無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)拓?fù)淠芰坑行С纱厮惴?/h1>
1 引言
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）作為下一代的信息獲取技術(shù)引起了世界各國(guó)的重視，日漸成為國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的研究熱點(diǎn)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常是由大量傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)射頻通信形成的一個(gè)自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。它通過(guò)對(duì)被監(jiān)測(cè)對(duì)象目標(biāo)信息的感知，獲取和處理，提供給管理者以有用的信息，可以廣泛地應(yīng)用于智能家居、醫(yī)療衛(wèi)生、工業(yè)控制、農(nóng)業(yè)種植、軍事預(yù)警以及防洪救災(zāi)等特殊場(chǎng)合。但是，WSN與移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)（MANET）是有著很大區(qū)別的，它們的通信方式、通信目的和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜懿幌嗤?，尤其在能量?lái)源方面，WSN是采用電池供電，路由算法對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的存活周期起著重要的影響，所以移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議不能完全適應(yīng)于WSN，我們需要單獨(dú)研究適合于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議。
2LEACH算法中執(zhí)行過(guò)程是周期性進(jìn)行的，每一輪包括簇的建立階段和穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸階段。在簇的建立階段，通過(guò)選舉使某個(gè)節(jié)點(diǎn)成為簇首節(jié)點(diǎn)，成為簇首的節(jié)點(diǎn)向周?chē)?jié)點(diǎn)廣播消息，其他節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的廣播消息的強(qiáng)度來(lái)選擇它所要加入的簇，并告知相應(yīng)的簇首。在本文提出的DTEE算法中，也是以輪為形式周期進(jìn)行的，但在簇頭選舉引入了能量因子，同時(shí)第一輪和以后輪的算法過(guò)程是不同的，從第二輪開(kāi)始在成簇階段可以不用計(jì)算公式，相比LEACH及一些改進(jìn)算法需要計(jì)算復(fù)雜公式的開(kāi)銷(xiāo)，降低了復(fù)雜度，使簇頭選舉能量開(kāi)銷(xiāo)最低，成簇過(guò)程中采用的非均勻成簇方法更是使網(wǎng)絡(luò)能量分布更加均衡。
由于本文采用的是簇內(nèi)單跳，簇間多跳的數(shù)據(jù)傳輸，因此離Sink節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)的簇頭節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)量越少，能量消耗的慢；而離Sink節(jié)點(diǎn)越近的簇頭，其所承擔(dān)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)越多，消耗能量越大，所以更容易出現(xiàn)能量耗盡而死亡的情況。為此，本文拋棄了傳統(tǒng)算法中采用的均勻分簇的方法，而是采用非均勻成簇的策略。使離Sink節(jié)點(diǎn)越近的簇，其規(guī)模越小一些，從而這些簇其簇內(nèi)路由及數(shù)據(jù)融合開(kāi)銷(xiāo)小，又因?yàn)槠渌袚?dān)的簇頭間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)開(kāi)銷(xiāo)多，綜合起來(lái)無(wú)論離Sink遠(yuǎn)還是近的簇頭都將能量相對(duì)均衡消耗，網(wǎng)絡(luò)生命周期得以最大化。
非均勻分簇的實(shí)現(xiàn)過(guò)程是這樣的：首先，Sink節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)所在區(qū)域廣播一個(gè)NOTICE報(bào)文，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的此報(bào)文能量強(qiáng)度信息確定自己與Sink節(jié)點(diǎn)的距離d(i)。根據(jù)監(jiān)測(cè)區(qū)域范圍、傳感器節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)以及能量自由空間模型確定網(wǎng)絡(luò)分層數(shù)n, 然后，本文采用文獻(xiàn)[14]中的均勻分層的方法，各節(jié)點(diǎn)所在的層號(hào)i=d(i)*n/R，R為監(jiān)測(cè)區(qū)域半徑。因?yàn)榭拷黃ink節(jié)點(diǎn)的簇規(guī)模小，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)少，也就是所在不同層次的節(jié)點(diǎn)成為簇頭的概率不一樣，各節(jié)點(diǎn)成為簇頭的最佳概率為pi=p/(i*i)。其中p為第一層節(jié)點(diǎn)成為簇頭的概率。將傳感區(qū)域進(jìn)行劃分這個(gè)動(dòng)作只出現(xiàn)在第一輪循環(huán)開(kāi)始的時(shí)候，以后的循環(huán)過(guò)程不用再進(jìn)行傳感區(qū)域劃分。
3．4簇頭選擇
之后開(kāi)始第一輪的選舉，各節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù) r(n) ，并與T(n)進(jìn)行比較，若r(n)小于T(n)，則節(jié)點(diǎn)自選舉成為簇頭。
G為這一輪循環(huán)中未成為簇首的節(jié)點(diǎn)的集合。
