低能耗节点位置未知无线传感器网络控制方案

摘要：介绍了一种低能耗节点位置未知的网络控制方案，根据不同的网络运行轮数设定网络节点的通信半径，使网络具有良好的能量有效性。网络中基站经过构建阶段的启动过程、节点信息收集过程和节点信息上报过程，获得了整个网络节点的相对位置分布，然后整合节点-节点信息支路，得到具有回路链接的簇首节点集，其他节点根据自己邻居信息选择簇首节点，实现网络近似最小能耗拓扑的构建。通过仿真与同类典型算法LEACH-C、MCLB进行比较，结果显示该方案应用于网络运行时具有更长的网络生命周期、更少的信息总数和更低的网络构建代价。
关键词：无线传感器网络；低能耗；节点位置未知；能量有效性

0 引言
无线传感器网络是由一个基站和大量的传感节点构成。传感节点通常被随机放置在监测区域内，基站负责指导传感节点工作并且收集传感节点检测到的信息，并将环境信息报送至监控中心。通常，传感节点体积很小且具有感知周围环境信息、数据处理与存储和无线数据收发三个基本功能。无线传感节点在应用时受到很多限制如处理速度慢、存储容量小、电能有限等，而基站具有外部电源支持，处理能力比传感节点强大很多，它负责收集传感节点的监测信息并转发给用户。由于无线传感节点的能量有限性，降低能量消耗、延长网络生命周期，成为无线传感器网络通信协议设计的首要目标。
分簇算法应用于无线传感器网络通信协议设计，被认为是一种减少网络能量消耗的有效办法。它通过选择一部分传感节点作为簇首节点形成一个暂时固定的网络构架，各簇首节点接收邻居簇首节点、簇内节点感知的环境信息，进行数据融合，剔除冗余信息，并转发至基站。这一类的经典算法有：文献LEACH-C是一种集中的聚类算法。在启动阶段，基站接收网络中所有节点发送来的包含他们位置以及能量状态的信息。基站运行本地算法获得簇首以及分簇表，然后广播包含簇首ID信息给每一个节点。簇头确定后，普通节点选择离其最近的簇头加入该簇头所管辖的区域，进而形成簇区域。协议维护阶段与LEACH是一致的。簇的建立过程在每一轮里都需要进行一次，从而产生了很多的能量消耗和传输延迟。文献MCLB算法首先找出网络中的冗余节点作为临时簇头，并随机选择一定数量的具有高的剩余能量的节点为簇头，临时簇头和簇头构成了一个数据转发层，而其他节点构成了一个数据收集为主要功能的底层，簇头广播hello消息并找到属于本簇的节点从而完成对网络的分簇。在数据转发上，存在节点-节点、节点-簇头和簇头-簇头多跳转发至基站的混合模式，该算法中由于簇头的位置具有随机性，为了保
证数据转发的可靠连通，因此每个节点必须以较大的发射功率进行数据转发而产生了不必要的能量浪费。文献提出的算法CDC将网络进行分簇，每一簇自行选择一个簇头。簇头承担起收集簇内成员信息并进行数据融合，然后再将数据转发给基站，并且依据信息选择下一轮的簇头。一旦簇内有节点死亡，簇首将发送信息给基站，对整个网络进行重新分簇，否则簇首选择能量最多的节点作为下一轮的簇首。
本文提出一种新的网络控制方案由网络构建阶段和网络维护阶段组成。在网络构建阶段本文借鉴了文献的思想，设计了一种节约能耗的构建方法，首先由基站发出拓扑构建信息，每个节点完成对父节点和邻居节点信息的收集并将信息在特定的时刻传输给自己的父节点，基站通过获得的全网节点信息选择一部分具有冗余连接的簇头节点集，完成了一种期望的网络拓扑特性并保证了网络的连通性。一旦网络构建完成，就进入网络维护阶段，在该阶段每个节点根据网络的需要转换到特定的角色，当簇头节点集中的一节点能量下降到一定值时，由它提出网络重构，网络运行的两个阶段状态交替进行直到网络不能正常运行。本文设计的网络控制方案与文献LEACH-C算法和文献的MCLB算法进行仿真比较网络的生命期、网络构建信息交替情况和网络的构建代价。结果显示本文提出的方案应用于网络运行时具更长的生命周期、更少的构建阶段信息总数和更低的网络构建代价。

1 系统模型
在本算法中，传感节点周期性的充当簇头节点或者普通节点，进行环境监测及数据转发。无线传感器网络监测区域内随机均匀放置N个传感节点，其中有一个节点为基站，在本文所提出的控制方案中，进行了以下几点假设：
(1)每个传感节点被赋于一个惟一的标号，传感节点的能量有限，而基站有专门的供电系统。
(2)每个传感节点可根据需要调整自己的发射功率，最大发射功率满足它们连接网络中离它最远的传感节点。
(3)所有传感节点的位置不会发生移动，位置未知，具备通过接收信号的衰减程度来计算与信号发送方的距离。

2 LEPN网络控制方案
LEPN控制方案下的网络运行是基于轮的，每轮包含网络构建和网络维持两大阶段。在每一轮里，由基站定义各节点以一个特定的相同发射功率进行数据转发，构建一个基于UDG(Unit Disk Graph)模型的分簇网络来感知周围环境信息并将信息可靠的由簇头-簇头多跳转发至基站的过程，本方案主要针对应用在任务艰巨、节点随机布置的一些场合，因此设计时需满足两个基本的约束条件：形成的簇头节点集可提供一个可靠的数据包多跳转发能力；本方案具备的能量有效性应该和现有的基于分簇的网络控制方案相当或者更好。为了满足这些约束，LEPN网络控制方案所确定的簇头最终形成一条连通的闭合回路保证信息成功多跳转发至基站，具有可靠性和能量有效性，因为基站节点获得信息转发路径是闭合回路，具备的冗余性以防止信号在传输过程由于链接失败而造成信息传输失败；而该方案的另一个优点是不需要节点的位置和方向信息，从而节约了节点的硬件成本投入。
2．1 LEPN网络构建阶段
每一轮的LEPN网络构建阶段分为四个子过程，首先由基站设定本轮节点通信的发射功率，发起网络构建，接下来各个节点根据接收信号的衰减程度判断与信号发送者的距离以完成信息的收集，当每个节点都完成信息的收集，就进入了信息上报过程，直至基站，基站根据接收到的信息情况选择簇头节点集，再将包含簇头节点的消息逐层传递给网络中的每一个节点，节点通过接收到的信息来判断自己在接下来的几轮里是否成为回路中的簇头节点以承担环境信息监测和数据转发的任务还是普通簇头节点融合本簇内的监测数据再转发，或者普通节点。用(如图1)一个13节点的网络构建过程来简单描述(粗实线表示可以构成父子关系的簇首链接，细实线表示构成邻居关系的簇首链接，虚线表示构成簇首与簇内成员的链接)。