低能耗節點(diǎn)位置未知無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )控制方案

摘要：介紹了一種低能耗節點(diǎn)位置未知的網(wǎng)絡(luò )控制方案，根據不同的網(wǎng)絡(luò )運行輪數設定網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的通信半徑，使網(wǎng)絡(luò )具有良好的能量有效性。網(wǎng)絡(luò )中基站經(jīng)過(guò)構建階段的啟動(dòng)過(guò)程、節點(diǎn)信息收集過(guò)程和節點(diǎn)信息上報過(guò)程，獲得了整個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的相對位置分布，然后整合節點(diǎn)-節點(diǎn)信息支路，得到具有回路鏈接的簇首節點(diǎn)集，其他節點(diǎn)根據自己鄰居信息選擇簇首節點(diǎn)，實(shí)現網(wǎng)絡(luò )近似最小能耗拓撲的構建。通過(guò)仿真與同類(lèi)典型算法LEACH-C、MCLB進(jìn)行比較，結果顯示該方案應用于網(wǎng)絡(luò )運行時(shí)具有更長(cháng)的網(wǎng)絡(luò )生命周期、更少的信息總數和更低的網(wǎng)絡(luò )構建代價(jià)。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )；低能耗；節點(diǎn)位置未知；能量有效性

0 引言
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是由一個(gè)基站和大量的傳感節點(diǎn)構成。傳感節點(diǎn)通常被隨機放置在監測區域內，基站負責指導傳感節點(diǎn)工作并且收集傳感節點(diǎn)檢測到的信息，并將環(huán)境信息報送至監控中心。通常，傳感節點(diǎn)體積很小且具有感知周?chē)h(huán)境信息、數據處理與存儲和無(wú)線(xiàn)數據收發(fā)三個(gè)基本功能。無(wú)線(xiàn)傳感節點(diǎn)在應用時(shí)受到很多限制如處理速度慢、存儲容量小、電能有限等，而基站具有外部電源支持，處理能力比傳感節點(diǎn)強大很多，它負責收集傳感節點(diǎn)的監測信息并轉發(fā)給用戶(hù)。由于無(wú)線(xiàn)傳感節點(diǎn)的能量有限性，降低能量消耗、延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )生命周期，成為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議設計的首要目標。
分簇算法應用于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議設計，被認為是一種減少網(wǎng)絡(luò )能量消耗的有效辦法。它通過(guò)選擇一部分傳感節點(diǎn)作為簇首節點(diǎn)形成一個(gè)暫時(shí)固定的網(wǎng)絡(luò )構架，各簇首節點(diǎn)接收鄰居簇首節點(diǎn)、簇內節點(diǎn)感知的環(huán)境信息，進(jìn)行數據融合，剔除冗余信息，并轉發(fā)至基站。這一類(lèi)的經(jīng)典算法有：文獻LEACH-C是一種集中的聚類(lèi)算法。在啟動(dòng)階段，基站接收網(wǎng)絡(luò )中所有節點(diǎn)發(fā)送來(lái)的包含他們位置以及能量狀態(tài)的信息?；具\行本地算法獲得簇首以及分簇表，然后廣播包含簇首ID信息給每一個(gè)節點(diǎn)。簇頭確定后，普通節點(diǎn)選擇離其最近的簇頭加入該簇頭所管轄的區域，進(jìn)而形成簇區域。協(xié)議維護階段與LEACH是一致的。簇的建立過(guò)程在每一輪里都需要進(jìn)行一次，從而產(chǎn)生了很多的能量消耗和傳輸延遲。文獻MCLB算法首先找出網(wǎng)絡(luò )中的冗余節點(diǎn)作為臨時(shí)簇頭，并隨機選擇一定數量的具有高的剩余能量的節點(diǎn)為簇頭，臨時(shí)簇頭和簇頭構成了一個(gè)數據轉發(fā)層，而其他節點(diǎn)構成了一個(gè)數據收集為主要功能的底層，簇頭廣播hello消息并找到屬于本簇的節點(diǎn)從而完成對網(wǎng)絡(luò )的分簇。在數據轉發(fā)上，存在節點(diǎn)-節點(diǎn)、節點(diǎn)-簇頭和簇頭-簇頭多跳轉發(fā)至基站的混合模式，該算法中由于簇頭的位置具有隨機性，為了保
證數據轉發(fā)的可靠連通，因此每個(gè)節點(diǎn)必須以較大的發(fā)射功率進(jìn)行數據轉發(fā)而產(chǎn)生了不必要的能量浪費。文獻提出的算法CDC將網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行分簇，每一簇自行選擇一個(gè)簇頭。簇頭承擔起收集簇內成員信息并進(jìn)行數據融合，然后再將數據轉發(fā)給基站，并且依據信息選擇下一輪的簇頭。一旦簇內有節點(diǎn)死亡，簇首將發(fā)送信息給基站，對整個(gè)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行重新分簇，否則簇首選擇能量最多的節點(diǎn)作為下一輪的簇首。
本文提出一種新的網(wǎng)絡(luò )控制方案由網(wǎng)絡(luò )構建階段和網(wǎng)絡(luò )維護階段組成。在網(wǎng)絡(luò )構建階段本文借鑒了文獻的思想，設計了一種節約能耗的構建方法，首先由基站發(fā)出拓撲構建信息，每個(gè)節點(diǎn)完成對父節點(diǎn)和鄰居節點(diǎn)信息的收集并將信息在特定的時(shí)刻傳輸給自己的父節點(diǎn)，基站通過(guò)獲得的全網(wǎng)節點(diǎn)信息選擇一部分具有冗余連接的簇頭節點(diǎn)集，完成了一種期望的網(wǎng)絡(luò )拓撲特性并保證了網(wǎng)絡(luò )的連通性。一旦網(wǎng)絡(luò )構建完成，就進(jìn)入網(wǎng)絡(luò )維護階段，在該階段每個(gè)節點(diǎn)根據網(wǎng)絡(luò )的需要轉換到特定的角色，當簇頭節點(diǎn)集中的一節點(diǎn)能量下降到一定值時(shí)，由它提出網(wǎng)絡(luò )重構，網(wǎng)絡(luò )運行的兩個(gè)階段狀態(tài)交替進(jìn)行直到網(wǎng)絡(luò )不能正常運行。本文設計的網(wǎng)絡(luò )控制方案與文獻LEACH-C算法和文獻的MCLB算法進(jìn)行仿真比較網(wǎng)絡(luò )的生命期、網(wǎng)絡(luò )構建信息交替情況和網(wǎng)絡(luò )的構建代價(jià)。結果顯示本文提出的方案應用于網(wǎng)絡(luò )運行時(shí)具更長(cháng)的生命周期、更少的構建階段信息總數和更低的網(wǎng)絡(luò )構建代價(jià)。

