無(wú)線集群通信系統(tǒng)的能耗分析與優(yōu)化方法

摘 要：通信系統(tǒng)中的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）應(yīng)在無(wú)人值守的情況下可以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，因此自組織和能源效率等特性對(duì)WSN來(lái)說(shuō)十分重要。滿足這些要求的一種方法是將WSN劃分為多個(gè)集群，其中每個(gè)集群由集群頭節(jié)點(diǎn)（CH）管理，包括多個(gè)集群成員。本文分析了集群網(wǎng)絡(luò)的能耗并量化了不同節(jié)點(diǎn)數(shù)和流量水平的集群的能量增益。經(jīng)過(guò)分析后，本文提出一種新的聚類協(xié)議，該協(xié)議可以選擇更少的CH來(lái)最小化能耗，并簡(jiǎn)化了WSN的維護(hù)。

關(guān)鍵詞：無(wú)線集群；通信系統(tǒng)；無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)；能耗分析；協(xié)議優(yōu)化

中圖分類號(hào)：P 642" " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

通信系統(tǒng)中的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以在無(wú)人值守的情況下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行[1]，這促進(jìn)了集群協(xié)議的設(shè)計(jì)。每個(gè)集群包括1個(gè)集群頭節(jié)點(diǎn)（Cluster Head，CH）和多個(gè)集群子節(jié)點(diǎn)（Cluster Members，CM）[2]。CH在每個(gè)超幀的開頭發(fā)送信標(biāo)消息以協(xié)調(diào)集群內(nèi)通信，集群之間的數(shù)據(jù)交換由相互連接的CH承載[3]，所有CM僅與自己的CH鏈接以發(fā)送/接收數(shù)據(jù)包，CH參與網(wǎng)絡(luò)控制和管理。通過(guò)聚類，WSN的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以分層處理，為集群拓?fù)洌鄬?duì)的非簇狀拓?fù)錇楸馄酵負(fù)洹．?dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多時(shí)，很難保持網(wǎng)絡(luò)處于活動(dòng)狀態(tài)，因此可以使用分而治之的方法[4-5]。但是，本地化網(wǎng)絡(luò)會(huì)產(chǎn)生能耗，當(dāng)發(fā)送信標(biāo)消息時(shí)，CH也會(huì)消耗額外的能量，這降低了集群的能量增益[6]。因此，本文分析了具有不同參數(shù)（例如節(jié)點(diǎn)數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)維度）的網(wǎng)絡(luò)中的聚類能量增益，提出了一種新的CH選擇協(xié)議，該協(xié)議考慮了2個(gè)節(jié)點(diǎn)的剩余能量和增益，在平衡能耗的同時(shí)降低大型網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)成本，旨在權(quán)衡各種條件下的兩者，以更好地選擇參數(shù)。……