的相对稳定性、提高网络性能。

在比较各种分簇算法的性能时，主要采用以下几种性能指标。

（1）网络中簇（头）数目，它直接反映了分簇网络的结构和特性。分簇网络中簇数目不应该过多，也不能过少，应以满足系统要求和减少控制开销为准则。

（2）单位时间内簇头构成的节点集更新的次数，说明簇重构的频率。重新分簇会引起较大的计算和通信开销，该指标在很大程度上决定了分簇算法的性能。

（3）簇重叠度，簇头处理负责的能量取决于他可以支持的节点数量。除了为簇内节点分配资源外，簇头还需要维护簇间的路由，因此希望网络的负载能够比较均匀地分配到各个簇，从而提高网络的整体性能。但在无线传感器网络中优化负载是比较困难的，为了定量地刻画簇头的负载平衡程度，引入簇重叠度和网络负载平衡因子(LBF)两个参数。簇覆盖内所有节点的数目之和与网络节点总数的比值作为网络的簇重叠度，显然簇重叠度越大，则处于重叠区域的节点数量越多。

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