無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多匯聚節(jié)點分簇算法

周偉

摘 要： 為解決大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點通信效率問題，提出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一種多匯聚節(jié)點分簇算法，針對擁有多個匯聚節(jié)點的監(jiān)控區(qū)域，對網(wǎng)絡(luò)進行層次化管理。算法通過對多種參數(shù)的綜合考慮后產(chǎn)生簇頭，并將傳感器節(jié)點分配到相應(yīng)的簇，由此可以有效降低節(jié)點的非均勻能耗，減少因能耗較大節(jié)點的能量過度衰竭而造成網(wǎng)絡(luò)可用率下降。仿真結(jié)果顯示，該算法可以延緩首個死亡節(jié)點的發(fā)生時間，并能有效延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的整體可用率。

關(guān)鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)； 匯聚節(jié)點； 分簇算法； 能耗降低

中圖分類號： TN711?34； TP393 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）13?0026?04

Abstract： In order to solve the problem of node communication efficiency for large?scale wireless sensor network， a multiple sink nodes based clustering algorithm for wireless sensor network is presented. Aiming at the monitoring area with multiple sink nodes， the hierarchical management is performed for the network. The various parameters are considered comprehensively in the algorithm to generate the cluster head， and sensor nodes are distributed to the corresponding clusters to reduce the uneven energy consumption of the nodes， and avoid the network availability decline caused by the excessive energy exhaustion of the nodes with large energy consumption. The simulation results show that the algorithm can delay the occurrence time of the first death node， and prolong the overall availability of the wireless sensor network effectively.

Keywords： wireless sensor network； sink node； clustering algorithm； energy consumption reduction

0 引 言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是通信網(wǎng)絡(luò)與傳感器技術(shù)的融合產(chǎn)物，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、醫(yī)療等多種領(lǐng)域[1]。隨著現(xiàn)代科技的不斷進步，傳感器的集成度越來越高，尺寸越來越小，成本也不斷降低[2]，這也為大規(guī)模、低成本地使用傳感器進行組網(wǎng)應(yīng)用帶來了契機。

大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[3]的使用帶來了一些新的問題。例如，如何管理大片區(qū)域的大量傳感器節(jié)點[4]，如何避免某些區(qū)域的傳感器因能量消耗過大而提早失去功能[5]，如何實現(xiàn)有效的動態(tài)路由選擇等。采用分簇算法對網(wǎng)絡(luò)進行分層管理可以有效解決上述問題[6]，并提升整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能。

早期較為成熟的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇算法是LEACH算法[7]。該算法隨機產(chǎn)生簇頭，并將各個傳感器節(jié)點按照距離因素分配到鄰近簇頭，并周期性進行簇頭資格輪換，從而實現(xiàn)良好的分簇效果。HEED算法[8]是對LEACH算法的改進。該算法以節(jié)點的剩余能量為依據(jù)，按照一定概率產(chǎn)生簇頭。此外，還有一些算法在此基礎(chǔ)上做了進一步的優(yōu)化[9]，或者采用以地理位置等多種因素進行分簇的方法[10]。

上述這些算法絕大部分都是以單個匯聚節(jié)點為基礎(chǔ)，實現(xiàn)有中央控制的層次型網(wǎng)絡(luò)管理。在實際應(yīng)用中，當網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大，覆蓋面積也較廣時，采取多個匯聚節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)進行控制和管理[11]，是一種有效的手段。多匯聚節(jié)點下的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理，不應(yīng)該簡單采用將單匯聚節(jié)點網(wǎng)絡(luò)進行拼接的方式。因為這樣做會造成區(qū)域之間的割裂；同時，區(qū)域的地理特性往往與無線通信環(huán)境并不完全一致，地理分區(qū)對無線通信的效率分配缺乏幫助；而在網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)動態(tài)變化的情況下，簡單分區(qū)無法對這一變化進行適應(yīng)和調(diào)整。

基于多匯聚節(jié)點的算法設(shè)計，就是為了解決在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中使用單匯聚節(jié)點算法的不足。RDF算法[12]使用以節(jié)點位置為區(qū)分依據(jù)的柵格來劃分傳感器節(jié)點與匯聚節(jié)點的對應(yīng)關(guān)系；HLBR算法[13]采用綜合節(jié)點剩余能量和到匯聚節(jié)點距離因素的負載均衡算法來解決到匯聚節(jié)點的路徑。然而這些算法的模型比較簡單，適應(yīng)于較少匯聚節(jié)點情況下的網(wǎng)絡(luò)通信以及傳感器節(jié)點動態(tài)變化情況較小的場景。

本文提出一種多匯聚節(jié)點環(huán)境下的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇算法，針對大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點實施層次化的網(wǎng)絡(luò)管理。

1 多匯聚節(jié)點模型

對于大規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，使用多個匯聚節(jié)點，可以降低對單個匯聚節(jié)點發(fā)射功率的要求，也可解決因到單一匯聚節(jié)點的路由不可達[14]而導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)崩潰問題。

1.1 匯聚節(jié)點的位置

多個匯聚節(jié)點一般應(yīng)分散放置，以起到有效緩解大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的分散控制和匯聚節(jié)點有效冗余的作用。根據(jù)匯聚節(jié)點的布放位置和影響程度來考慮，主要有以下幾種：

（1） 相鄰關(guān)系。兩個匯聚節(jié)點位于監(jiān)控區(qū)域一側(cè)的相鄰區(qū)域，在這兩個匯聚節(jié)點之間區(qū)域的傳感器節(jié)點都可以收到這兩個匯聚節(jié)點之間的信號，它們會根據(jù)特定的算法選擇匯聚節(jié)點。這類匯聚節(jié)點的位置安排，主要考慮到匯聚節(jié)點的冗余性，以及到匯聚節(jié)點路由的主備用安排。