工業(yè)無線網絡分簇算法研究.pdf

1、無線通信技術、微電子技術、傳感器技術以及計算機技術的飛速發(fā)展與日益成熟,推動了低成本、低功耗并能進行短距離無線通信的無線傳感器網絡技術的發(fā)展。工業(yè)無線網絡技術是一種應用于工業(yè)現場環(huán)境中的網絡測控技術,它的出現正是源于無線傳感器網絡技術的飛速發(fā)展。
　　 平面型結構和層次型結構是工業(yè)無線網絡常用的兩種結構組織方式。在平面型結構的網絡中,所有的傳感器節(jié)點都具有平等的地位,因此也常稱作對等結構。而在層次結構中,網絡包含兩種不同類型的節(jié)

2、點:普通節(jié)點和簇首節(jié)點,簇首節(jié)點之間可以組成更高層次的網絡結構。平面結構的缺點是不能應用在大規(guī)模的工業(yè)無線網絡結構中,因為在這種類型的結構中,每個節(jié)點必須保存并維護到達所有其他節(jié)點的路由信息。在大規(guī)模的網絡中,如果網絡中存在移動的節(jié)點,維護這些動態(tài)變化的路由信息的控制開銷將變得非常大。
　　 在工業(yè)無線網絡中,層次型的網絡結構與平面型的網絡結構相比,具有比較好的可擴展性、伸縮性、以及靈活性,采用層次型的網絡結構能夠大大的提高網絡

3、的整體性能。因此,工業(yè)無線技術的飛速發(fā)展以及工業(yè)無線網絡應用環(huán)境的多樣化,使得網絡分簇算法的研究也逐漸成為工業(yè)無線網絡中的研究熱點。分簇算法的合理高效,能夠使得網絡的資源調度和管理、路由、信道接入控制以及功率控制等更容易實現,并且良好的分簇結構為數據包的融合提供了基礎,有利于減少網絡中數據的通信量,節(jié)約整個網絡的能量消耗,從而延長整個網絡的生命周期。
　　 本文主要研究WirelessHART網絡的分簇算法。首先,分析了傳統(tǒng)無線

4、傳感器網絡中典型的分簇算法,并對比了這些分簇算法的性能。其次,將K-means算法的思想引入到WirelessHART網絡的分簇操作中,將WirelessHART網絡中的傳感器節(jié)點當作數據對象,采用K-means聚類分析的方法將網絡中的所有節(jié)點根據我們設定的某種準則進行聚類劃分,從而實現工業(yè)無線網絡的分簇。針對基于K-means的算法CAKM(ClusteringAlgorithmbasedonK-means)存在的一些固有缺點:(1)

5、初始聚類中心的選擇對算法的性能影響很大,對于初始聚類中心的隨機選擇,通常會導致算法在同一數據集的情況下,產生不同的聚類劃分,并且經常得不到理想的聚類劃分結果。(2)算法采用的是梯度法求解目標函數的極值。容易使算法陷入局部極值點,得不到問題的最優(yōu)解。我們提出采用粒子群算法來優(yōu)化CAKM分簇算法,提出了K-means和粒子群算法混合的KMPSO(K-meansandParticleSwarmOptimization)分簇算法。
　　

6、 最后,為了驗證本文提出的CAKM算法和KMPSO算法的性能,根據本文中的仿真參數設置網絡仿真環(huán)境,采用MATLAB仿真工具驗證算法的性能。仿真結果顯示,對于FND(FirstNodeDied)、HND(HalfoftheNodesDied)及LND(LastNodeDied),CAKM算法比LEACH算法分別提高了12%、12.2%和20.9%;而KMPSO算法比LEACH算法分別提高了23.1%、26.5%和24.1%;KMPSO算

7、法比CAKM算法分別提高了9.9%、12.8%和2.7%。在網絡的生命周期內,網關接收到的總數據量CAKM算法比LEACH算法提高了11.3%,KMPSO算法比LEACH算法提高了24.8%,KMPSO算法比CAKM算法提高12.2%。相比LEACH算法,由于CAKM分簇算法以及KMPSO分簇算法在選擇簇首節(jié)點時,同時考慮了網絡中節(jié)點的地理位置和當前剩余能量,降低能量很低的節(jié)點當選為簇首節(jié)點的機會,從而更能均衡整個網絡的能量消耗,延長了