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
加入技術(shù)交流群
2．1．1 基站啟動(dòng)過(guò)程
當無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )剛剛布置完畢或者基站接收到某節點(diǎn)請求網(wǎng)絡(luò )重構的消息，并且基站中保存的簇頭節點(diǎn)集已經(jīng)使用完畢(若基站中尚有未使用的簇頭節點(diǎn)集，那么網(wǎng)絡(luò )構建階段直接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò )拓撲構建過(guò)程，這樣有效的減少了網(wǎng)絡(luò )構建代價(jià))，基站進(jìn)入了啟動(dòng)過(guò)程，首先它根據網(wǎng)絡(luò )已運行的輪數設定下一輪各節點(diǎn)通信所采用的發(fā)射功率，基站節點(diǎn)以該發(fā)射功率廣播hello消息(HM)并啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器1以等待它的子節點(diǎn)發(fā)來(lái)的HM，一幀完整的HM包含父節點(diǎn)標號、本節點(diǎn)標號、發(fā)射功率值、本節點(diǎn)的剩余能量以及充當簇頭的最低剩余能量值，基站發(fā)出的HM里父節點(diǎn)的內容為基站本身的標號。見(jiàn)圖1(a)，節點(diǎn)B，C，E，I，J，K，L，M接收到了基站A發(fā)來(lái)的HM。
2．1．2 節點(diǎn)信息收集過(guò)程
一旦節點(diǎn)接收到HM，就表明網(wǎng)絡(luò )構建階段到了節點(diǎn)信息收集過(guò)程，如圖1(a)中，節點(diǎn)B，C．E，I，J，K，L，M接收到一個(gè)HM，就開(kāi)始判斷本節點(diǎn)與HM發(fā)送者之間的相對距離，如果該距離小于本輪通信距離的一半(R／2)，則認定該HM發(fā)送者為自己的簇首節點(diǎn)，如節點(diǎn)I，K，L認定A為它們的簇首，于是它們向A發(fā)送一幀簇首確認消息，就進(jìn)入了睡眠狀態(tài)，關(guān)閉發(fā)射模塊，等待網(wǎng)絡(luò )的維持階段到來(lái)再轉換到數據監測狀態(tài)。離A較遠(相對距離大于R／2)的節點(diǎn)M，B，J，E，C，如果節點(diǎn)的剩余能量足夠充當簇首節點(diǎn)的，則廣播一幀包含本節點(diǎn)剩余能量信息的競爭簇首消息(CM)并啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器2(定時(shí)時(shí)間小于定時(shí)器1)，定時(shí)器2到達后，各節點(diǎn)對R／2范圍內的節點(diǎn)信息進(jìn)行判斷，如果得知本節點(diǎn)能量最大，則設定自己為簇首節點(diǎn)并成為A的子節點(diǎn)，然后廣播發(fā)送HM，如M，J，E，D，A將接收到B節點(diǎn)的HM，M，J認定B為簇首，見(jiàn)圖1(b)，而A接收到B節點(diǎn)得知B為自己的子節點(diǎn)；節點(diǎn)C在定時(shí)器2結束后，發(fā)現R／2范圍內無(wú)其他節點(diǎn)與之競爭，也設自己為簇首節點(diǎn)并認A為父節點(diǎn)發(fā)送HM；假使J也在E的R／2范圍內，且能量高于E節點(diǎn)，E接收不到J的HM，卻接收到其他父節點(diǎn)為A節點(diǎn)的HM(如B，C)時(shí)，E節點(diǎn)認定自己為簇首節點(diǎn)，并發(fā)送HM消息，此時(shí)BE，EC之間接收到HM消息，即認定相互之間為簇首間的鄰居成員并計算存儲他們之間的相對距離與鄰居節點(diǎn)的剩余能量，見(jiàn)圖1(c)；如果某節點(diǎn)的能量太小，不足以充當簇首節點(diǎn)，那么，它會(huì )選擇離自己較近的一個(gè)簇首節點(diǎn)，加入該簇。某節點(diǎn)一旦有了父節點(diǎn)，就認定該節點(diǎn)處于被覆蓋狀態(tài)。而且當一個(gè)節點(diǎn)有了子節點(diǎn)，那么它就進(jìn)入了活躍狀態(tài)，開(kāi)始等待信息上報過(guò)程的到來(lái)。按照這種方式，所有的節點(diǎn)都接收到HM消息，但是如圖1(d)所示，節點(diǎn)G，F，H，C廣播HM后，在設定的定時(shí)器1時(shí)間到達內未接收到任何認定它們?yōu)楦腹濣c(diǎn)的HM，因此它們認為信息收集過(guò)程結束，并由它們發(fā)起進(jìn)入信息上報過(guò)程。