當(dāng)節(jié)點(diǎn)成為簇頭后，以適當(dāng)?shù)陌霃絉C廣播簇頭加入消息，周?chē)墓?jié)點(diǎn)根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度決定加入哪個(gè)簇并發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求加入消息。之后簇頭在接收到相關(guān)節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求加入消息后，建立TDMA調(diào)度表并廣播出去。簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)在收到此消息后，在屬于自己的時(shí)隙內(nèi)打開(kāi)無(wú)線電模塊開(kāi)始數(shù)據(jù)傳送，在其它不屬于自己的時(shí)隙內(nèi)關(guān)掉通信功能以最大限度節(jié)省能量。在簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)向簇頭發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文時(shí)，在其中加入一個(gè)本節(jié)點(diǎn)此刻剩余能量的數(shù)據(jù)信息，供之后算法使用。
第二輪及以后輪的簇頭產(chǎn)生過(guò)程中，首先是上一輪的舊簇頭對(duì)收到各節(jié)點(diǎn)報(bào)文中含有的各節(jié)點(diǎn)能量信息及自己的剩余能量進(jìn)行比較，從中選出剩余能量最大的節(jié)點(diǎn)為新簇頭，之后舊簇頭以半徑RC發(fā)出new_CH報(bào)文，報(bào)文中包括報(bào)文類(lèi)型及新簇頭的ID，當(dāng)指定的新簇頭收到此報(bào)文后發(fā)現(xiàn)ID與之相匹配，就廣播簇頭加入報(bào)文，其余節(jié)點(diǎn)再根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度決定加入哪個(gè)簇頭，之后過(guò)程與第一輪相同。但在實(shí)際應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)有可能意外被移動(dòng)了，或者出故障死亡了，這樣指定的新簇頭就可能不存在了，從而這一簇范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)由于沒(méi)收到簇頭加入報(bào)文就會(huì)整體停止工作，使網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)死區(qū)?？紤]此方面，本文設(shè)定舊簇頭節(jié)點(diǎn)在一定的時(shí)間閾值內(nèi)若沒(méi)有指定的新節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的簇頭加入報(bào)文，它就確認(rèn)指定的新節(jié)點(diǎn)被意味移動(dòng)走了，從而它指定剩余能量第二多的節(jié)點(diǎn)為新節(jié)點(diǎn)，并發(fā)送新的new_CH報(bào)文。這樣新算法就支持了部分節(jié)點(diǎn)移動(dòng)或者有新節(jié)點(diǎn)加入的
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1 引言
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）作為下一代的信息獲取技術(shù)引起了世界各國(guó)的重視，日漸成為國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的研究熱點(diǎn)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常是由大量傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)射頻通信形成的一個(gè)自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。它通過(guò)對(duì)被監(jiān)測(cè)對(duì)象目標(biāo)信息的感知，獲取和處理，提供給管理者以有用的信息，可以廣泛地應(yīng)用于智能家居、醫(yī)療衛(wèi)生、工業(yè)控制、農(nóng)業(yè)種植、軍事預(yù)警以及防洪救災(zāi)等特殊場(chǎng)合。但是，WSN與移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)（MANET）是有著很大區(qū)別的，它們的通信方式、通信目的和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜懿幌嗤?，尤其在能量?lái)源方面，WSN是采用電池供電，路由算法對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的存活周期起著重要的影響，所以移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議不能完全適應(yīng)于WSN，我們需要單獨(dú)研究適合于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議。
2LEACH算法中執(zhí)行過(guò)程是周期性進(jìn)行的，每一輪包括簇的建立階段和穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸階段。在簇的建立階段，通過(guò)選舉使某個(gè)節(jié)點(diǎn)成為簇首節(jié)點(diǎn)，成為簇首的節(jié)點(diǎn)向周?chē)?jié)點(diǎn)廣播消息，其他節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的廣播消息的強(qiáng)度來(lái)選擇它所要加入的簇，并告知相應(yīng)的簇首。在本文提出的DTEE算法中，也是以輪為形式周期進(jìn)行的，但在簇頭選舉引入了能量因子，同時(shí)第一輪和以后輪的算法過(guò)程是不同的，從第二輪開(kāi)始在成簇階段可以不用計(jì)算公式，相比LEACH及一些改進(jìn)算法需要計(jì)算復(fù)雜公式的開(kāi)銷(xiāo)，降低了復(fù)雜度，使簇頭選舉能量開(kāi)銷(xiāo)最低，成簇過(guò)程中采用的非均勻成簇方法更是使網(wǎng)絡(luò)能量分布更加均衡。
