基于雙簇首節(jié)能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇拓撲控制

0核心網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成節(jié)點的分簇拓撲結(jié)構(gòu)在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，能量主要消耗在無線通信模塊上。傳感器節(jié)點的無線通信模塊在空閑狀態(tài)下的能量消耗相當(dāng)于接收狀態(tài)，在睡眠狀態(tài)下的能量消耗最小1%。因此,要降低無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的能量消耗就應(yīng)關(guān)閉無線通信模塊。可以考慮選擇一些節(jié)點作為骨干網(wǎng)節(jié)點并打開它們的通信模塊,同時關(guān)閉非骨干節(jié)點的通信模塊,由骨干節(jié)點構(gòu)建一個連通網(wǎng)絡(luò)負責(zé)數(shù)據(jù)的路由轉(zhuǎn)發(fā)［2］。這樣,既能保證正常的數(shù)據(jù)通信的需要,也在一定程度上節(jié)省了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量消耗。在這種機制下,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點可以劃分兩類,分別為骨干網(wǎng)節(jié)點和普通節(jié)點,骨干網(wǎng)節(jié)點對周圍的普通節(jié)點進行管轄,也即分簇拓撲結(jié)構(gòu)。骨干網(wǎng)節(jié)點是簇頭節(jié)點,普通節(jié)點是簇內(nèi)節(jié)點［3］。這種分簇的拓撲結(jié)構(gòu)和其他拓撲結(jié)構(gòu)相比有一些很明顯的優(yōu)點。例如:數(shù)據(jù)融合的任務(wù)由簇頭節(jié)點承擔(dān),減少了數(shù)據(jù)通信量和能量消耗［4］;此種拓撲結(jié)構(gòu)有利于使用分布式算法,能適應(yīng)大規(guī)模部署的網(wǎng)絡(luò);大部分節(jié)點在大部分的時間處于睡眠狀態(tài),減少了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量消耗,延長了整個網(wǎng)絡(luò)的生存時間等。1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由HEED［5］(hybridenergy-efficientdistributed)算法是一種使用固定簇半徑的分簇協(xié)議［6］,該協(xié)議中給出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的3個最重要的需求:延長生命周期、可擴展性和負載均衡,并通過將能量消耗均勻分布到整個網(wǎng)絡(luò)中來達到延長網(wǎng)絡(luò)生命周期的目的。HEED協(xié)議中簇首選舉主要依據(jù)主、次2個參數(shù)。主參數(shù)依賴于剩余能量,用于隨機選取初始簇首節(jié)點集合,擁有較多剩余能量的節(jié)點將有較大的概率暫時成為簇首節(jié)點,而最終該節(jié)點能否成為簇首取決于剩余能量是否比周期內(nèi)其他節(jié)點的能量多,即迭代過程是否比周圍節(jié)點收斂的快。次參數(shù)依賴于簇內(nèi)通信代價,用來確定落在多個簇范圍內(nèi)的節(jié)點最終選擇哪個簇首加入,以及平衡簇首之間的負載［7］。EEUC［8］算法是一種基于非均勻分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議,它采用多跳通信方式防止離基站遠的簇首節(jié)點過早死亡,并且以主動方式均衡節(jié)點能耗［9］,該協(xié)議會預(yù)先設(shè)置一個是否成為候選簇首的閾值T,普通節(jié)點根據(jù)此閾值決定自身是否成為候選簇首。未參與競選的節(jié)點則進入休眠模式,直到簇首競選過程結(jié)束。令Si為任意的一個候選簇首節(jié)點,Si根據(jù)自身到基站的距離信息來計算其自身競爭區(qū)域的大小,區(qū)域半徑記為Ri。候選簇首節(jié)點之間按照規(guī)則1進行競爭簇首。