低能耗節(jié)點(diǎn)位置未知無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)控制方案
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時(shí)間：2012-12-21
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)
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2．1．1 基站啟動(dòng)過(guò)程
當(dāng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)剛剛布置完畢或者基站接收到某節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的消息，并且基站中保存的簇頭節(jié)點(diǎn)集已經(jīng)使用完畢(若基站中尚有未使用的簇頭節(jié)點(diǎn)集，那么網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建階段直接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)建過(guò)程，這樣有效的減少了網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建代價(jià))，基站進(jìn)入了啟動(dòng)過(guò)程，首先它根據(jù)網(wǎng)絡(luò)已運(yùn)行的輪數(shù)設(shè)定下一輪各節(jié)點(diǎn)通信所采用的發(fā)射功率，基站節(jié)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(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的HM，一幀完整的HM包含父節(jié)點(diǎn)標(biāo)號(hào)、本節(jié)點(diǎn)標(biāo)號(hào)、發(fā)射功率值、本節(jié)點(diǎn)的剩余能量以及充當(dāng)簇頭的最低剩余能量值，基站發(fā)出的HM里父節(jié)點(diǎn)的內(nèi)容為基站本身的標(biāo)號(hào)。見(jiàn)圖1(a)，節(jié)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(jié)點(diǎn)信息收集過(guò)程
一旦節(jié)點(diǎn)接收到HM，就表明網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建階段到了節(jié)點(diǎn)信息收集過(guò)程，如圖1(a)中，節(jié)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(jié)點(diǎn)與HM發(fā)送者之間的相對(duì)距離，如果該距離小于本輪通信距離的一半(R／2)，則認(rèn)定該HM發(fā)送者為自己的簇首節(jié)點(diǎn)，如節(jié)點(diǎn)I，K，L認(rèn)定A為它們的簇首，于是它們向A發(fā)送一幀簇首確認(rèn)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(zhuǎn)換到數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)狀態(tài)。離A較遠(yuǎn)(相對(duì)距離大于R／2)的節(jié)點(diǎn)M，B，J，E，C，如果節(jié)點(diǎn)的剩余能量足夠充當(dāng)簇首節(jié)點(diǎn)的，則廣播一幀包含本節(jié)點(diǎn)剩余能量信息的競(jìng)爭(zhēng)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(dá)后，各節(jié)點(diǎn)對(duì)R／2范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行判斷，如果得知本節(jié)點(diǎn)能量最大，則設(shè)定自己為簇首節(jié)點(diǎn)并成為A的子節(jié)點(diǎn)，然后廣播發(fā)送HM，如M，J，E，D，A將接收到B節(jié)點(diǎn)的HM，M，J認(rèn)定B為簇首，見(jiàn)圖1(b)，而A接收到B節(jié)點(diǎn)得知B為自己的子節(jié)點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)C在定時(shí)器2結(jié)束后，發(fā)現(xiàn)R／2范圍內(nèi)無(wú)其他節(jié)點(diǎn)與之競(jìng)爭(zhēng)，也設(shè)自己為簇首節(jié)點(diǎn)并認(rèn)A為父節(jié)點(diǎn)發(fā)送HM；假使J也在E的R／2范圍內(nèi)，且能量高于E節(jié)點(diǎn)，E接收不到J的HM，卻接收到其他父節(jié)點(diǎn)為A節(jié)點(diǎn)的HM(如B，C)時(shí)，E節(jié)點(diǎn)認(rèn)定自己為簇首節(jié)點(diǎn)，并發(fā)送HM消息，此時(shí)BE，EC之間接收到HM消息，即認(rèn)定相互之間為簇首間的鄰居成員并計(jì)算存儲(chǔ)他們之間的相對(duì)距離與鄰居節(jié)點(diǎn)的剩余能量，見(jiàn)圖1(c)；如果某節(jié)點(diǎn)的能量太小，不足以充當(dāng)簇首節(jié)點(diǎn)，那么，它會(huì)選擇離自己較近的一個(gè)簇首節(jié)點(diǎn)，加入該簇。某節(jié)點(diǎn)一旦有了父節(jié)點(diǎn)，就認(rèn)定該節(jié)點(diǎn)處于被覆蓋狀態(tài)。而且當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)有了子節(jié)點(diǎn)，那么它就進(jìn)入了活躍狀態(tài)，開(kāi)始等待信息上報(bào)過(guò)程的到來(lái)。按照這種方式，所有的節(jié)點(diǎn)都接收到HM消息，但是如圖1(d)所示，節(jié)點(diǎn)G，F(xiàn)，H，C廣播HM后，在設(shè)定的定時(shí)器1時(shí)間到達(dá)內(nèi)未接收到任何認(rèn)定它們?yōu)楦腹?jié)點(diǎn)的HM，因此它們認(rèn)為信息收集過(guò)程結(jié)束，并由它們發(fā)起進(jìn)入信息上報(bào)過(guò)程。