由于本文采用的是簇內(nèi)單跳，簇間多跳的數(shù)據(jù)傳輸，因此離Sink節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)的簇頭節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)量越少，能量消耗的慢；而離Sink節(jié)點(diǎn)越近的簇頭，其所承擔(dān)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)越多，消耗能量越大，所以更容易出現(xiàn)能量耗盡而死亡的情況。為此，本文拋棄了傳統(tǒng)算法中采用的均勻分簇的方法，而是采用非均勻成簇的策略。使離Sink節(jié)點(diǎn)越近的簇，其規(guī)模越小一些，從而這些簇其簇內(nèi)路由及數(shù)據(jù)融合開(kāi)銷(xiāo)小，又因?yàn)槠渌袚?dān)的簇頭間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)開(kāi)銷(xiāo)多，綜合起來(lái)無(wú)論離Sink遠(yuǎn)還是近的簇頭都將能量相對(duì)均衡消耗，網(wǎng)絡(luò)生命周期得以最大化。
非均勻分簇的實(shí)現(xiàn)過(guò)程是這樣的：首先，Sink節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)所在區(qū)域廣播一個(gè)NOTICE報(bào)文，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的此報(bào)文能量強(qiáng)度信息確定自己與Sink節(jié)點(diǎn)的距離d(i)。根據(jù)監(jiān)測(cè)區(qū)域范圍、傳感器節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)以及能量自由空間模型確定網(wǎng)絡(luò)分層數(shù)n, 然后，本文采用文獻(xiàn)[14]中的均勻分層的方法，各節(jié)點(diǎn)所在的層號(hào)i=d(i)*n/R，R為監(jiān)測(cè)區(qū)域半徑。因?yàn)榭拷黃ink節(jié)點(diǎn)的簇規(guī)模小，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)少，也就是所在不同層次的節(jié)點(diǎn)成為簇頭的概率不一樣，各節(jié)點(diǎn)成為簇頭的最佳概率為pi=p/(i*i)。其中p為第一層節(jié)點(diǎn)成為簇頭的概率。將傳感區(qū)域進(jìn)行劃分這個(gè)動(dòng)作只出現(xiàn)在第一輪循環(huán)開(kāi)始的時(shí)候，以后的循環(huán)過(guò)程不用再進(jìn)行傳感區(qū)域劃分。
3．4簇頭選擇
之后開(kāi)始第一輪的選舉，各節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù) r(n) ，并與T(n)進(jìn)行比較，若r(n)小于T(n)，則節(jié)點(diǎn)自選舉成為簇頭。
G為這一輪循環(huán)中未成為簇首的節(jié)點(diǎn)的集合。
當(dāng)節(jié)點(diǎn)成為簇頭后，以適當(dāng)?shù)陌霃絉C廣播簇頭加入消息，周?chē)墓?jié)點(diǎn)根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度決定加入哪個(gè)簇并發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求加入消息。之后簇頭在接收到相關(guān)節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求加入消息后，建立TDMA調(diào)度表并廣播出去。簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)在收到此消息后，在屬于自己的時(shí)隙內(nèi)打開(kāi)無(wú)線電模塊開(kāi)始數(shù)據(jù)傳送，在其它不屬于自己的時(shí)隙內(nèi)關(guān)掉通信功能以最大限度節(jié)省能量。在簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)向簇頭發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文時(shí)，在其中加入一個(gè)本節(jié)點(diǎn)此刻剩余能量的數(shù)據(jù)信息，供之后算法使用。
第二輪及以后輪的簇頭產(chǎn)生過(guò)程中，首先是上一輪的舊簇頭對(duì)收到各節(jié)點(diǎn)報(bào)文中含有的各節(jié)點(diǎn)能量信息及自己的剩余能量進(jìn)行比較，從中選出剩余能量最大的節(jié)點(diǎn)為新簇頭，之后舊簇頭以半徑RC發(fā)出new_CH報(bào)文，報(bào)文中包括報(bào)文類(lèi)型及新簇頭的ID，當(dāng)指定的新簇頭收到此報(bào)文后發(fā)現(xiàn)ID與之相匹配，就廣播簇頭加入報(bào)文，其余節(jié)點(diǎn)再根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度決定加入哪個(gè)簇頭，之后過(guò)程與第一輪相同。但在實(shí)際應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)有可能意外被移動(dòng)了，或者出故障死亡了，這樣指定的新簇頭就可能不存在了，從而這一簇范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)由于沒(méi)收到簇頭加入報(bào)文就會(huì)整體停止工作，使網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)死區(qū)?？紤]此方面，本文設(shè)定舊簇頭節(jié)點(diǎn)在一定的時(shí)間閾值內(nèi)若沒(méi)有指定的新節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的簇頭加入報(bào)文，它就確認(rèn)指定的新節(jié)點(diǎn)被意味移動(dòng)走了，從而它指定剩余能量第二多的節(jié)點(diǎn)為新節(jié)點(diǎn)，并發(fā)送新的new_CH報(bào)文。這樣新算法就支持了部分節(jié)點(diǎn)移動(dòng)或者有新節(jié)點(diǎn)加入的
評(píng)論