規(guī)則1:在競選簇首節(jié)點過程中,如果候選簇首Si宣告其競選成功,那么,在其競爭半徑Ri之內(nèi)的所有候選簇首節(jié)點需退出競選過程。2傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇控制算法通過對經(jīng)典的分簇算法進行研究與分析,盡量避免其不足之處,提出了一種基于雙簇首能量均衡(DCHEB)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇拓撲控制算法,本算法引進了雙簇首的思想,每個簇有主簇首節(jié)點(MCH)和副簇首節(jié)點(VCH)。主簇首負責(zé)簇內(nèi)的數(shù)據(jù)采集,副簇首節(jié)點負責(zé)簇間的數(shù)據(jù)傳輸。這樣一來就使得原來單個簇首節(jié)點的簇內(nèi)數(shù)據(jù)采集和簇間數(shù)據(jù)傳輸?shù)?個任務(wù)分給現(xiàn)在的主副簇首節(jié)點去完成,這大大降低了簇首的能量消耗,可以達到延緩簇的重組的目的。2.1主副簇首節(jié)點的選舉1)在網(wǎng)絡(luò)初始化的時候建立一個圓形的網(wǎng)絡(luò),基站位于其中心［10］;然后以基站為中心按照本文算法提供的方案進行層次的劃分并計算出每層的簇的個數(shù)和層間距,傳感器節(jié)點均勻地分布在整個網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點根據(jù)自身的坐標、剩余能量以及所在的層次來確定該層的主副簇首節(jié)點。這樣可以確保每個簇的節(jié)點個數(shù)相對平均,主簇首節(jié)點位于合適的位置上,從而可以在一定程度上均衡簇內(nèi)和簇間的能量消耗,進而可以延長整個網(wǎng)絡(luò)的生命周期。2)進行主副簇首節(jié)點選舉時,首先基站廣播簇首選擇消息,各節(jié)點會把自身的相關(guān)信息(坐標、剩余能量)發(fā)送給基站,基站根據(jù)節(jié)點的信息和已劃分好的層次通過集中式的策略來進行主副簇首節(jié)點的選舉［11］。通過這種方式可以使主簇首節(jié)點位于較為合適的位置上,從而達到簇內(nèi)的各節(jié)點的能量消耗相對均衡。2.2多路衰減模型設(shè)r為傳感器節(jié)點單跳通信的最大距離,本文采用的通信模型分2種情況:當(dāng)傳輸距離小于r時,發(fā)送節(jié)點的能耗與傳輸距離的平方呈正比;大于r時,則與傳輸距離的四次方呈正比。這2種情況分別為:自由空間傳輸模型和多路衰減模型。所以,根據(jù)傳輸距離的大小,發(fā)送節(jié)點傳輸kbit的信息所消耗的發(fā)送能量如式(1)［12］所示,接收kbit的信息所消耗的能量由式(2)所示式中Eelec為射頻電路和接收電路每發(fā)送或接收單位數(shù)據(jù)所消耗的能量,J/bit;εfs為自由空間傳輸參數(shù),εamp為多路衰減傳輸參數(shù),它們的單位是J/(bit·m2)。r為一個門限距離,亦即接收電路和發(fā)送電路之間距離的臨界值,當(dāng)兩者間的距離小于r時,使用自由空間模型;當(dāng)兩者間的距離大于r時,使用多路徑衰減模型。本文的通信模型將統(tǒng)一采用自由空間模型,假定每個簇首的節(jié)點通信范圍都能包含所劃分好的簇,使得網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都至少有一個簇加入。2.3傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域面積計算本文提出了一種新的簇的劃分方案,此方案有利于使得主副簇首節(jié)點位于合適的位置,而且使得每個簇的節(jié)點個數(shù)相對平均,這樣會使得簇間和簇內(nèi)的節(jié)點的能量消耗相對均勻和延長邊緣節(jié)點的死亡時間,可以有助于延長網(wǎng)絡(luò)的生存周期。1)算出網(wǎng)絡(luò)中的最佳簇首個數(shù),計算公式如下式中kopt為最優(yōu)的簇首數(shù)目;N為傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的數(shù)量;εfs為自由空間模型的信號放大倍數(shù);εmp為多徑衰減信道模型信號放大倍數(shù);M為傳感器網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域的邊長;dt2oBS為簇首到基站的距離。