0 引  言

     無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks,，WSN)是由任意散落在被監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量傳感器節(jié)點以自組織形式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò),，并通過網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送到接收站進(jìn)行處理。通過隨機(jī)投放的方式,，眾多傳感器節(jié)點被密集部署于監(jiān)控區(qū)域,。這些傳感器節(jié)點集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊,，它們通過無線信道相連,，自組織地構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。傳感器節(jié)點間有良好的協(xié)作能力,，通過局部的數(shù)據(jù)交換來完成全局任務(wù),。通過網(wǎng)關(guān)、傳感器網(wǎng)絡(luò)還可以連接到現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施上(如Internet,、移動通信網(wǎng)絡(luò)等),，從而將采集到的信息傳回給遠(yuǎn)程的終端用戶使用。隨著微電子技術(shù),、通信技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,，WSN在軍事和民用各個領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用，其應(yīng)用潛力巨大,，已成為目前通信領(lǐng)域的研究熱點,。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂?/p>

WSN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/a>控制主要研究的問題是：在保證網(wǎng)絡(luò)覆蓋度和聯(lián)通性的前提下，設(shè)置或調(diào)整節(jié)點的發(fā)射功率，并按照一定的原則選擇合適的節(jié)點成為骨干節(jié)點,，參與網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的處理和傳輸,，達(dá)到優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的目的，其首要的設(shè)計目標(biāo)是通過高效使用能量使網(wǎng)絡(luò)生命期最大化,。

WSN中拓?fù)淇刂瓶梢苑譃閮蓚€研究方向：功率控制和層次拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制,。功率控制機(jī)制調(diào)整網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點的發(fā)射功率，保證網(wǎng)絡(luò)連通,，在均衡節(jié)點中直接鄰居數(shù)目(單跳可達(dá)鄰居數(shù)目)的同時,，降低節(jié)點之間的通信干擾。層次拓?fù)淇刂剖抢梅执厮枷?，使網(wǎng)絡(luò)中的部分節(jié)點處于激活狀態(tài),，成為簇頭節(jié)點。由這些簇頭節(jié)點構(gòu)建一個連通的網(wǎng)絡(luò)來處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù),，并定期或不定期地重新選擇簇頭節(jié)點,，以均衡網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的能量消耗。WSN中,，節(jié)點的無線通信模塊處于發(fā)送狀態(tài)下功耗最高,，接收狀態(tài)和空閑狀態(tài)下功耗次之，休眠狀態(tài)下功耗最低,。例如,，目前用于WSN的主流傳感器Berkeley Motes，其通信模塊處于發(fā)送狀態(tài)的功耗為60 mW,，接收狀態(tài)和空閑狀態(tài)的功耗均為12 mW,，休眠狀態(tài)的功耗為0.03 mW，其功耗比達(dá)到2 000：400：1,，因此降低能耗的關(guān)鍵是降低網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的通信流量,，使更多的節(jié)點在更長時間段處于休眠狀態(tài)。為了大幅度降低無線通信模塊的能量消耗,，可以考慮依據(jù)一定的機(jī)制選擇部分節(jié)點作為骨干節(jié)點,，這些節(jié)點的通信模塊處于打開狀態(tài)，而其他非骨干節(jié)點的通信模塊處于關(guān)閉,。在這種機(jī)制下,，節(jié)點被分為骨干節(jié)點和非骨干節(jié)點兩類，骨干節(jié)點對非骨干節(jié)點進(jìn)行管轄,。這類算法將網(wǎng)絡(luò)分為相連的區(qū)域,，稱為分簇算法。

在層次拓?fù)淇刂品矫?，已?jīng)提出的算法有Deb的TopDisc(Topology Discory)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法,、Santi的改進(jìn)GAF(Geographical Adaptive Fidelity)分簇算法,、Heinzelman的LEACH(LOW Energy AdaptiveChlstering Hierarchy)算法和Younis的HEED算法等。

