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

摘要：介紹了一種低能耗節(jié)點(diǎn)位置未知的網(wǎng)絡(luò)控制方案，根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行輪數(shù)設(shè)定網(wǎng)絡(luò)節(jié)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(gòu)建階段的啟動(dòng)過(guò)程、節(jié)點(diǎn)信息收集過(guò)程和節(jié)點(diǎn)信息上報(bào)過(guò)程，獲得了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置分布，然后整合節(jié)點(diǎn)-節(jié)點(diǎn)信息支路，得到具有回路鏈接的簇首節(jié)點(diǎn)集，其他節(jié)點(diǎn)根據(jù)自己鄰居信息選擇簇首節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)近似最小能耗拓?fù)涞臉?gòu)建。通過(guò)仿真與同類典型算法LEACH-C、MCLB進(jìn)行比較，結(jié)果顯示該方案應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)具有更長(zhǎng)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(jià)。
關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；低能耗；節(jié)點(diǎn)位置未知；能量有效性

0 引言
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由一個(gè)基站和大量的傳感節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。傳感節(jié)點(diǎn)通常被隨機(jī)放置在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，基站負(fù)責(zé)指導(dǎo)傳感節(jié)點(diǎn)工作并且收集傳感節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到的信息，并將環(huán)境信息報(bào)送至監(jiān)控中心。通常，傳感節(jié)點(diǎn)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(chǔ)和無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)三個(gè)基本功能。無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)在應(yīng)用時(shí)受到很多限制如處理速度慢、存儲(chǔ)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(diǎn)強(qiáng)大很多，它負(fù)責(zé)收集傳感節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)信息并轉(zhuǎn)發(fā)給用戶。由于無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)的能量有限性，降低能量消耗、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期，成為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)。
分簇算法應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議設(shè)計(jì)，被認(rèn)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(jié)點(diǎn)作為簇首節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)暫時(shí)固定的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，各簇首節(jié)點(diǎn)接收鄰居簇首節(jié)點(diǎn)、簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)感知的環(huán)境信息，進(jìn)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(xiàn)LEACH-C是一種集中的聚類算法。在啟動(dòng)階段，基站接收網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的包含他們位置以及能量狀態(tài)的信息。基站運(yùn)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(jié)點(diǎn)。簇頭確定后，普通節(jié)點(diǎn)選擇離其最近的簇頭加入該簇頭所管轄的區(qū)域，進(jìn)而形成簇區(qū)域。協(xié)議維護(hù)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(xiàn)MCLB算法首先找出網(wǎng)絡(luò)中的冗余節(jié)點(diǎn)作為臨時(shí)簇頭，并隨機(jī)選擇一定數(shù)量的具有高的剩余能量的節(jié)點(diǎn)為簇頭，臨時(shí)簇頭和簇頭構(gòu)成了一個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層，而其他節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了一個(gè)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(diǎn)從而完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)的分簇。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)上，存在節(jié)點(diǎn)-節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)-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(jī)性，為了保
證數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的可靠連通，因此每個(gè)節(jié)點(diǎn)必須以較大的發(fā)射功率進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)而產(chǎn)生了不必要的能量浪費(fèi)。文獻(xiàn)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(dān)起收集簇內(nèi)成員信息并進(jìn)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(diǎn)死亡，簇首將發(fā)送信息給基站，對(duì)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(jié)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(gòu)建階段和網(wǎng)絡(luò)維護(hù)階段組成。在網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建階段本文借鑒了文獻(xiàn)的思想，設(shè)計(jì)了一種節(jié)約能耗的構(gòu)建方法，首先由基站發(fā)出拓?fù)錁?gòu)建信息，每個(gè)節(jié)點(diǎn)完成對(duì)父節(jié)點(diǎn)和鄰居節(jié)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(jié)點(diǎn)，基站通過(guò)獲得的全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)信息選擇一部分具有冗余連接的簇頭節(jié)點(diǎn)集，完成了一種期望的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮匦圆⒈ＷC了網(wǎng)絡(luò)的連通性。一旦網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建完成，就進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)維護(hù)階段，在該階段每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)集中的一節(jié)點(diǎn)能量下降到一定值時(shí)，由它提出網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)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(yùn)行。本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)控制方案與文獻(xiàn)LEACH-C算法和文獻(xiàn)的MCLB算法進(jìn)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(jià)。結(jié)果顯示本文提出的方案應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)具更長(zhǎng)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(jià)。

1 系統(tǒng)模型
在本算法中，傳感節(jié)點(diǎn)周期性的充當(dāng)簇頭節(jié)點(diǎn)或者普通節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)隨機(jī)均勻放置N個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)，其中有一個(gè)節(jié)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(shè)：
(1)每個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)被賦于一個(gè)惟一的標(biāo)號(hào)，傳感節(jié)點(diǎn)的能量有限，而基站有專門的供電系統(tǒng)。
(2)每個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)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(yuǎn)的傳感節(jié)點(diǎn)。
(3)所有傳感節(jié)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(hào)的衰減程度來(lái)計(jì)算與信號(hào)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(yùn)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(diǎn)以一個(gè)特定的相同發(fā)射功率進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，構(gòu)建一個(gè)基于UDG(Unit Disk Graph)模型的分簇網(wǎng)絡(luò)來(lái)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(guò)程，本方案主要針對(duì)應(yīng)用在任務(wù)艱巨、節(jié)點(diǎn)隨機(jī)布置的一些場(chǎng)合，因此設(shè)計(jì)時(shí)需滿足兩個(gè)基本的約束條件：形成的簇頭節(jié)點(diǎn)集可提供一個(gè)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?yàn)榛竟?jié)點(diǎn)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(hào)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(jié)點(diǎn)的位置和方向信息，從而節(jié)約了節(jié)點(diǎn)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(gè)子過(guò)程，首先由基站設(shè)定本輪節(jié)點(diǎn)通信的發(fā)射功率，發(fā)起網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，接下來(lái)各個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收信號(hào)的衰減程度判斷與信號(hào)發(fā)送者的距離以完成信息的收集，當(dāng)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都完成信息的收集，就進(jìn)入了信息上報(bào)過(guò)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(diǎn)集，再將包含簇頭節(jié)點(diǎn)的消息逐層傳遞給網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)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(jié)點(diǎn)以承擔(dān)環(huán)境信息監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的任務(wù)還是普通簇頭節(jié)點(diǎn)融合本簇內(nèi)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)再轉(zhuǎn)發(fā)，或者普通節(jié)點(diǎn)。用(如圖1)一個(gè)13節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建過(guò)程來(lái)簡(jiǎn)單描述(粗實(shí)線表示可以構(gòu)成父子關(guān)系的簇首鏈接，細(xì)實(shí)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)。