分簇式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)聚合節(jié)點(diǎn)自主移動(dòng)機(jī)制

分簇式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)聚合節(jié)點(diǎn)自主移動(dòng)機(jī)制

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由幾個(gè)分布在特定區(qū)域的節(jié)點(diǎn)組成。傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測應(yīng)用程序區(qū)域的信息，并通過多通道將其傳輸?shù)绞占?jié)點(diǎn)。最后，節(jié)點(diǎn)的管理節(jié)點(diǎn)到達(dá)聚集節(jié)點(diǎn)的管理節(jié)點(diǎn)，以執(zhí)行數(shù)據(jù)采集和任務(wù)監(jiān)測。集合節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)可分為三種類型：固定路徑移動(dòng)、隨機(jī)移動(dòng)和獨(dú)立移動(dòng)。由于主動(dòng)移動(dòng)可以及時(shí)響應(yīng)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)并獲得所需的數(shù)據(jù)，因此文獻(xiàn)采用了分階段分發(fā)樹的方法。由于集群節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到特定節(jié)點(diǎn)的位置而獲得所需的數(shù)據(jù)，這種方法不適用于真實(shí)的應(yīng)用程序場景。在文獻(xiàn)中，基于1:8的區(qū)域評(píng)估方法提出了多步移動(dòng)的策略。該算法只考慮節(jié)點(diǎn)的兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)，并以最大移動(dòng)距離為節(jié)點(diǎn)的傳輸半徑。如果沒有考慮路徑拓?fù)渥兓挠绊?，則文獻(xiàn)中提出了多節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。在文獻(xiàn)中，提出了一種獨(dú)立于建筑工具的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)策略。當(dāng)考慮節(jié)點(diǎn)移動(dòng)方向時(shí)，策略僅考慮單個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)流量和距離，而不考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量。本文的研究設(shè)定匯聚節(jié)點(diǎn)每次進(jìn)行微小的移動(dòng),即保持拓?fù)洳粫?huì)發(fā)生很大變化.通過多次微小的自主變化,匯聚節(jié)點(diǎn)可以平衡節(jié)點(diǎn)負(fù)載,從而延長網(wǎng)絡(luò)生存周期.1聚合節(jié)點(diǎn)通信的描述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量消耗采用環(huán)狀能耗模型.以匯聚節(jié)點(diǎn)為中心,按照節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)的距離,可以將區(qū)域分成若干個(gè)環(huán),假定每個(gè)環(huán)之間的間隔為節(jié)點(diǎn)通信半徑的大小,環(huán)從內(nèi)到外依次命名為ring0,ring1,…,ringN.顯然ring0一跳就可以到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn),而ringN要通過中繼N跳才能到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn).假定部署區(qū)域半徑為A,每單位面積產(chǎn)生數(shù)據(jù)量為λ,節(jié)點(diǎn)的單位數(shù)據(jù)量的發(fā)送功率為Et,接收功率為Er.根據(jù)文獻(xiàn)中的模型,發(fā)送l比特信息經(jīng)過距離d,節(jié)點(diǎn)消耗的能量和接收l比特信息消耗的能量分別為Et(l,d)=lEelec+lεampd2,Er(l)=lEelec,式中:εamp是傳輸放大器功耗,典型值為10pJ/(bit·m-2);Eelec是發(fā)送或接收每比特所消耗的能量,典型值為90nJ/bit.當(dāng)傳輸距離為30m左右時(shí),代入可以計(jì)算得到εampd2=9?90,故可以設(shè)定Et≈Er=lEelec.分析匯聚節(jié)點(diǎn)距離x∈[r-R/2,r+R/2]的環(huán)狀區(qū)域,其中:R是節(jié)點(diǎn)通信半徑;r=iR-R/2(i=1,2,…,N).每個(gè)節(jié)點(diǎn)的能耗包括轉(zhuǎn)發(fā)外環(huán)數(shù)據(jù)消耗的能量Ef和發(fā)送自己產(chǎn)生數(shù)據(jù)消耗的能量Et,即Econ=Ef+Et?(1)Econ=Ef+Et?(1)式中:Ef=(Er+Et)2π∫Ar+R/2Ar+R/2λxdx;Et=Et2π∫r+R/2r-R/2r+R/2r?R/2λxdx.