2．1．3 節(jié)點(diǎn)信息上報(bào)過(guò)程
在節(jié)點(diǎn)信息上報(bào)過(guò)程中，只有充當(dāng)父子關(guān)系的節(jié)點(diǎn)，同時(shí)，也是扮演簇首角色的節(jié)點(diǎn)，發(fā)送它的鄰居序列給自己的父節(jié)點(diǎn)。在本例中，完成信息收集過(guò)程后，A，B，C，D，E，F(xiàn)，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(duì)距離的消息給它的父節(jié)點(diǎn)D。這些節(jié)點(diǎn)的組合方式為構(gòu)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(jié)點(diǎn)都在等待著它的所有子節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的上報(bào)消息，再添加自己的信息，發(fā)送給自己的父節(jié)點(diǎn)。如簇首節(jié)點(diǎn)D接收到它的子簇頭節(jié)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(jié)點(diǎn)B，依次進(jìn)行信息傳遞，最終的信息將匯聚至基站。當(dāng)基站節(jié)點(diǎn)接收到所有子節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的上報(bào)信息，則網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建進(jìn)入了下一過(guò)程。在信息上報(bào)過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)發(fā)送完上報(bào)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?fù)錁?gòu)建過(guò)程
網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)建過(guò)程在基站節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行，當(dāng)基站A接收到所有子簇頭節(jié)點(diǎn)(BCE)發(fā)送來(lái)的上報(bào)信息，就開(kāi)始對(duì)支路進(jìn)行整合，如果兩條數(shù)據(jù)通路有共同的節(jié)點(diǎn)，如{ABDF}和{AEFD}兩條支路有兩個(gè)共同的節(jié)點(diǎn)A，F(xiàn)，那么可以組合出一個(gè)具有閉合回路的數(shù)據(jù)通道ABDFEA，對(duì)于不同的回路也根據(jù)判斷是否有共同節(jié)點(diǎn)而對(duì)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(gòu)成回路的簇頭集，它開(kāi)始為其他簇頭節(jié)點(diǎn)以盡少的步數(shù)連接到某一回路簇頭節(jié)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(jié)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(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)通過(guò)判斷基站的廣播信息(簇頭-簇頭之間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的路由信息)，決定自己是充當(dāng)回路簇頭或支路簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、融合、轉(zhuǎn)發(fā)，或者充當(dāng)普通簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)周?chē)h(huán)境的監(jiān)測(cè)。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(jù)簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目為每個(gè)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)分配TDMA時(shí)間表。簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)持續(xù)采集周?chē)h(huán)境信息，并在自己的通信時(shí)隙內(nèi)以單跳通信的方式將數(shù)據(jù)傳送給相應(yīng)的簇頭。為了有效節(jié)約節(jié)點(diǎn)能耗，普通節(jié)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(nèi)節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的所有數(shù)據(jù)。簇頭節(jié)點(diǎn)接收到簇內(nèi)所有的數(shù)據(jù)后，將對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)融合處理，然后根據(jù)路由信息將數(shù)據(jù)經(jīng)簇頭-簇頭多跳傳輸至基站。
3 仿真實(shí)驗(yàn)
無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)的能量有限性決定節(jié)點(diǎn)能量的高效使用是網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)，也是延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期的一種有效手段。本文仿真設(shè)定在30 km×30 km的監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，將200個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布，節(jié)點(diǎn)的通信半徑在5～45 km內(nèi)可調(diào)。為了便于計(jì)算節(jié)點(diǎn)收發(fā)信息的能量消耗，使用文獻(xiàn)所描述的無(wú)線通信模型：
以通信半徑為d發(fā)射n比特的數(shù)據(jù)所需要的能量消耗：
評(píng)論