低能耗節(jié)點位置未知無線傳感器網(wǎng)絡(luò)控制方案

摘要：介紹了一種低能耗節(jié)點位置未知的網(wǎng)絡(luò)控制方案，根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)運行輪數(shù)設(shè)定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的通信半徑，使網(wǎng)絡(luò)具有良好的能量有效性。網(wǎng)絡(luò)中基站經(jīng)過構(gòu)建階段的啟動過程、節(jié)點信息收集過程和節(jié)點信息上報過程，獲得了整個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的相對位置分布，然后整合節(jié)點-節(jié)點信息支路，得到具有回路鏈接的簇首節(jié)點集，其他節(jié)點根據(jù)自己鄰居信息選擇簇首節(jié)點，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)近似最小能耗拓撲的構(gòu)建。通過仿真與同類典型算法LEACH-C、MCLB進行比較，結(jié)果顯示該方案應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)運行時具有更長的網(wǎng)絡(luò)生命周期、更少的信息總數(shù)和更低的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建代價。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；低能耗；節(jié)點位置未知；能量有效性

0 引言
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由一個基站和大量的傳感節(jié)點構(gòu)成。傳感節(jié)點通常被隨機放置在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，基站負責(zé)指導(dǎo)傳感節(jié)點工作并且收集傳感節(jié)點檢測到的信息，并將環(huán)境信息報送至監(jiān)控中心。通常，傳感節(jié)點體積很小且具有感知周圍環(huán)境信息、數(shù)據(jù)處理與存儲和無線數(shù)據(jù)收發(fā)三個基本功能。無線傳感節(jié)點在應(yīng)用時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(jié)點強大很多，它負責(zé)收集傳感節(jié)點的監(jiān)測信息并轉(zhuǎn)發(fā)給用戶。由于無線傳感節(jié)點的能量有限性，降低能量消耗、延長網(wǎng)絡(luò)生命周期，成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議設(shè)計的首要目標(biāo)。
分簇算法應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議設(shè)計，被認為是一種減少網(wǎng)絡(luò)能量消耗的有效辦法。它通過選擇一部分傳感節(jié)點作為簇首節(jié)點形成一個暫時固定的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，各簇首節(jié)點接收鄰居簇首節(jié)點、簇內(nèi)節(jié)點感知的環(huán)境信息，進行數(shù)據(jù)融合，剔除冗余信息，并轉(zhuǎn)發(fā)至基站。這一類的經(jīng)典算法有：文獻LEACH-C是一種集中的聚類算法。在啟動階段，基站接收網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點發(fā)送來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信息給每一個節(jié)點。簇頭確定后，普通節(jié)點選擇離其最近的簇頭加入該簇頭所管轄的區(qū)域，進而形成簇區(qū)域。協(xié)議維護階段與LEACH是一致的。簇的建立過程在每一輪里都需要進行一次，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(jié)點作為臨時簇頭，并隨機選擇一定數(shù)量的具有高的剩余能量的節(jié)點為簇頭，臨時簇頭和簇頭構(gòu)成了一個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層，而其他節(jié)點構(gòu)成了一個數(shù)據(jù)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(jié)點從而完成對網(wǎng)絡(luò)的分簇。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)上，存在節(jié)點-節(jié)點、節(jié)點-簇頭和簇頭-簇頭多跳轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的可靠連通，因此每個節(jié)點必須以較大的發(fā)射功率進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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)進行分簇，每一簇自行選擇一個簇頭。簇頭承擔(dān)起收集簇內(nèi)成員信息并進行數(shù)據(jù)融合，然后再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給基站，并且依據(jù)信息選擇下一輪的簇頭。一旦簇內(nèi)有節(jié)點死亡，簇首將發(fā)送信息給基站，對整個網(wǎng)絡(luò)進行重新分簇，否則簇首選擇能量最多的節(jié)點作為下一輪的簇首。
本文提出一種新的網(wǎng)絡(luò)控制方案由網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建階段和網(wǎng)絡(luò)維護階段組成。在網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建階段本文借鑒了文獻的思想，設(shè)計了一種節(jié)約能耗的構(gòu)建方法，首先由基站發(fā)出拓撲構(gòu)建信息，每個節(jié)點完成對父節(jié)點和鄰居節(jié)點信息的收集并將信息在特定的時刻傳輸給自己的父節(jié)點，基站通過獲得的全網(wǎng)節(jié)點信息選擇一部分具有冗余連接的簇頭節(jié)點集，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(gòu)建完成，就進入網(wǎng)絡(luò)維護階段，在該階段每個節(jié)點根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的需要轉(zhuǎn)換到特定的角色，當(dāng)簇頭節(jié)點集中的一節(jié)點能量下降到一定值時，由它提出網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)運行的兩個階段狀態(tài)交替進行直到網(wǎng)絡(luò)不能正常運行。本文設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)控制方案與文獻LEACH-C算法和文獻的MCLB算法進行仿真比較網(wǎng)絡(luò)的生命期、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建信息交替情況和網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建代價。結(jié)果顯示本文提出的方案應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)運行時具更長的生命周期、更少的構(gòu)建階段信息總數(shù)和更低的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建代價。

