無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是目前在世界上的研究領(lǐng)域。它可以定義為:由一組按需隨機(jī)分布的集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的微型傳感器以自組織方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò),其目的是協(xié)作的感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)感知對象的信息,并傳送給信息獲取者。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可廣泛應(yīng)用于諸如國家安全、軍事領(lǐng)域、醫(yī)療健康、交通管理、環(huán)境監(jiān)測、空間探索、商業(yè)等領(lǐng)域中,被《商業(yè)周刊》稱之為未來4大技術(shù)之一。1節(jié)點(diǎn)分布集中、能量耗熱無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是集成了監(jiān)測、控制以及無線通信的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),節(jié)點(diǎn)數(shù)目通常龐大(上千甚至上萬),節(jié)點(diǎn)分布密集;由于環(huán)境和能量耗盡,節(jié)點(diǎn)更容易出現(xiàn)故障;同時(shí)也造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的首要設(shè)計(jì)目標(biāo)是提高服務(wù)質(zhì)量和帶寬的高效利用,而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的首要設(shè)計(jì)目標(biāo)是能源的高效使用。2基于信道接入的多跳分簇算法分簇算法將網(wǎng)絡(luò)劃分成為可以互相連通并覆蓋所有節(jié)點(diǎn)的多個(gè)簇,并在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)更新簇結(jié)構(gòu)。迄今為止,已經(jīng)出現(xiàn)了大量的分簇算法,例如基于節(jié)點(diǎn)ID的分簇算法、最高節(jié)點(diǎn)度分簇算法、最低節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性分簇算法、LEACH算法等。大多數(shù)分簇算法主要考慮分簇的形成、分簇結(jié)構(gòu)的調(diào)整以及通過動(dòng)態(tài)調(diào)整簇頭節(jié)點(diǎn)以平衡網(wǎng)絡(luò)的能量消耗,它們一般假定簇頭能直接與基站通信。文獻(xiàn)中提出的基于信道接入的分簇算法在MAC層需要嚴(yán)格的時(shí)間同步,在分簇過程中忽視了傳感節(jié)點(diǎn)不同身份狀態(tài)的轉(zhuǎn)換,并沒有對分簇結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)調(diào)整,導(dǎo)致分簇不合理。文獻(xiàn)都假定簇頭節(jié)點(diǎn)能直接與基站通信,沒有考慮多跳的情況。本文提出了基于信道接入的多跳分簇算法,不需要嚴(yán)格的全網(wǎng)時(shí)間同步,并在分簇建立后對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)的調(diào)整,在網(wǎng)絡(luò)形成穩(wěn)定的分簇結(jié)構(gòu)后、簇頭與基站的通信中采用多跳路由算法。分簇算法中假定通信鏈路為雙向?qū)ΨQ鏈路,并且所有傳感節(jié)點(diǎn)都能收到基站的廣播消息。該分簇算法主要分為2個(gè)階段:網(wǎng)絡(luò)分簇形成和傳感數(shù)據(jù)通信。2.1分簇調(diào)整階段:從最聲明優(yōu)先到分簇自轉(zhuǎn)變網(wǎng)絡(luò)分簇形成可分為分簇建立、維護(hù)、調(diào)整和取消4個(gè)階段。