2．1．3 節點(diǎn)信息上報過(guò)程
在節點(diǎn)信息上報過(guò)程中，只有充當父子關(guān)系的節點(diǎn)，同時(shí)，也是扮演簇首角色的節點(diǎn)，發(fā)送它的鄰居序列給自己的父節點(diǎn)。在本例中，完成信息收集過(guò)程后，A，B，C，D，E，F，G，H成為簇首成員。簇首F是G的鄰居。因此，簇首G發(fā)送{FG}以及FG的相對距離的消息給它的父節點(diǎn)D。這些節點(diǎn)的組合方式為構成一定性質(zhì)的簇頭-簇頭鏈接的提供了可靠的信息，每個(gè)父節點(diǎn)都在等待著(zhù)它的所有子節點(diǎn)發(fā)來(lái)的上報消息，再添加自己的信息，發(fā)送給自己的父節點(diǎn)。如簇首節點(diǎn)D接收到它的子簇頭節點(diǎn)G發(fā)送來(lái)的消息后，它就發(fā)送有{FGD}，{FD}，{ED}路徑信息給節點(diǎn)B，依次進(jìn)行信息傳遞，最終的信息將匯聚至基站。當基站節點(diǎn)接收到所有子節點(diǎn)發(fā)來(lái)的上報信息，則網(wǎng)絡(luò )構建進(jìn)入了下一過(guò)程。在信息上報過(guò)程中，節點(diǎn)發(fā)送完上報消息后就進(jìn)入睡眠狀態(tài)，關(guān)閉發(fā)射模塊以保存能量。
2．1．4 網(wǎng)絡(luò )拓撲構建過(guò)程
網(wǎng)絡(luò )拓撲構建過(guò)程在基站節點(diǎn)上進(jìn)行，當基站A接收到所有子簇頭節點(diǎn)(BCE)發(fā)送來(lái)的上報信息，就開(kāi)始對支路進(jìn)行整合，如果兩條數據通路有共同的節點(diǎn)，如{ABDF}和{AEFD}兩條支路有兩個(gè)共同的節點(diǎn)A，F，那么可以組合出一個(gè)具有閉合回路的數據通道ABDFEA，對于不同的回路也根據判斷是否有共同節點(diǎn)而對它們進(jìn)行整合成更大的閉合回路。一旦基站完成選擇多個(gè)構成回路的簇頭集，它開(kāi)始為其他簇頭節點(diǎn)以盡少的步數連接到某一回路簇頭節點(diǎn)，在基站A處，將形成多個(gè)具有回路性質(zhì)的簇頭-簇頭節點(diǎn)集，基站將選擇其中一個(gè)簇頭集信息廣播給網(wǎng)絡(luò )中的每一個(gè)節點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)通過(guò)判斷基站的廣播信息(簇頭-簇頭之間數據轉發(fā)的路由信息)，決定自己是充當回路簇頭或支路簇頭節點(diǎn)進(jìn)行數據收集、融合、轉發(fā)，或者充當普通簇內節點(diǎn)實(shí)現對周?chē)h(huán)境的監測。至此進(jìn)入了網(wǎng)絡(luò )維持階段。
2．2 LEPN網(wǎng)絡(luò )維持階段
網(wǎng)絡(luò )維持階段，簇頭將根據簇內的節點(diǎn)數目為每個(gè)簇內節點(diǎn)分配TDMA時(shí)間表。簇內節點(diǎn)持續采集周?chē)h(huán)境信息，并在自己的通信時(shí)隙內以單跳通信的方式將數據傳送給相應的簇頭。為了有效節約節點(diǎn)能耗，普通節點(diǎn)的發(fā)送器在不屬于自己通信的時(shí)隙進(jìn)入睡眠狀態(tài)；而簇頭必須使自己的接收器時(shí)刻處于開(kāi)啟狀態(tài)，以便接收簇內節點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的所有數據。簇頭節點(diǎn)接收到簇內所有的數據后，將對數據進(jìn)行必要的數據融合處理，然后根據路由信息將數據經(jīng)簇頭-簇頭多跳傳輸至基站。
3 仿真實(shí)驗
無(wú)線(xiàn)傳感節點(diǎn)的能量有限性決定節點(diǎn)能量的高效使用是網(wǎng)絡(luò )控制設計的首要目標，也是延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )生命周期的一種有效手段。本文仿真設定在30 km×30 km的監測區域內，將200個(gè)節點(diǎn)隨機分布，節點(diǎn)的通信半徑在5～45 km內可調。為了便于計算節點(diǎn)收發(fā)信息的能量消耗，使用文獻所描述的無(wú)線(xiàn)通信模型：
以通信半徑為d發(fā)射n比特的數據所需要的能量消耗：
評論