无线传感器网络包含大量多功能、低功耗、廉价的传感器节点。节点间采用自组织的无线通信方式相互传递信息,协作完成特定功能。无线传感器网络具有部署灵活、扩展方便、成本低、能快速从周围环境中获取信息等优点,在工业、农业、军事用途、环境监测、交通管理、医疗卫生等众多领域都有着广阔的应用前景。由于传感器节点资源受限的特性以及外部环境条件的限制,延长WSN网络的运行周期是一个十分重要的问题。在为无线传感器网络设计分层路由协议时,选择恰当的簇头的分布可以缩短节点到下一跳节点的空间距离,有效地降低节点转发数据的能耗,从而延长WSN网络的运行周期。如果把节点抽象为分布在地理空间上的点,在WSN网络中利用数据聚类技术如K-Means算法等来生成簇头是一种可行的思路。但K-Means等算法需要反复地迭代以最终生成可接受的簇头分布,这意味着WSN网络的成簇过程会有较大的延时和节点能耗增加的问题。而且也没有明确如何选择K的值。论文对基于聚类的高效无线传感器网络路由协议方案进行了研究,论文主要工作如下:1.设计无线传感器网络分簇路由协议时需要精心选择簇头,以减少节点的能耗并延长网络生命周期。然而,诸如LEACH协议(低功耗自适应集簇分层型协议)等随机分簇算法难以有效地控制节点之间的距离。基于数据聚类算法设计分簇结构,可以保证簇成员节点与相应的簇头节点之间的距离得到优化。论文利用K中心聚类问题的一种近似比为2的近似算法来生成簇头,该方法的优点是可以在一轮的过程中生成接近最优解的分簇结构,不必反复地迭代。论文方案通过调整LEACH门限公式来生成参数K的值。接下来,论文方案在每个簇内部形成链结构,并通过树结构连接K个簇头节点以转发数据到基站。仿真结果表明,和已有方案相比,论文提出的方案可以有效地延长网络生命周期。2.基于上述的K中心聚类问题,提出了一种的WSN三层分簇协议,在此基础上可以进一步缩短节点到下一跳节点的距离。这里的关键是如何选择一级簇头的数量K和二级簇头的数量J的值。论文通过分析三层结构下的节点转发的整体能耗,并对其进行优化,确定了参数K和J的值。在此基础上,基于K中心聚类问题生成了 WSN的三层分簇结构,仿真结果表明三层结构有效延长了 WSN网络的生命周期。3.在WSN网络中,考虑到外部条件的影响和节点资源的限制,在节点可能发生故障的条件下,设计容错、可靠的WSN分簇路由协议非常重要。已有的WSN容错分簇路由协议要求簇头定期向基站发送报告分组,以便基站在检测到失效的簇头后能重新进行全局分簇。论文提出的方案让簇成员在一跳通信范围内选择簇头,由簇成员对邻接的簇头的状态进行监测。簇成员在检测到失效的簇头后,重新选择邻近的一跳范围内的簇头加入,必要时生成新的簇头完成局部重新分簇。仿真结果表明局部检测和局部分簇的策略既提供了对簇头故障的容错性,也有效延长了 WSN网络的生命周期。