分簇建立階段,一個(gè)節(jié)點(diǎn)如果剩余能量超過規(guī)定極限能量值,則試圖接入信道來聲明自己的是簇頭,如果在它的所有鄰居節(jié)點(diǎn)中最先成功地發(fā)送了簇頭聲明控制消息,那么它將成為簇頭,即按照“最先聲明優(yōu)先”的規(guī)則來選舉簇頭。在分簇維護(hù)階段,傳感節(jié)點(diǎn)如果是成員狀態(tài)則周期發(fā)送HEART_BEAT消息,如果是簇頭節(jié)點(diǎn)則周期發(fā)送HELLO消息以維持簇結(jié)構(gòu)。分簇調(diào)整階段主要是調(diào)整簇成員的歸宿和簇頭節(jié)點(diǎn)間的距離。分簇取消階段主要是傳感節(jié)點(diǎn)能源即將耗盡時(shí),將發(fā)送DISCONNECT消息以取消分簇結(jié)構(gòu)和分簇調(diào)整過程中的簇刪除操作。2.2譜線距離的選取(1)簇內(nèi)數(shù)據(jù)通信。通過分簇階段形成穩(wěn)定分簇后,各簇的成員節(jié)點(diǎn)進(jìn)入傳感數(shù)據(jù)狀態(tài)(SENSROR_DATA)。由簇頭節(jié)點(diǎn)的HELLO消息維持分簇,并在簇內(nèi)實(shí)現(xiàn)時(shí)間粗同步。成員節(jié)點(diǎn)采用TDMA方式與所屬簇頭進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。簇頭定期檢測所屬成員列表,動(dòng)態(tài)更新成員數(shù)據(jù)。(2)簇間數(shù)據(jù)通信。簇頭收到所屬成員的傳感數(shù)據(jù)后,先作初步的數(shù)據(jù)融合,然后將新的融合數(shù)據(jù)通過多跳算法發(fā)往基站。其中中繼節(jié)點(diǎn)的選擇方法如下:傳感節(jié)點(diǎn)總能量消耗eTotal可以表示為可以表示為距離d的函數(shù)。其中,k=ω?t,?t為數(shù)據(jù)包的發(fā)送時(shí)間,τ定義為額外功率消耗,它是距離d變化的常數(shù),在不依賴于距離變化的任何功率消耗都可以加到τ上去。根據(jù)傳感節(jié)點(diǎn)的能耗與通信距離成指數(shù)關(guān)系,中繼節(jié)點(diǎn)cluster_i0<i≤5的位置位于基站(Basestation)和簇頭節(jié)點(diǎn)cluster_0連線的中點(diǎn)時(shí),通信鏈路的能耗最小。但在實(shí)際通信過程中,一般來說中繼節(jié)點(diǎn)不在最佳位置上,如圖1所示。由式(1)可得,簇頭0與基站直接通信的能耗為其中,d節(jié)點(diǎn)到基站的距離,在此假定傳感節(jié)點(diǎn)的額外功率消耗τ相同。通過簇頭i中繼通信時(shí),簇頭0的通信能耗為其中,ci為簇頭節(jié)點(diǎn)1到簇頭節(jié)點(diǎn)i的距離。根據(jù)前面分析可知,τ在整個(gè)節(jié)點(diǎn)能耗中所占比例較小,主要為無線通信鏈路的能耗消耗。如果忽略τ,則可得如圖1,當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)處于以基站和簇頭節(jié)點(diǎn)0的連線為直徑的圓o上時(shí),通過中繼節(jié)點(diǎn)所消耗的能量等同于簇頭節(jié)點(diǎn)直接傳輸?shù)哪芰肯?。由平面幾何的知識可以證明如下不等式成立,即由此可得也就是簇頭中繼節(jié)點(diǎn)的選擇一定是在圓內(nèi)部的節(jié)點(diǎn),并且是靠近基站和簇頭節(jié)點(diǎn)連線最近的一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)。當(dāng)考慮τ值的影響時(shí),如果di2+ci2=d02時(shí),即,中繼簇頭處于圓o上,因?yàn)閿?shù)據(jù)中繼簇頭節(jié)點(diǎn)接收中繼數(shù)據(jù)也要消耗能量,所以選擇直接與基站通信。另外,當(dāng)基站不在簇頭節(jié)點(diǎn)的通信范圍內(nèi)時(shí),即使最短的數(shù)據(jù)傳輸距離為基站,也要選擇相對最小數(shù)據(jù)傳輸距離對應(yīng)的簇頭節(jié)點(diǎn)做中繼節(jié)點(diǎn),這樣基站才能收到該簇頭的數(shù)據(jù)。中繼簇頭節(jié)點(diǎn)的選擇在有些情況下并不是最優(yōu)的,為了保證網(wǎng)絡(luò)的連通性,算法采用選擇次優(yōu)的中繼簇頭節(jié)點(diǎn)。