在此,，以經(jīng)典的基于最小支配集理論TopDisc算法為研究對象。通過考慮節(jié)點電量的剩余情況,，得到Power-balanced TopDisc算法,。該算法將節(jié)點剩余能量作為分簇結(jié)構(gòu)的構(gòu)建依據(jù)，對剩余能量較少的節(jié)點賦予一定的約束,，使之成為普通節(jié)點,，從而均衡網(wǎng)絡(luò)電量負(fù)載，解決網(wǎng)絡(luò)中部分低電量節(jié)點擔(dān)任骨干節(jié)點而導(dǎo)致的能耗問題,，有效延長網(wǎng)絡(luò)生命期,。仿真實驗結(jié)果證明了該算法的有效性。

2  TopDisc算法

在TopDisc算法中,，首先由初始節(jié)點發(fā)出拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請求,，通過廣播該請求消息來確定網(wǎng)絡(luò)中的骨干節(jié)點，并結(jié)合這些骨干節(jié)點中鄰居節(jié)點的信息形成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕仆負(fù)?。在這個近似拓?fù)湫纬梢院?，為了減小算法本身引起的網(wǎng)絡(luò)通信量，只有骨干節(jié)點才對初始節(jié)點的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請求作出相應(yīng)的響應(yīng),。

為了確定網(wǎng)絡(luò)中的骨干節(jié)點,，TopDisc算法采用的是貪婪算法。具體分為兩種類型：三色法和四色法,。

2.1 三色法

在三色算法中,，節(jié)點可以處于三種不同狀態(tài)。在TopDisc算法中,，分別用白色,、黑色、灰色三種顏色表示：

(1)白色是尚未被發(fā)現(xiàn)的節(jié)點,，或者說是沒有接收到任何拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請求的節(jié)點,；

(2)黑色是骨干節(jié)點(簇頭節(jié)點)，負(fù)責(zé)響應(yīng)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請求,；

(3)灰色是普通節(jié)點,，至少被一個標(biāo)記為黑色的節(jié)點覆蓋，即黑色節(jié)點的鄰居節(jié)點,。

在開始階段,，所有節(jié)點都被標(biāo)記為白色，算法由一個初始節(jié)點發(fā)起,，算法結(jié)束后所有節(jié)點都將被標(biāo)記為黑色或者灰色(假設(shè)整個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫沁B通的),。Top-Disc使用兩種啟發(fā)式方法，使得每個新的黑色節(jié)點都盡可能多地覆蓋還沒有被覆蓋到的節(jié)點：一種是節(jié)點顏色標(biāo)記方法；另一種是節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請求時會故意延時一段時間,，延時時間的長度反比于該節(jié)點與發(fā)送拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請求到該節(jié)點之間的距離,。具體算法過程如下：

(1)初始節(jié)點被標(biāo)記為黑色，并向網(wǎng)絡(luò)廣播拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請求,；

(2)當(dāng)白色節(jié)點收到來自黑色節(jié)點的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請求時,，將被標(biāo)記為灰色，并在延時時間tWB后繼續(xù)廣播拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請求,。tWB反比于它與黑色節(jié)點之間的距離,。

(3)當(dāng)白色節(jié)點收到來自灰色節(jié)點的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請求時，將在等待時間tWG后標(biāo)記為黑色,，但如果在等待期間,，又收到來自黑色節(jié)點的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請求時，則優(yōu)先標(biāo)記為灰色,；同樣,，等待時間反比于該白色節(jié)點與灰色節(jié)點之間的距離。不管節(jié)點被標(biāo)記為灰色還是黑色,，都將在完成顏色標(biāo)記之后繼續(xù)廣播拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請求,；

(4)所有已經(jīng)被標(biāo)記為黑色或者灰色的節(jié)點，都將忽略其他節(jié)點的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請求,。

為了使每個新的黑色節(jié)點都盡可能多地覆蓋還沒有被覆蓋的節(jié)點,，TopDisc采用反比于節(jié)點之間距離的轉(zhuǎn)發(fā)延時機(jī)制。理想情況下,，節(jié)點的覆蓋范圍是半徑為無線電發(fā)射半徑的圓,。于是，單個節(jié)點所能夠覆蓋的節(jié)點數(shù)目正比于其覆蓋面積和局部節(jié)點部署密度,。對于一個正在轉(zhuǎn)發(fā)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請求的節(jié)點,，它所能夠覆蓋的新節(jié)點(還沒有被任何節(jié)點覆蓋)則正比于它的覆蓋面積與已經(jīng)覆蓋的面積之差。

