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无线传感器网络低功耗分簇路由算法研究

作者:时间:2009-03-31来源:网络收藏
引 言
(Wireless Sensor Networks,WSN)是由一组微型节点以自组织方式构成的,其目的是协作地感知、采集和处理覆盖的地理区域中感知对象的信息,并发布给观察者。近年来,随着通信技术、嵌入式计算技术和技术的飞速发展和日益成熟,网络的应用越来越广泛。在网络中,除了少数节点需要移动以外,大部分节点都是静止的。它们通常运行在人无法接近的恶劣甚至危险的远程环境中,能源补充非常困难,因此,设计有效的协议和以延长网络的生命周期是WSN的核心问题之一。

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针对无线传感器网络能量受限的特点,对适应其特点的低也一直继续着。Heinzelman提出了LEACH(Low―Energy Adaptive Clustering Hierarchy,低能耗自适应分簇层次)。其核心思想是让每个节点轮流担当簇首,从而使得网络中的能量消耗尽可能均匀,减少网络失效时刻的能量浪费。LEACH算法只考虑了单跳模型,因此只适合于小型wSN网络。参考文献提出了M―LEACH(Multi―hop variant of LEACH,多跳LEACH)算法,簇内的节点不是以单跳的方式传输数据到簇首,而是通过簇内其他节点转发。参考文献提出了一个多跳簇首模型,采用从下到上的策略,逐层生成每一层的簇首,最终得到一个多层结构的WSN网络。参考文献采用基于代价的目标函数对传感器网络设计进行了分析,推导出单跳和多跳的适用范围,最后提出一种单跳多跳混合的算法,以解决网络中的“能量热点”问题。本文在前人的基础上提出一种适合无线传感器网络能量受限特点的低算法。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/163888.htm

2 网络模型
无线传感器网络是由大量部署在观测环境中的微型、廉价、低的传感器节点,以无线、自组织的方式,通过多跳通信而快速形成的网络系统。WSN的典型布撒是通过飞行器撒播、人工埋置和火箭弹射等方式来完成的。图1给出了传感器网络体系结构一般形式的描述。

假定传感器网络中的各节点随机均匀分布在一个方形区域内,并且具有如下性质:
①惟一的基站部署在网络外部较远的位置;
②每个节点有惟一的标识;
③传感器节点部署后不再移动;
④所有节点平等,具有相同的计算和通信能力;
⑤节点的地理位置信息不可知;
⑥发射节点与不同距离的接收节点通信时,可以调整发射功率。


3 算法描述

本算法采用LEACH算法中“轮”的思想,每一轮工作由2个阶段组成:一是簇的建立阶段;二是数据传输阶段。在簇的建立阶段,主要完成簇首的选取、簇的生成,以及时限的分配;在数据传输阶段,主要完成的是各个传感器节点把采集到的数据逐层上传到基站,其中包括必要的数据融合、数据加密等处理。
3.1 簇的结构及首轮簇首选举
在无线传感器网络分簇算法的研究中,大部分都是在网络簇的同构模型上进行研究,例如如何使各个簇的节点数目尽量相同、簇的大小尽量相同,在此基础上有效地降低能量的消耗。多数的分簇算法都采用簇首多跳将数据传输到基站,使得距离基站较近的节点不但要收集本簇内节点传送上来的数据,而且同时要转发其他比它距离基站远的簇首节点发送的数据,这就使得距离基站较近的节点要比远离基站的簇首节点消耗更多的能量。如果采用簇结构同构的分簇方法,往往距离基站较近的簇首能量消耗要相对大,导致新一轮的簇首选举,造成整个网络暂停工作,甚至于节点早期进入死亡阶段。为了避免这种情况发生,本算法初步采用簇大小异构的方法,即距离基站远的簇结构比距离基站近的簇结构大,来均衡转发数据的能量消耗。
在网络部署阶段,基站用一个给定的发送功率向网络内广播一个信号。每个传感器节点在接收到此信号后,根据接收信号的强度计算它到基站的近似距离。获得这个距离,不仅有助于传感器节点向基站传输数据时选择合适的发送功率以降低能量消耗,而且它还是算法构造大小非均匀的簇的必需信息之一。非均匀分簇网络结构如图2所示。


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