3回收生標(biāo)識的過程將100個(gè)傳感器隨機(jī)布設(shè)在1200m×1000m的區(qū)域,基站沿傳感布設(shè)區(qū)域的邊沿移動(dòng),以采集傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù),網(wǎng)絡(luò)形成分簇后,簇頭實(shí)現(xiàn)多跳傳輸。在分簇算法的仿真模型中網(wǎng)絡(luò)層為核心進(jìn)程模型,在此主要針對ROUTE進(jìn)程模型介紹。在ROUTE層進(jìn)程模型中,分簇形成算法的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖為Member_ROUTE,如圖2所示,另外,簇頭多跳算法在前面已有詳述,在此不再敘述。Member_ROUTE的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程簡述如下:(1)Idle狀態(tài):節(jié)點(diǎn)經(jīng)過start初始化狀態(tài)相關(guān)的進(jìn)程參數(shù)后,廣播REQ_TO_JOIN消息,開始進(jìn)入分簇建立階段,等待其他傳感節(jié)點(diǎn)的回應(yīng),并設(shè)置自中斷時(shí)間tbecome-head,節(jié)點(diǎn)進(jìn)入空閑態(tài)。(2)Cluster狀態(tài):如果在tbecome-head到達(dá)之前收到REQUE_TO_JOIN消息,則算法產(chǎn)生標(biāo)識DIRECT_BECOME_HEAD_FLAG,其值服從貝努力概率分布。如果DIRECT_BECOME_HEAD_FLAG的值為1,并且剩余能量超過簇頭能量門限值,則節(jié)點(diǎn)成為簇頭并進(jìn)入Cluster狀態(tài);否則,節(jié)點(diǎn)回到Idle狀態(tài)繼續(xù)等待;在tbecome-head到達(dá)之前沒有收到任何傳感節(jié)點(diǎn)的應(yīng)答,則節(jié)點(diǎn)變?yōu)榇仡^直接進(jìn)入Cluster狀態(tài),同時(shí)廣播HELLO消息,聲明自己為簇頭節(jié)點(diǎn),等待其他傳感節(jié)點(diǎn)的加入,形成新的分簇結(jié)構(gòu)。(3)Member狀態(tài):節(jié)點(diǎn)在Idle狀態(tài)如果收到HELLO消息,進(jìn)入Gethello狀態(tài),并向發(fā)送該HELLO消息的簇頭節(jié)點(diǎn)發(fā)送JOIN消息,申請加入該簇節(jié)點(diǎn),收到MSG_ACK消息后,加入該簇并進(jìn)入Member狀態(tài);同時(shí)向所屬簇頭每theart-beats發(fā)送一次HEART_BEAT消息,進(jìn)入分簇維護(hù)階段;在設(shè)定時(shí)間內(nèi)沒有收到MSG_ACK,則回到idle狀態(tài),則發(fā)送REQUE_TO_JOIN消息,重新進(jìn)入分簇接入;(4)Waithello狀態(tài):該狀態(tài)的進(jìn)入包括從Cluster狀態(tài)進(jìn)入和Member狀態(tài)進(jìn)入兩種模式,其中從Cluster狀態(tài)進(jìn)入Waithello狀態(tài)有如下3種情況:1)在tcheck-member的周期檢查中,簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)的數(shù)目為0;2)收到其他簇頭節(jié)點(diǎn)的HELLO消息,通過粗略估計(jì)其距離與dcluster-threshold之差大于ddifferent-cluster-threshold;3)該簇頭為孤立簇時(shí),通過中繼成員算法在簇內(nèi)沒有找到可以中繼的成員節(jié)點(diǎn)。從Member狀態(tài)進(jìn)入waithello狀態(tài)有如下2種情況:1)成員節(jié)點(diǎn)發(fā)送傳感數(shù)據(jù)后,經(jīng)過tdata-ack時(shí)間后沒有收到所屬簇頭節(jié)點(diǎn)的ACK消息,并在重發(fā)ndata-ack-threshold次之后,仍然沒有收到ACK消息;2)成員節(jié)點(diǎn)收到所屬簇頭節(jié)點(diǎn)發(fā)送的DISCONNECT消息。