2.2 四色法

為了增大簇之間的間隔,，減少重疊區(qū)域,，TopDisc算法還提出了四色法。節(jié)點可以處于四種不同的狀態(tài),，分別用白色,、黑色、灰色和深灰色表示,。前三種顏色代表的含義與三色法相同,，增加的深灰色表示節(jié)點收到過拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請求，但不被任何標(biāo)記為黑色的節(jié)點覆蓋,。

在初始階段,，所有節(jié)點被標(biāo)記為白色,，算法由一個初始節(jié)點發(fā)起，算法結(jié)束后所有節(jié)點都將被標(biāo)記為黑色或灰色(假設(shè)整個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫沁B通的,，注意最終沒有標(biāo)記為深灰色的節(jié)點),。詳細(xì)過程描述如下：

(1)初始節(jié)點被標(biāo)記為黑色，并向網(wǎng)絡(luò)廣播拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請求,；

(2)當(dāng)白色節(jié)點收到來自黑色節(jié)點的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請求時,，將標(biāo)記為灰色，并在延時時間tWB后繼續(xù)廣播拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請求,。tWB反比于它與黑色節(jié)點之間的距離,；

(3)當(dāng)白色節(jié)點收到來自灰色節(jié)點的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請求時,，將標(biāo)記為深灰色并繼續(xù)廣播拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請求,，然后等待一段時間tWG(同樣與距離成反比)。如果在等待期間收到來自黑色節(jié)點的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請求時,，則改變?yōu)榛疑?，否則它自己成為黑色；

(4)當(dāng)白色節(jié)點收到來自深灰色節(jié)點的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請求時,，等待一段時間(同樣與距離成反比),。如果在等待期間，收到來自黑色節(jié)點的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請求時,，則改變?yōu)榛疑?，否則它自己變?yōu)楹谏V播拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請求,；

(5)所有已經(jīng)被標(biāo)記為黑色或者灰色的節(jié)點,，都將忽略其他節(jié)點的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請求。

與三色法相比,，四色法形成的簇數(shù)目更少,，簇與簇之間的重疊區(qū)域也更小。但是可能形成一些孤立的標(biāo)記為黑色的節(jié)點不覆蓋任何灰色節(jié)點,。雖然三色法和四色法形成的黑色節(jié)點數(shù)目相當(dāng),，但四色法中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量要少一些。

TopDisc算法利用圖論中的經(jīng)典算法,，提出了一種有效方法來構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的近似拓?fù)?，是分簇算法中的?jīng)典算法。它是一種只需要利用局部信息,，且完全分布時可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂扑惴?。但也存在需要改進(jìn)的地方，如算法開銷偏大,；沒有考慮節(jié)點剩余電量的信息,。

3 Power-balanced TopDisc算法

WSN中節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的耗能模型如下所述,。

傳感器節(jié)點發(fā)射r比特數(shù)據(jù)包所消耗的能量為：

Pt(r，d)=r(a1+a2dn)    (1)

式中：d為兩節(jié)點之間的距離,；a1是與距離無關(guān)的量,，包括發(fā)射電路所耗能量等；a2是與距離有關(guān)的量,；n為路徑損耗指數(shù),，通常取2～4之間。

傳感器節(jié)點接收r比特數(shù)據(jù)包所消耗的能量為：

Pr(r)=rβ    (2)

式中：β盧為接收能量系數(shù),。

傳感器節(jié)點將2個數(shù)據(jù)流r1和r2融合成一個數(shù)據(jù)包r的耗能為：

Pa(r1+r2,，r)=r(r1+r2-r)    (3)

