無線傳感網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性研究

王亭 王瑩瑩

【摘要】 本文充分考慮新節(jié)點(diǎn)加入過程中對當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的影響，通過對入網(wǎng)許可值的定義，使得節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)后，網(wǎng)絡(luò)中的各簇更加均衡，并有效的降低了網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，有助于延長網(wǎng)絡(luò)的壽命。

【關(guān)鍵詞】 網(wǎng)絡(luò)許可 擴(kuò)展性 網(wǎng)絡(luò)能耗

一、引言

由于傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的特殊性，在保證網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行的情況下，提高能量的利用率，成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究熱點(diǎn)。現(xiàn)有的方法通常需要考慮節(jié)點(diǎn)的可擴(kuò)展性。

然而，現(xiàn)有的方法均是通過設(shè)置網(wǎng)絡(luò)的分簇方法，并周期的進(jìn)行簇的重建，以提高對網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的利用度，即利用簇的重建，可以將網(wǎng)絡(luò)中的新入節(jié)點(diǎn)添加到網(wǎng)絡(luò)中，由此實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)。

然而在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)的加入時(shí)間是隨機(jī)的，而為了能夠及時(shí)的讓新入節(jié)點(diǎn)投入工作，并兼顧網(wǎng)絡(luò)的均衡性，是當(dāng)前需要考慮的一個(gè)重點(diǎn)問題[1]。

為了解決上述問題，本方案引入入網(wǎng)許可值，通過對節(jié)點(diǎn)的位置分布、簇頭的能量、以及相應(yīng)簇的負(fù)載值的考慮，選擇節(jié)點(diǎn)所要加入的簇，通過預(yù)留TDMA時(shí)隙，以便節(jié)點(diǎn)可以在任意時(shí)刻融入到當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)中。

二、算法描述

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)成簇后，簇頭中除了包括簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息外，還與其他的簇頭共享其位置及能量信息，由此，每個(gè)簇頭均包括網(wǎng)絡(luò)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(dāng)網(wǎng)絡(luò)簇頭選擇后，在為其分配成員節(jié)點(diǎn)分配TDMA時(shí)隙時(shí)，均預(yù)留一定的時(shí)隙。

當(dāng)有節(jié)點(diǎn)加入時(shí)，向距離自己最近的簇頭發(fā)送通知消息，其中，消息中包括該新入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的位置及能量信息，當(dāng)該簇頭接收到上述消息后，計(jì)算該節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)許可值，以確定該節(jié)點(diǎn)最終的歸屬。

其中，該節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)許可值m通過該節(jié)點(diǎn)與該簇頭的距離d、簇頭的能量值E、該簇頭所在簇的負(fù)載值p獲得；其中，節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)許可值的計(jì)算公式如下：

其中，簇的負(fù)載值p為當(dāng)前簇的成員節(jié)點(diǎn)值與當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中簇的平均成員節(jié)點(diǎn)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(wǎng)節(jié)點(diǎn)的距離以及該鄰簇頭的能量值，然后依次計(jì)算該新入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)到各個(gè)簇頭的入網(wǎng)許可值，然后與距離最近的簇頭的入網(wǎng)許可值進(jìn)行比較，獲取其中入網(wǎng)許可最大的作為該新入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的簇頭，然后該簇頭通知對應(yīng)的簇頭有新節(jié)點(diǎn)加入的消息，并在消息中承載該新入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的信息，然后相應(yīng)的簇頭在其預(yù)留的TDMA中設(shè)置新的時(shí)隙，然后在當(dāng)前簇中廣播該節(jié)點(diǎn)的加入，并通知該節(jié)點(diǎn)為其分配對應(yīng)的TDMA時(shí)隙，從而完成新入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)。

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(wǎng)節(jié)點(diǎn)而言，具有更好的健壯性，而通過對簇的負(fù)載值的考慮，使得網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載分布更均勻。

同時(shí)，引入數(shù)據(jù)共享機(jī)制，減少了網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的交互量，而且由于僅計(jì)算距離新入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)最近的簇頭以及該簇頭一跳內(nèi)的簇頭的入網(wǎng)許可值，降低簇頭的計(jì)算量，更符合現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中關(guān)于節(jié)能的要求。

而且該過程可以發(fā)生在網(wǎng)絡(luò)通信的任意節(jié)點(diǎn)，而不用等待到簇的重建。

三、仿真實(shí)驗(yàn)

本文采用現(xiàn)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(jié)點(diǎn)的加入，與本方案中所涉及的新節(jié)點(diǎn)加入進(jìn)行比較。

仿真結(jié)果表明，本文所述方案不僅能夠降低網(wǎng)絡(luò)簇頭的能量消耗，而且在新節(jié)點(diǎn)加入后，網(wǎng)絡(luò)的健壯性更強(qiáng)，負(fù)載更均衡，能夠較好的延長網(wǎng)絡(luò)的能量消耗。

四、結(jié)束語

本文通過對現(xiàn)有技術(shù)中關(guān)于節(jié)點(diǎn)加入過程中，網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性需要的考慮，引入了入網(wǎng)許可值的概念，使用節(jié)點(diǎn)與簇頭的距離、簇頭的能量值、該簇頭所在簇的負(fù)載值實(shí)現(xiàn)對入網(wǎng)許可值的定義，由此決定節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的歸屬。上述方法不僅能夠較好的實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)，并且有助于網(wǎng)絡(luò)的均衡性、健壯性的增強(qiáng)，易于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)張，且在移動網(wǎng)絡(luò)中也具有廣闊的應(yīng)用空間。

參 考 文 獻(xiàn)

[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.