無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低功耗分簇路由算法研究
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無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSN)是由一組微型傳感器節(jié)點以自組織方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地理區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)布給觀察者。近年來，隨著通信技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)和傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展和日益成熟，傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用越來越廣泛。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，除了少數(shù)節(jié)點需要移動以外，大部分節(jié)點都是靜止的。它們通常運行在人無法接近的惡劣甚至危險的遠(yuǎn)程環(huán)境中，能源補充非常困難，因此，設(shè)計有效的協(xié)議和算法以延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期是WSN的核心問題之一。
1 相關(guān)研究
針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量受限的特點，對適應(yīng)其特點的低功耗算法研究也一直繼續(xù)著。Heinzelman提出了LEACH(Low―Energy Adaptive Clustering Hierarchy，低能耗自適應(yīng)分簇層次)算法。其核心思想是讓每個節(jié)點輪流擔(dān)當(dāng)簇首，從而使得網(wǎng)絡(luò)中的能量消耗盡可能均勻，減少網(wǎng)絡(luò)失效時刻的能量浪費。LEACH算法只考慮了單跳模型，因此只適合于小型wSN網(wǎng)絡(luò)。參考文獻(xiàn)提出了M―LEACH(Multi―hop variant of LEACH，多跳LEACH)算法，簇內(nèi)的節(jié)點不是以單跳的方式傳輸數(shù)據(jù)到簇首，而是通過簇內(nèi)其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)。參考文獻(xiàn)提出了一個多跳簇首模型，采用從下到上的策略，逐層生成每一層的簇首，最終得到一個多層結(jié)構(gòu)的WSN網(wǎng)絡(luò)。參考文獻(xiàn)采用基于代價的目標(biāo)函數(shù)對傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計進(jìn)行了分析，推導(dǎo)出單跳和多跳的適用范圍，最后提出一種單跳多跳混合的路由算法，以解決網(wǎng)絡(luò)中的“能量熱點”問題。本文在前人研究的基礎(chǔ)上提出一種適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量受限特點的低功耗路由算法。
2 網(wǎng)絡(luò)模型
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量部署在觀測環(huán)境中的微型、廉價、低功耗的傳感器節(jié)點，以無線、自組織的方式，通過多跳通信而快速形成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。WSN的典型布撒是通過飛行器撒播、人工埋置和火箭彈射等方式來完成的。圖1給出了傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)一般形式的描述。
假定傳感器網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點隨機(jī)均勻分布在一個方形區(qū)域內(nèi)，并且具有如下性質(zhì)：
①惟一的基站部署在網(wǎng)絡(luò)外部較遠(yuǎn)的位置；
②每個節(jié)點有惟一的標(biāo)識；
③傳感器節(jié)點部署后不再移動；
④所有節(jié)點平等，具有相同的計算和通信能力；
⑤節(jié)點的地理位置信息不可知；
⑥發(fā)射節(jié)點與不同距離的接收節(jié)點通信時，可以調(diào)整發(fā)射功率。
3 算法描述
本算法采用LEACH算法中“輪”的思想，每一輪工作由2個階段組成：一是簇的建立階段；二是數(shù)據(jù)傳輸階段。在簇的建立階段，主要完成簇首的選取、簇的生成，以及時限的分配；在數(shù)據(jù)傳輸階段，主要完成的是各個傳感器節(jié)點把采集到的數(shù)據(jù)逐層上傳到基站，其中包括必要的數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)加密等處理。
3．1 簇的結(jié)構(gòu)及首輪簇首選舉
在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇算法的研究中，大部分都是在網(wǎng)絡(luò)簇的同構(gòu)模型上進(jìn)行研究，例如如何使各個簇的節(jié)點數(shù)目盡量相同、簇的大小盡量相同，在此基礎(chǔ)上有效地降低能量的消耗。多數(shù)的分簇算法都采用簇首多跳將數(shù)據(jù)傳輸?shù)交?，使得距離基站較近的節(jié)點不但要收集本簇內(nèi)節(jié)點傳送上來的數(shù)據(jù)，而且同時要轉(zhuǎn)發(fā)其他比它距離基站遠(yuǎn)的簇首節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，這就使得距離基站較近的節(jié)點要比遠(yuǎn)離基站的簇首節(jié)點消耗更多的能量。如果采用簇結(jié)構(gòu)同構(gòu)的分簇方法，往往距離基站較近的簇首能量消耗要相對大，導(dǎo)致新一輪的簇首選舉，造成整個網(wǎng)絡(luò)暫停工作，甚至于節(jié)點早期進(jìn)入死亡階段。為了避免這種情況發(fā)生，本算法初步采用簇大小異構(gòu)的方法，即距離基站遠(yuǎn)的簇結(jié)構(gòu)比距離基站近的簇結(jié)構(gòu)大，來均衡轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的能量消耗。
在網(wǎng)絡(luò)部署階段，基站用一個給定的發(fā)送功率向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)廣播一個信號。每個傳感器節(jié)點在接收到此信號后，根據(jù)接收信號的強(qiáng)度計算它到基站的近似距離。獲得這個距離，不僅有助于傳感器節(jié)點向基站傳輸數(shù)據(jù)時選擇合適的發(fā)送功率以降低能量消耗，而且它還是算法構(gòu)造大小非均勻的簇的必需信息之一。非均勻分簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
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