式中：r為數(shù)據(jù)融合系數(shù)。

從式(1)～式(3)可以看出,，若剩余能量較少的節(jié)點仍然承擔(dān)著較重的轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù),，那么就很可能導(dǎo)致該節(jié)點過早死亡，從而影響網(wǎng)絡(luò)生命時間的延續(xù),。所以,，在構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋾r，節(jié)點應(yīng)選擇剩余能量多的節(jié)點作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的主要節(jié)點,，而剩余能量較少的節(jié)點作為數(shù)據(jù)源節(jié)點,，這樣將有效解決由于負(fù)載過大而過早死亡的問題。

為便于描述和分析,，作如下假設(shè)：

(1)每個節(jié)點都具有相同的最大發(fā)射功率,，其覆蓋范圍是半徑為R的圓形區(qū)域，且可通過調(diào)節(jié)發(fā)射功率以適應(yīng)其覆蓋范圍內(nèi)不同距離節(jié)點的通信,；

(2)每個節(jié)點都能夠獲得自身的剩余能量,，有一定的存儲空間來存放鄰居節(jié)點信息；

(3)忽略真實環(huán)境中存在障礙物等影響通信質(zhì)量的因素,，確保所有的數(shù)據(jù)包都能夠可靠傳輸,。

考慮節(jié)點電量均衡因素，在TopDisc四色法的步驟(3)中,，對tWG進(jìn)行修正,，公式為：

twG=a1／d+a2／p    (4)

式中：d為節(jié)點之間的距離；p為當(dāng)前節(jié)點剩余的電量,；a1和a2為預(yù)設(shè)參數(shù),。對tWG進(jìn)行修正后得到Power-balanced TopDise算法。

Power-balanced TopDise算法的合理性可以由圖1說明,。圖1(a)為TopDisc算法的分簇結(jié)果,；圖1(b)為Power-balanced TopDise算法的分簇結(jié)果。其中,，電量為80的節(jié)點為初始節(jié)點,。初始節(jié)點發(fā)出拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請求到電量為20的節(jié)點變?yōu)榛疑?，并繼續(xù)廣播拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請求。電量為30和90的節(jié)點同時收到拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請求,。在Power-balanced TopDisc算法中,，電量為90的節(jié)點先于電量為30的節(jié)點變?yōu)楹谏闯蔀楣歉晒?jié)點(簇頭節(jié)點),。

經(jīng)過上述基于電量均衡的Power-balanced TopDisc算法處理后,，剩余能量較少的節(jié)點將不再擔(dān)當(dāng)骨干節(jié)點，有利于延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期,，從而實現(xiàn)均衡耗能,。

4 性能分析和實驗

為評估Power-balanced TopDise算法的性能，采用軟件進(jìn)行多次仿真試驗,，以所獲得的分簇結(jié)構(gòu)作為主要性能指標(biāo),，并與TopDisc算法進(jìn)行比較。

仿真模擬配置如下：假設(shè)有400個節(jié)點隨機(jī)地部署在一個400×400的正方形平面區(qū)域內(nèi),；每個節(jié)點的剩余能量為1～100的隨機(jī)值,。由TopDisc算法和Power-balanced TopDisc算法所生成的分簇結(jié)構(gòu)分別如圖2和圖3所示,。

對于該WSN,，TopDisc算法得到的分簇結(jié)果是骨干節(jié)點平均電量為51；Power-balanced TopDisc算法得到的分簇結(jié)果是骨干節(jié)點平均電量為56,。由于Power-balanced TopDisc算法生成的分簇結(jié)構(gòu)考慮了節(jié)點的剩余電量,，因而它使得剩余能量較少的節(jié)點成為普通節(jié)點，節(jié)省了擔(dān)當(dāng)骨干節(jié)點耗費的能量,，從而延長了整個網(wǎng)絡(luò)的生命周期,。

5  結(jié)  語

在此，提出一種基于電量均衡的Power-balancedTopDisc算法,，該算法考慮了節(jié)點中剩余電量的多少,，對節(jié)點賦予一定的約束，讓剩余能量較多的節(jié)點擔(dān)當(dāng)骨干節(jié)點,，承擔(dān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù),，保證了低電量節(jié)點不會因轉(zhuǎn)發(fā)過多數(shù)據(jù)而過早失效，從而延長整個網(wǎng)絡(luò)的生命期,，實驗結(jié)果證明了該算法的有效性,。