根據(jù)式(1)可得每個(gè)環(huán)消耗的能量為Econ=2π(A2-r2-R2/4)Eλ=2π(A2-r2-R2/4)Eelecλ,Econ=2π(A2?r2?R2/4)Eλ=2π(A2?r2?R2/4)Eelecλ,單位面積數(shù)據(jù)產(chǎn)生速率λ取10～80Kbit/s,離匯聚節(jié)點(diǎn)的距離r取15～285m,能耗如圖1所示.可以看出λ越大,能耗Econ越大;越靠近匯聚節(jié)點(diǎn)雖然環(huán)的面積越小,但能耗卻越大.下面的研究基于信息采集型傳感器網(wǎng)絡(luò),即節(jié)點(diǎn)周期性采集數(shù)據(jù)并上報(bào).匯聚節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)相應(yīng)也按輪進(jìn)行,每輪包括數(shù)據(jù)傳輸和移動(dòng)處理.假定傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感節(jié)點(diǎn)同構(gòu),即每個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)具有同樣的通信半徑R.匯聚節(jié)點(diǎn)在只考慮接收傳感節(jié)點(diǎn)信息的情況下,通信半徑也可認(rèn)為是R,其通信覆蓋范圍描述為半徑R的圓.另外定義如下符號(hào):S為可移動(dòng)的匯聚節(jié)點(diǎn);Skiki為第k輪數(shù)據(jù)傳輸中,距離匯聚節(jié)點(diǎn)i跳的傳感器節(jié)點(diǎn)集合,i∈Z;SIk1k1為集合Sk1k1中節(jié)點(diǎn)按通信數(shù)據(jù)流量升序排列得到的前β的節(jié)點(diǎn)集合,β為預(yù)設(shè)的百分比.2從聚合節(jié)點(diǎn)的角度優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸各簇頭節(jié)點(diǎn)以多跳形式和匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信,匯聚節(jié)點(diǎn)記錄能夠以單跳形式直接和它通信的節(jié)點(diǎn)集合S1.將S1中節(jié)點(diǎn)按照數(shù)據(jù)流量的大小排序,取包含主要數(shù)據(jù)流量的節(jié)點(diǎn)記錄于SI1.當(dāng)前大多數(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由都是能量有效的路由,若某個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量消耗過多,則路由算法會(huì)自動(dòng)地減少通過該節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包.所以,若第k+1輪的SIk+11k+11和第k輪的SIk1k1不同,則表明存在節(jié)點(diǎn)能耗異常,需要改變匯聚節(jié)點(diǎn)的位置.在第k+1輪數(shù)據(jù)傳輸中,若SIk+11k+11≠SIk1k1,則選取SIk+11k+11中的節(jié)點(diǎn),以這些節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算加權(quán)質(zhì)心位置,該位置即匯聚節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)方向.其中以各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)流量和殘余能量綜合指標(biāo)做加權(quán)值.若匯聚節(jié)點(diǎn)需要移動(dòng),通過相關(guān)計(jì)算,則可以獲得匯聚節(jié)點(diǎn)的最大可移動(dòng)距離.第k+1輪匯聚節(jié)點(diǎn)上數(shù)據(jù)傳輸主要流程如下:a.接受各簇頭節(jié)點(diǎn)傳來的數(shù)據(jù)包;b.分析數(shù)據(jù)包,獲得單跳鄰居節(jié)點(diǎn)的ID、坐標(biāo)、數(shù)據(jù)流量和殘余能量;c.根據(jù)節(jié)點(diǎn)ID和數(shù)據(jù)流量,生成SIk+11k+11,并和SIk1k1進(jìn)行對(duì)比;若無變化,則跳轉(zhuǎn)到步驟e;若有變化,計(jì)算移動(dòng)方向和移動(dòng)距離;d.匯聚節(jié)點(diǎn)移動(dòng);e.等待下一輪傳輸.2.1節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)流量ti和殘余能量ei綜合指標(biāo)假設(shè)第k+1輪數(shù)據(jù)傳輸后匯聚節(jié)點(diǎn)需要移動(dòng).設(shè)SIk+11k+11中有n個(gè)節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)i坐標(biāo)為(xi,yi),匯聚節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)方向即加權(quán)的質(zhì)心位置方向.在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳蛔兊那闆r下,匯聚節(jié)點(diǎn)應(yīng)該向數(shù)據(jù)流量大、殘余能量少的節(jié)點(diǎn)方向移動(dòng).以各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)流量Ti和殘余能量Ei綜合指標(biāo)做加權(quán):wi=Τin∑i=1Ei/(Ein∑i=1Τi).wi=Ti∑i=1nEi/(Ei∑i=1nTi).