在節(jié)點(diǎn)進(jìn)入Waithello狀態(tài)之后設(shè)定時(shí)間tnode-wait,等待其他簇頭節(jié)點(diǎn)的HELLO消息;如果在tnode-wait時(shí)間到達(dá)之前沒有收到任何簇頭節(jié)點(diǎn)的HELLO消息,則節(jié)點(diǎn)廣播REQUE_TO_JOIN消息,回到idle狀態(tài),重新進(jìn)入分簇階段。(5)Check狀態(tài):該狀態(tài)主要是簇頭節(jié)點(diǎn)定期更新檢查簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)的狀態(tài),通過與成員節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)交互,更新所記錄的信息,并定時(shí)清空。主要是對簇內(nèi)動(dòng)態(tài)變化的成員節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理。另外在分簇調(diào)整階段cluster和member狀態(tài)根據(jù)分簇結(jié)構(gòu)可以動(dòng)態(tài)調(diào)整角色,在此不再詳述。4模擬結(jié)果分析4.1降低了自由空間傳播耗金設(shè)定傳感節(jié)點(diǎn)接收靈敏度為-85dBm,收發(fā)距離為d=450m,數(shù)據(jù)率為50Kbps。從圖3(a)中可以看出,通過分簇調(diào)整后,這個(gè)簇節(jié)點(diǎn)與其簇成員的平均距離由大約250m降低到145m。因?yàn)閭鞲泄?jié)點(diǎn)采用的是自由空間傳播模型,基于自由空間傳播損耗公式,傳感節(jié)點(diǎn)的能量消耗與d2成正比,因此通過分簇調(diào)整能量消耗可以降低到原來的1/3,提高了能量的利用率,有效地延長了網(wǎng)絡(luò)的生存周期。同時(shí)從圖3(b)中可以看出,分簇調(diào)整前后的網(wǎng)絡(luò)吞吐量并沒有多大變化,說明沒有更多的額外能量消耗用于簇結(jié)構(gòu)的調(diào)整。4.2打造直接傳輸?shù)姆执鼐W(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)形成分簇結(jié)構(gòu)后,簇頭多跳中繼發(fā)送傳感數(shù)據(jù)和簇頭直接將數(shù)據(jù)發(fā)送給基站(假定所有傳感節(jié)點(diǎn)都能直接與基站通信)2種的情況進(jìn)行比較,仿真結(jié)果如圖4所示。從圖4(a)所示可以看出,采用多跳中繼傳輸時(shí),所有簇頭節(jié)點(diǎn)的平均發(fā)射功率為采用直接傳輸時(shí),簇頭節(jié)點(diǎn)的平均發(fā)射功率為可得這說明在相同的數(shù)據(jù)吞吐量的條件下,直接傳輸?shù)拇仡^生存周期是中繼傳輸簇頭生存周期的1/4,結(jié)果導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)頻繁重新分簇,消耗更多能量。由圖4(b)中所示知,中繼傳輸?shù)姆执鼐W(wǎng)絡(luò)在時(shí)間為10min時(shí)的失效節(jié)點(diǎn)數(shù)大約為6個(gè),而直接傳輸?shù)姆执鼐W(wǎng)絡(luò)中的失效節(jié)點(diǎn)數(shù)大約為22個(gè)。因?yàn)橹欣^傳輸?shù)姆执鼐W(wǎng)絡(luò)中要消耗中繼傳輸?shù)哪芰?所以失效節(jié)點(diǎn)數(shù)的倍數(shù)相對平均發(fā)射功率要小一些。另外,直接傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)中失效節(jié)點(diǎn)開始的時(shí)間要比中繼傳輸網(wǎng)絡(luò)早大約100s,說明網(wǎng)絡(luò)更早地進(jìn)入不穩(wěn)定時(shí)期。5基于信道接入的多跳分簇算法仿真無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是涉及多學(xué)科的研究領(lǐng)域,具有十分廣闊的應(yīng)用前景。本