1 系統模型
在本算法中，傳感節點(diǎn)周期性的充當簇頭節點(diǎn)或者普通節點(diǎn)，進(jìn)行環(huán)境監測及數據轉發(fā)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )監測區域內隨機均勻放置N個(gè)傳感節點(diǎn)，其中有一個(gè)節點(diǎn)為基站，在本文所提出的控制方案中，進(jìn)行了以下幾點(diǎn)假設：
(1)每個(gè)傳感節點(diǎn)被賦于一個(gè)惟一的標號，傳感節點(diǎn)的能量有限，而基站有專(zhuān)門(mén)的供電系統。
(2)每個(gè)傳感節點(diǎn)可根據需要調整自己的發(fā)射功率，最大發(fā)射功率滿(mǎn)足它們連接網(wǎng)絡(luò )中離它最遠的傳感節點(diǎn)。
(3)所有傳感節點(diǎn)的位置不會(huì )發(fā)生移動(dòng)，位置未知，具備通過(guò)接收信號的衰減程度來(lái)計算與信號發(fā)送方的距離。

2 LEPN網(wǎng)絡(luò )控制方案
LEPN控制方案下的網(wǎng)絡(luò )運行是基于輪的，每輪包含網(wǎng)絡(luò )構建和網(wǎng)絡(luò )維持兩大階段。在每一輪里，由基站定義各節點(diǎn)以一個(gè)特定的相同發(fā)射功率進(jìn)行數據轉發(fā)，構建一個(gè)基于UDG(Unit Disk Graph)模型的分簇網(wǎng)絡(luò )來(lái)感知周?chē)h(huán)境信息并將信息可靠的由簇頭-簇頭多跳轉發(fā)至基站的過(guò)程，本方案主要針對應用在任務(wù)艱巨、節點(diǎn)隨機布置的一些場(chǎng)合，因此設計時(shí)需滿(mǎn)足兩個(gè)基本的約束條件：形成的簇頭節點(diǎn)集可提供一個(gè)可靠的數據包多跳轉發(fā)能力；本方案具備的能量有效性應該和現有的基于分簇的網(wǎng)絡(luò )控制方案相當或者更好。為了滿(mǎn)足這些約束，LEPN網(wǎng)絡(luò )控制方案所確定的簇頭最終形成一條連通的閉合回路保證信息成功多跳轉發(fā)至基站，具有可靠性和能量有效性，因為基站節點(diǎn)獲得信息轉發(fā)路徑是閉合回路，具備的冗余性以防止信號在傳輸過(guò)程由于鏈接失敗而造成信息傳輸失??；而該方案的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不需要節點(diǎn)的位置和方向信息，從而節約了節點(diǎn)的硬件成本投入。
2．1 LEPN網(wǎng)絡(luò )構建階段
每一輪的LEPN網(wǎng)絡(luò )構建階段分為四個(gè)子過(guò)程，首先由基站設定本輪節點(diǎn)通信的發(fā)射功率，發(fā)起網(wǎng)絡(luò )構建，接下來(lái)各個(gè)節點(diǎn)根據接收信號的衰減程度判斷與信號發(fā)送者的距離以完成信息的收集，當每個(gè)節點(diǎn)都完成信息的收集，就進(jìn)入了信息上報過(guò)程，直至基站，基站根據接收到的信息情況選擇簇頭節點(diǎn)集，再將包含簇頭節點(diǎn)的消息逐層傳遞給網(wǎng)絡(luò )中的每一個(gè)節點(diǎn)，節點(diǎn)通過(guò)接收到的信息來(lái)判斷自己在接下來(lái)的幾輪里是否成為回路中的簇頭節點(diǎn)以承擔環(huán)境信息監測和數據轉發(fā)的任務(wù)還是普通簇頭節點(diǎn)融合本簇內的監測數據再轉發(fā)，或者普通節點(diǎn)。用(如圖1)一個(gè)13節點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò )構建過(guò)程來(lái)簡(jiǎn)單描述(粗實(shí)線(xiàn)表示可以構成父子關(guān)系的簇首鏈接，細實(shí)線(xiàn)表示構成鄰居關(guān)系的簇首鏈接，虛線(xiàn)表示構成簇首與簇內成員的鏈接)。