無線傳感器網絡分簇拓撲結構的研究

摘要:在通信方式和能耗分析的基礎上，對兩種拓撲結構進行比較，提出在不同條件下最優拓撲結構的選擇標準，以及在multi-hop方式下，節點通信半徑的最佳值#65377;滿足網絡對低能耗的需求#65377;

關鍵詞:無線傳感器網絡; 分簇; 單跳; 多跳

中圖分類號:TP393

文獻標志碼:A

文章編號:1001-3695(2007)10-0315-03

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無線傳感器網絡的基本組成單位是配備有感知#65380;計算和通信能力的節點，通過以Ad hoc方式組成的網絡[1]#65377;部署在監測區域感知環境參數，用于布線和電源供給困難的區域#65380;人員不能到達的區域和一些臨時場合(如發生自然災害時，固定通信網絡被破壞)等#65377;它不需要固定網絡基礎設施支持，具有快速展開#65380;抗毀性和魯棒性強等特點，廣泛應用于軍事#65380;工業#65380;交通#65380;環保等領域[2，3]#65377; 

節點感知參數進行處理，然后通過無線方式傳送給匯聚點(sink)#65377;匯聚點收集來自所有節點的數據，分析得出監測區域發生的物理現象#65377;WSNs與傳統的Ad hoc網絡相比，傳感器節點具有十分有限的電能和硬件設施，同時傳感器節點不具備移動能力#65377;WSNs經常部署在條件惡劣和危險的環境中，對節點電池的充電或更換幾乎不可能#65377;通信方式上，Ad hoc網絡采用any-to-any方式，而WSNs普遍采用many-to-one的方式，導致WSNs節點在能量消耗的不均勻#65377;所以網絡的生命周期長短是設計WSNs需要考慮的首要因素#65377;

分簇技術[4~9]極大地延長了網絡生命周期#65377;將傳感器節點劃分成多個簇群，每個簇群中有一個節點充當簇頭，負責收集成員節點的數據，進行必要的融合，最后傳送給sink節點#65377;減少節點發送數據的距離和碰撞，加之數據的融合處理，減少發送數據的長度，從而降低每個節點的能耗#65377;

目前已提出的簇群拓撲結構分為兩種:a)single-hop方式[4~6，8]，所有簇群成員節點直接簇頭進行通信#65377;但離簇頭較遠的節點與簇頭通信時將消耗較多的能量;b)multi-hop方式[7，8]，成員節點與簇頭通信時可利用其他節點作為中繼節點(relay node)與簇頭通信#65377;但是，節點在傳送自身的數據之外，還負責其他節點數據的轉發，這也需要消耗能量#65377;本文在對通信模式分析和數學推導基礎上對這兩種拓撲結構加以比較，給出適合不同條件的最佳簇群內拓撲結構模型#65377;

本文研究的對象是數據收集類型的WSNs，而不適合事件監測類型的WSNs#65377;前者節點周期地采集數據傳送給sink;而后者節點只有當某種事件發生時，才采集數據，否則一直處于睡眠狀態#65377;

1問題的描述和假設

WSNs部署在二維區域內，每個簇群覆蓋范圍是以半徑為a的圓，簇頭位于圓的中心，N個節點隨機均勻分布在簇群范圍內#65377;每個節點是同構的且在初始時具有相同的電能Einit#65377;網絡生命周期定義為出現第一個因電能耗盡而失效的節點所需的時間[10]#65377;

4結束語

無線傳感器網絡采用分簇技術可以極大降低節點的能耗，延長網絡的生命周期#65377;簇群內部的拓撲結構形式直接決定網絡的能耗性能#65377;本文系統地分析了在single-hop和multi-hop兩種拓撲結構模式下，節點能耗和網絡生命周期的性能指標，并給出在滿足網絡連通性條件下，節點最佳通信半徑值#65377;仿真表明在簇群半徑較小時，采用single-hop模式可以實現網絡能耗最小;在簇群內半徑較大時，通過降低節點的通信半徑，利用其他節點轉發數據到簇頭，可顯著降低整個網絡的能量消耗#65377;

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