低能耗節(jié)點位置未知無線傳感器網(wǎng)絡(luò)控制方案
加入技術(shù)交流群
2．1．1 基站啟動過程
當無線傳感器網(wǎng)絡(luò)剛剛布置完畢或者基站接收到某節(jié)點請求網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的消息，并且基站中保存的簇頭節(jié)點集已經(jīng)使用完畢(若基站中尚有未使用的簇頭節(jié)點集，那么網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建階段直接進入網(wǎng)絡(luò)拓撲構(gòu)建過程，這樣有效的減少了網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建代價)，基站進入了啟動過程，首先它根據(jù)網(wǎng)絡(luò)已運行的輪數(shù)設(shè)定下一輪各節(jié)點通信所采用的發(fā)射功率，基站節(jié)點以該發(fā)射功率廣播hello消息(HM)并啟動一個定時器1以等待它的子節(jié)點發(fā)來的HM，一幀完整的HM包含父節(jié)點標號、本節(jié)點標號、發(fā)射功率值、本節(jié)點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(jié)點的內(nèi)容為基站本身的標號。見圖1(a)，節(jié)點B，C，E，I，J，K，L，M接收到了基站A發(fā)來的HM。
2．1．2 節(jié)點信息收集過程
一旦節(jié)點接收到HM，就表明網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建階段到了節(jié)點信息收集過程，如圖1(a)中，節(jié)點B，C．E，I，J，K，L，M接收到一個HM，就開始判斷本節(jié)點與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(jié)點，如節(jié)點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)的維持階段到來再轉(zhuǎn)換到數(shù)據(jù)監(jiān)測狀態(tài)。離A較遠(相對距離大于R／2)的節(jié)點M，B，J，E，C，如果節(jié)點的剩余能量足夠充當簇首節(jié)點的，則廣播一幀包含本節(jié)點剩余能量信息的競爭簇首消息(CM)并啟動一個定時器2(定時時間小于定時器1)，定時器2到達后，各節(jié)點對R／2范圍內(nèi)的節(jié)點信息進行判斷，如果得知本節(jié)點能量最大，則設(shè)定自己為簇首節(jié)點并成為A的子節(jié)點，然后廣播發(fā)送HM，如M，J，E，D，A將接收到B節(jié)點的HM，M，J認定B為簇首，見圖1(b)，而A接收到B節(jié)點得知B為自己的子節(jié)點；節(jié)點C在定時器2結(jié)束后，發(fā)現(xiàn)R／2范圍內(nèi)無其他節(jié)點與之競爭，也設(shè)自己為簇首節(jié)點并認A為父節(jié)點發(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，E接收不到J的HM，卻接收到其他父節(jié)點為A節(jié)點的HM(如B，C)時，E節(jié)點認定自己為簇首節(jié)點，并發(fā)送HM消息，此時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(jié)點的剩余能量，見圖1(c)；如果某節(jié)點的能量太小，不足以充當簇首節(jié)點，那么，它會選擇離自己較近的一個簇首節(jié)點，加入該簇。某節(jié)點一旦有了父節(jié)點，就認定該節(jié)點處于被覆蓋狀態(tài)。而且當一個節(jié)點有了子節(jié)點，那么它就進入了活躍狀態(tài)，開始等待信息上報過程的到來。按照這種方式，所有的節(jié)點都接收到HM消息，但是如圖1(d)所示，節(jié)點G，F(xiàn)，H，C廣播HM后，在設(shè)定的定時器1時間到達內(nèi)未接收到任何認定它們?yōu)楦腹?jié)點的HM，因此它們認為信息收集過程結(jié)束，并由它們發(fā)起進入信息上報過程。
2．1．3 節(jié)點信息上報過程
在節(jié)點信息上報過程中，只有充當父子關(guān)系的節(jié)點，同時，也是扮演簇首角色的節(jié)點，發(fā)送它的鄰居序列給自己的父節(jié)點。在本例中，完成信息收集過程后，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的相對距離的消息給它的父節(jié)點D。這些節(jié)點的組合方式為構(gòu)成一定性質(zhì)的簇頭-簇頭鏈接的提供了可靠的信息，每個父節(jié)點都在等待著它的所有子節(jié)點發(fā)來的上報消息，再添加自己的信息，發(fā)送給自己的父節(jié)點。如簇首節(jié)點D接收到它的子簇頭節(jié)點G發(fā)送來的消息后，它就發(fā)送有{FGD}，{FD}，{ED}路徑信息給節(jié)點B，依次進行信息傳遞，最終的信息將匯聚至基站。當基站節(jié)點接收到所有子節(jié)點發(fā)來的上報信息，則網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建進入了下一過程。在信息上報過程中，節(jié)點發(fā)送完上報消息后就進入睡眠狀態(tài)，關(guān)閉發(fā)射模塊以保存能量。
2．1．4 網(wǎng)絡(luò)拓撲構(gòu)建過程
網(wǎng)絡(luò)拓撲構(gòu)建過程在基站節(jié)點上進行，當基站A接收到所有子簇頭節(jié)點(BCE)發(fā)送來的上報信息，就開始對支路進行整合，如果兩條數(shù)據(jù)通路有共同的節(jié)點，如{ABDF}和{AEFD}兩條支路有兩個共同的節(jié)點A，F(xiàn)，那么可以組合出一個具有閉合回路的數(shù)據(jù)通道ABDFEA，對于不同的回路也根據(jù)判斷是否有共同節(jié)點而對它們進行整合成更大的閉合回路。一旦基站完成選擇多個構(gòu)成回路的簇頭集，它開始為其他簇頭節(jié)點以盡少的步數(shù)連接到某一回路簇頭節(jié)點，在基站A處，將形成多個具有回路性質(zhì)的簇頭-簇頭節(jié)點集，基站將選擇其中一個簇頭集信息廣播給網(wǎng)絡(luò)中的每一個節(jié)點。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點通過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)，決定自己是充當回路簇頭或支路簇頭節(jié)點進行數(shù)據(jù)收集、融合、轉(zhuǎn)發(fā)，或者充當普通簇內(nèi)節(jié)點實現(xiàn)對周圍環(huán)境的監(jiān)測。至此進入了網(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)點數(shù)目為每個簇內(nèi)節(jié)點分配TDMA時間表。簇內(nèi)節(jié)點持續(xù)采集周圍環(huán)境信息，并在自己的通信時隙內(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)點能耗，普通節(jié)點的發(fā)送器在不屬于自己通信的時隙進入睡眠狀態(tài)；而簇頭必須使自己的接收器時刻處于開啟狀態(tài)，以便接收簇內(nèi)節(jié)點發(fā)送過來的所有數(shù)據(jù)。簇頭節(jié)點接收到簇內(nèi)所有的數(shù)據(jù)后，將對數(shù)據(jù)進行必要的數(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 仿真實驗
無線傳感節(jié)點的能量有限性決定節(jié)點能量的高效使用是網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)計的首要目標，也是延長網(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)測區(qū)域內(nèi)，將200個節(jié)點隨機分布，節(jié)點的通信半徑在5～45 km內(nèi)可調(diào)。為了便于計算節(jié)點收發(fā)信息的能量消耗，使用文獻所描述的無線通信模型：
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：
評論