假設(shè)加權(quán)質(zhì)心坐標(biāo)為(xp,yp),則有xp=16Ζn-1∑i=0(xiwi+xi+1wi+1)(xiyi+1-xi+1yi);yp=16Ζn-1∑i=0(yiwi+yi+1wi+1)(xiyi+1-xi+1yi),xp=16Z∑i=0n?1(xiwi+xi+1wi+1)(xiyi+1?xi+1yi);yp=16Z∑i=0n?1(yiwi+yi+1wi+1)(xiyi+1?xi+1yi),式中:Ζ=12n-1∑i=0(xiyi+1-xi+1yi)Z=12∑i=0n?1(xiyi+1?xi+1yi);xn=x0;yn=y0.2.2兩相性能參數(shù)p0ad的面積要使匯聚節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的路由影響不大,可采用下面兩種方式:a.以匯聚節(jié)點(diǎn)覆蓋最大變化率限制移動(dòng).該方法保證匯聚節(jié)點(diǎn)移動(dòng)后,至少要以α維持原覆蓋率.假定匯聚節(jié)點(diǎn)移動(dòng)了l,如圖2所示,即ˉΡ0Ρ1=lP0Pˉˉˉˉˉˉˉ1=l,匯聚節(jié)點(diǎn)從P0移動(dòng)到了P1.顯然ˉΡ0D=l/2,∠Ρ0AD=arcsin(ˉΡ0D/ˉΡ0A),∠Ρ0ADP0Dˉˉˉˉˉˉˉ=l/2,∠P0AD=arcsin(P0Dˉˉˉˉˉˉˉ/P0Aˉˉˉˉˉˉˉ),∠P0AD比較小,可以做如下近似:∠P0AD≈l/(2R).陰影部分的面積Sshadow=4(SP0AC-SP0AD),其中:SP0AC是扇形P0AC的面積;SP0AD是三角形P0AD的面積.定義α=Sshadow/Scircle,其中Scircle=πR2表示節(jié)點(diǎn)的覆蓋面積.要使節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍保持一定的穩(wěn)定性,則α需大于一個(gè)閾值.由于:SΡ0AD=ˉΡ0D?ˉAD/2≈Rl/4;SΡ0AC=[(π/2-∠Ρ0AD)/(2π)]πR2=(πR2-Rl)/4,SP0AD=P0Dˉˉˉˉˉˉˉ?ADˉˉˉˉˉ/2≈Rl/4;SP0AC=[(π/2?∠P0AD)/(2π)]πR2=(πR2?Rl)/4,因此α=(πR2-Rl-Rl)/(πR2),解之可得l=(1-α)πR/2.(2)b.以距離的數(shù)學(xué)期望限制移動(dòng).匯聚節(jié)點(diǎn)P0通信范圍內(nèi)任意一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)H,匯聚節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)保證節(jié)點(diǎn)H不會(huì)脫離其通信范圍.假定匯聚節(jié)點(diǎn)移動(dòng)了l,如圖3所示,即ˉΡ0Ρ1=l,匯聚節(jié)點(diǎn)從P0移動(dòng)到了P1.設(shè)ˉΡ0Η=x,計(jì)算節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍內(nèi)任意一點(diǎn)和圓相交的長度ˉAB的期望(可假定點(diǎn)H是均勻分布在圓內(nèi))E(ˉAB)=∫R02√R2-x2xRdx=πR2?節(jié)點(diǎn)和圓點(diǎn)距離的期望為E(ˉΡ0Η)=R√16-π2/4.要保證H不會(huì)由于移動(dòng)脫離其通信范圍,則最大移動(dòng)距離ˉΡ0Ρ1=ˉDΗ,于是有l(wèi)=R(1-√16-π2/4).(3)3覆蓋變化率的仿真實(shí)驗(yàn)使用NetworkSimulator2進(jìn)行仿真.匯聚節(jié)點(diǎn)初始位于矩形中心位置,傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)置為傳輸距離40m,節(jié)點(diǎn)初始能量1J,發(fā)射功率0.052W,接收功率0.059W,數(shù)據(jù)包大小1024bit.仿真主要是比較采用固定匯聚節(jié)點(diǎn)、隨機(jī)移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)和自主移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)的傳感器網(wǎng)絡(luò)性能.自主移動(dòng)策略中匯聚節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)距離可以采用以覆蓋變化率限制或以距離期望限制,這2種方式只是計(jì)算過程不一樣.令式(2)中的l與式(3)中的l相同,可得α=75.74%,該參考值也是最小可選的α值.在該覆蓋變化率下,上述2種方式計(jì)算得到的移動(dòng)距離是相同的.圖4顯示了在不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下,按照3種匯聚節(jié)點(diǎn)處理方式,傳感器節(jié)點(diǎn)每傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包給匯聚節(jié)點(diǎn)所消耗的平均能耗.L表示部署矩形區(qū)域長度.結(jié)果顯示網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越大,消耗的能量越大,因?yàn)橹欣^消耗的能量越大.自主移動(dòng)策略消耗的能量少于固定和隨機(jī)移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)策略.圖5顯示了不同節(jié)點(diǎn)初始能量E0狀態(tài)下節(jié)點(diǎn)的平均生存周期T.固定匯聚節(jié)點(diǎn)的生存周期隨著初始能量的增長而線性