無線傳感網絡擴展性研究

王亭 王瑩瑩

【摘要】 本文充分考慮新節點加入過程中對當前網絡的影響，通過對入網許可值的定義，使得節點入網后，網絡中的各簇更加均衡，并有效的降低了網絡的能量消耗，有助于延長網絡的壽命。

【關鍵詞】 網絡許可 擴展性 網絡能耗

一、引言

由于傳感器網絡應用的特殊性，在保證網絡正常運行的情況下，提高能量的利用率，成為無線傳感器網絡的研究熱點。現有的方法通常需要考慮節點的可擴展性。

然而，現有的方法均是通過設置網絡的分簇方法，并周期的進行簇的重建，以提高對網絡中節點的利用度，即利用簇的重建，可以將網絡中的新入節點添加到網絡中，由此實現節點的入網。

然而在實際的網絡中，節點的加入時間是隨機的，而為了能夠及時的讓新入節點投入工作，并兼顧網絡的均衡性，是當前需要考慮的一個重點問題[1]。

為了解決上述問題，本方案引入入網許可值，通過對節點的位置分布、簇頭的能量、以及相應簇的負載值的考慮，選擇節點所要加入的簇，通過預留TDMA時隙，以便節點可以在任意時刻融入到當前的網絡中。

二、算法描述

當網絡成簇后，簇頭中除了包括簇內節點的相關信息外，還與其他的簇頭共享其位置及能量信息，由此，每個簇頭均包括網絡中所有簇頭的位置及能量信息，且上述信息周期性更新，且當網絡簇頭選擇后，在為其分配成員節點分配TDMA時隙時，均預留一定的時隙。

當有節點加入時，向距離自己最近的簇頭發送通知消息，其中，消息中包括該新入網節點的位置及能量信息，當該簇頭接收到上述消息后，計算該節點的入網許可值，以確定該節點最終的歸屬。

其中，該節點的入網許可值m通過該節點與該簇頭的距離d、簇頭的能量值E、該簇頭所在簇的負載值p獲得；其中，節點的入網許可值的計算公式如下：

其中，簇的負載值p為當前簇的成員節點值與當前網絡中簇的平均成員節點值的比值；

然后該簇頭獲取距離該簇頭一跳的鄰簇頭到該新入網節點的距離以及該鄰簇頭的能量值，然后依次計算該新入網節點到各個簇頭的入網許可值，然后與距離最近的簇頭的入網許可值進行比較，獲取其中入網許可最大的作為該新入網節點的簇頭，然后該簇頭通知對應的簇頭有新節點加入的消息，并在消息中承載該新入網節點的信息，然后相應的簇頭在其預留的TDMA中設置新的時隙，然后在當前簇中廣播該節點的加入，并通知該節點為其分配對應的TDMA時隙，從而完成新入網節點的入網。

由此可見，通過對所要加入簇的能量和距離的考慮，使得選擇的簇頭對于新入網節點而言，具有更好的健壯性，而通過對簇的負載值的考慮，使得網絡的負載分布更均勻。

同時，引入數據共享機制，減少了網絡中數據的交互量，而且由于僅計算距離新入網節點最近的簇頭以及該簇頭一跳內的簇頭的入網許可值，降低簇頭的計算量，更符合現有網絡中關于節能的要求。

而且該過程可以發生在網絡通信的任意節點，而不用等待到簇的重建。

三、仿真實驗

本文采用現有的LEACH[2]成簇算法完成簇頭的選擇，并在該場景下完成新節點的加入，與本方案中所涉及的新節點加入進行比較。

仿真結果表明，本文所述方案不僅能夠降低網絡簇頭的能量消耗，而且在新節點加入后，網絡的健壯性更強，負載更均衡，能夠較好的延長網絡的能量消耗。

四、結束語

本文通過對現有技術中關于節點加入過程中，網絡擴展性需要的考慮，引入了入網許可值的概念，使用節點與簇頭的距離、簇頭的能量值、該簇頭所在簇的負載值實現對入網許可值的定義，由此決定節點在網絡中的歸屬。上述方法不僅能夠較好的實現節點的入網，并且有助于網絡的均衡性、健壯性的增強，易于實現網絡的擴張，且在移動網絡中也具有廣闊的應用空間。

參 考 文 獻

[1] Zhou H Y， Luo D Y， Gao Y. Modeling of Node Energy Consumption for Wireless Sensor Networks[J]. Wireless Sensor Network， 2011， 3（1）： 18-23.

[2] Handy M J， Haase M， Timmermann D. Low energy adaptive clustering hierarchy with deterministic cluster-head selection [J]. Mobile and Wireless Communications Network， 2002. 4th International Workshop on 10.1109/ MWCN. 2002： 368-37.