2)將網(wǎng)絡(luò)區(qū)域平均分為K個簇域,簇域采用扇形區(qū)域,第n層簇的個數(shù)設(shè)為Pn,如圖1所示,可以得到下面等式式中S為傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域面積;K為最優(yōu)簇首數(shù)目;Pn為第n層簇的數(shù)目;Ri為第i層的間距。綜上,可以得出Rn的解為2.4第一階段:選舉見表三在對簇首節(jié)點選舉策略的選擇時,則應(yīng)考慮以下幾個方面:1)簇首選舉策略應(yīng)該盡量采取分布式的方案［13］,網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點都可以根據(jù)本地地信息進行自主選擇簇首節(jié)點,并且簇首節(jié)點的選舉算法應(yīng)該盡量簡單,以節(jié)約能量消耗。2)盡量使被選擇擔(dān)當(dāng)簇首的節(jié)點均勻地分布在整個網(wǎng)絡(luò)中,并且可以監(jiān)測整個網(wǎng)絡(luò)的運行情況。3)網(wǎng)絡(luò)中被選舉出擔(dān)當(dāng)簇首的節(jié)點數(shù)目應(yīng)該盡可能接近于最佳簇首個數(shù)。4)簇首選舉過程中應(yīng)使能量消耗盡可能的少。通過此階段的選舉,可以確保被選舉成為簇首節(jié)點的節(jié)點比較均勻地分布在整個網(wǎng)絡(luò)中,并且能夠監(jiān)測整個網(wǎng)絡(luò)的運行情況。在此階段之后,被選舉出的主簇首節(jié)點會發(fā)送廣播消息來組建自己的簇。簇一旦建立完成后,這種簇結(jié)構(gòu)就不會再發(fā)生改變。當(dāng)簇首發(fā)生異常,不再適合繼續(xù)擔(dān)當(dāng)簇首節(jié)點時(包括主、副簇首節(jié)點),不需要再通過基站在全網(wǎng)中進行選舉了,而是在自己所在簇的周圍(也包括簇內(nèi)),即在小范圍內(nèi)按照一定的方式選舉出新任的簇首節(jié)點,亦即網(wǎng)絡(luò)運行階段中的簇首選舉［14］。3圓形感知區(qū)域的構(gòu)建本文設(shè)置的仿真環(huán)境:以基站為中心,坐標為原點(0,0)m,把300個傳感器節(jié)點均勻分布到半徑為200m的圓形感知區(qū)域的4個象限中。在上面仿真環(huán)境中全部的普通節(jié)點負責(zé)收集信息,并且按照固定的周期進行數(shù)據(jù)傳輸,每個數(shù)據(jù)包均設(shè)置為2000bit,全部節(jié)點的原始能量都設(shè)置為0.5J。其他參數(shù)設(shè)置為εelec=50nJ/bit,εfs=10pJ/bit/m2,εmp=0.0013pJ/bit/m4。3.1節(jié)點死亡:網(wǎng)絡(luò)上nbHEED協(xié)議在接近20s的時候網(wǎng)絡(luò)中的全部節(jié)點死亡,EEUC協(xié)議在接近100s的時候網(wǎng)絡(luò)中的全部節(jié)點死亡,而DCHEB在接近160s的時候網(wǎng)絡(luò)中的全部節(jié)點才會死亡,如圖3。3.2網(wǎng)絡(luò)能量消耗仿真HEED協(xié)議在接近20s的時候整個網(wǎng)絡(luò)的能量消耗完,EEUC協(xié)議在接近100s的時候整個網(wǎng)絡(luò)的能量消耗完,而DCHEB協(xié)議在將近160s的時候整個網(wǎng)絡(luò)的能量才消耗完,如圖4。本節(jié)采用Matlab仿真工具對HEED,EEUC和DCHEB3種算法,分別從整個網(wǎng)絡(luò)的生存時間、整個網(wǎng)絡(luò)的能量消耗2個方面進行仿真分析。分析表明:DCHEB協(xié)議的性能總體上要優(yōu)越于HEED,EEUC。4凝膠質(zhì)譜算法dheb算法在網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用本文引入了雙簇首的思想,由于每個簇內(nèi)有主副簇首2個簇首節(jié)點,則可以使簇首節(jié)點的數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)2項工作平均分配到主副簇首節(jié)點上去,從而使主副簇首節(jié)點的能量消耗要