1 系統(tǒng)模型
在本算法中，傳感節(jié)點周期性的充當(dāng)簇頭節(jié)點或者普通節(jié)點，進行環(huán)境監(jiān)測及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)隨機均勻放置N個傳感節(jié)點，其中有一個節(jié)點為基站，在本文所提出的控制方案中，進行了以下幾點假設(shè)：
(1)每個傳感節(jié)點被賦于一個惟一的標(biāo)號，傳感節(jié)點的能量有限，而基站有專門的供電系統(tǒng)。
(2)每個傳感節(jié)點可根據(jù)需要調(diào)整自己的發(fā)射功率，最大發(fā)射功率滿足它們連接網(wǎng)絡(luò)中離它最遠的傳感節(jié)點。
(3)所有傳感節(jié)點的位置不會發(fā)生移動，位置未知，具備通過接收信號的衰減程度來計算與信號發(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(gòu)建和網(wǎng)絡(luò)維持兩大階段。在每一輪里，由基站定義各節(jié)點以一個特定的相同發(fā)射功率進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，構(gòu)建一個基于UDG(Unit Disk Graph)模型的分簇網(wǎng)絡(luò)來感知周圍環(huán)境信息并將信息可靠的由簇頭-簇頭多跳轉(zhuǎn)發(fā)至基站的過程，本方案主要針對應(yīng)用在任務(wù)艱巨、節(jié)點隨機布置的一些場合，因此設(shè)計時需滿足兩個基本的約束條件：形成的簇頭節(jié)點集可提供一個可靠的數(shù)據(jù)包多跳轉(zhuǎn)發(fā)能力；本方案具備的能量有效性應(yīng)該和現(xiàn)有的基于分簇的網(wǎng)絡(luò)控制方案相當(dāng)或者更好。為了滿足這些約束，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(zhuǎn)發(fā)至基站，具有可靠性和能量有效性，因為基站節(jié)點獲得信息轉(zhuǎn)發(fā)路徑是閉合回路，具備的冗余性以防止信號在傳輸過程由于鏈接失敗而造成信息傳輸失敗；而該方案的另一個優(yōu)點是不需要節(jié)點的位置和方向信息，從而節(jié)約了節(jié)點的硬件成本投入。
2．1 LEPN網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建階段
每一輪的LEPN網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建階段分為四個子過程，首先由基站設(shè)定本輪節(jié)點通信的發(fā)射功率，發(fā)起網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，接下來各個節(jié)點根據(jù)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(dāng)每個節(jié)點都完成信息的收集，就進入了信息上報過程，直至基站，基站根據(jù)接收到的信息情況選擇簇頭節(jié)點集，再將包含簇頭節(jié)點的消息逐層傳遞給網(wǎng)絡(luò)中的每一個節(jié)點，節(jié)點通過接收到的信息來判斷自己在接下來的幾輪里是否成為回路中的簇頭節(jié)點以承擔(dān)環(huán)境信息監(jiān)測和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的任務(wù)還是普通簇頭節(jié)點融合本簇內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)再轉(zhuǎn)發(fā)，或者普通節(jié)點。用(如圖1)一個13節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建過程來簡單描述(粗實線表示可以構(gòu)成父子關(guān)系的簇首鏈接，細實線表示構(gòu)成鄰居關(guān)系的簇首鏈接，虛線表示構(gòu)成簇首與簇內(nèi)成員的鏈接)。