|
|
|
| 集中式选取簇头的WSN拓扑控制算法研究||评职称论文代写 |
| 来源：http://www.lunwen133.com 时间：2012-09-06 14:16:21 |
|
|
集中式选取簇头的WSN拓扑控制算法研究||评职称论文代写
摘 要：本文针对无线传感器网络的拓扑控制技术问题进行研究，并在原LEACH算法的基础上做出部分改进，利用Sink节点进行集中选取簇头的方法，避免了能量消耗，延长了网络的生命期。
关键词：无线传感器网络；拓扑控制；LEACH；簇类
0 引言
在无线传感器网络（wireless sensor networks，WSNs）中，传感器节点一般采用能量有限的电池作为能源的嵌入式设备，它的计算和通信能力十分有限。因此，降低节点能耗，合理、高效地利用有限的计算和存储资源，使网络寿命最大化是无线传感器网络的首要设计目标及挑战。目前延长网络生命周期的关键技术主要是拓扑控制技术，即在满足网络连通度和覆盖度的前提下，以延长网络的生命期为主要目标，通过功率控制或骨干网节点的选择，剔除节点间不必要的物理通信链路，生成一个能量高效的数据转发的优化网络拓扑结构。对于自组织的无线传感器网络而言，网络拓扑控制对网络性能影响很大，良好的拓扑控制能够提高路由协议和MAC协议，为数据融合、时间同步和目标定位等很多方面提供基础，有利于延长整个网络的生存时间。因此，拓扑控制技术是无线传感器网络研究的基本问题，也是研究的核心重点问题之一。
1 相关拓扑算法概述
目前，已有大量的拓扑控制方法，主要包括节点的功率控制与层次性拓扑结构控制两个方面。功率控制技术主要包括统一分配功率算法COMPOW、基于节点度的LMN/LMA算法【1】、基于邻近图的RNG【2】、DRNG、DLSS等算法；层次性拓扑控制算法主要包括LEACH、HEED、GAF、TopDisc【3】等算法。除此之外，也提出了启发式的节点唤醒和休眠机制，该机制能够使节点在没有事件发生时设置通信模块为睡眠状态，而在有事件发生时及时自动醒来并唤醒邻居节点，形成数据转发的拓扑结构，但它不能够单独使用，需要与其他拓扑控制算法结合使用。
1.1 LEACH算法工作流程
在上述所有各类算法中，低功耗自适应集簇分层（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy，LEACH）是最早提出的一种层次性拓扑控制算法，后来的很多分簇拓扑控制算法都是在其基础上形成起来的。它包括簇的建立阶段和稳定的数据通信阶段。在簇的建立阶段，相近节点动态形成簇，随机产生簇头；在数据通信阶段，簇内节点把数据发送给簇头，由簇头节点进行数据融合并把数据发送给汇聚节点。簇头节点管理簇内各节点又要负责簇内外的数据转发，因而需要消耗更多的能量。为此，LEACH算法等概率地随机选择节点来充当簇头节点。
LEACH算法分成若干个周期，如图1.1所示。两次重选簇头节点之间的时间间隔为一个周期。每一个周期包含簇的建立阶段和稳定的数据通信阶段。簇的建立阶段用于簇头的形成以及其他的一些初始化操作，而稳定状态阶段完成正常的数据传输功能。
图1 LEACH的两个阶段
1.2 簇头选择
簇头节点的选取位于初始化的簇的建立阶段。LEACH算法中节点每轮以下面的概率当选簇头：
式中: P——簇头在所有节点中所占的百分比；
r——选举轮数，rmod（1/p）代表这一轮中当选过簇头节点的个数；
G——这一轮循环中未当选过簇头的节点集合。
节点当选簇头以后，发布消息告知其他节点自己是新簇头。非簇头节点根据自己与簇头之间的距离来选择加入那个簇，并告知该簇头。当簇头接收到所有的加入信息后，就产生一个TDMA定时信息，并且通知该簇中所有节点，簇内节点收到这个消息后，它们就会在各自的时间槽内发送数据。经过一段时间的数据传输，簇头节点收齐簇内节点发送的数据后，运行数据融合算法来处理数据，并将结果直接发送给汇聚节点。
2 改进算法LEACH-C
上述算法的簇头选取位于建立阶段，LEACH在簇头选取上无论从数量上还是分布位置上常常呈现不稳定的状态，而且它采用分布的方式决定哪些节点成为簇头，这样经LEACH算法选举出的簇头的分布并不均匀，建立的簇结构也并不是最优的。在某些情况中，簇头节点可能会分布得过于集中，以至于有些节点并不能成功加入到任一个簇中,这是需要改进的方面。为此，本文提出一种新的LEACH-C算法，该算法主要在簇头选取的初始化建立阶段，采用中心控制协议由Sink节点来决定哪些节点成为本轮的簇头，以保证簇头节点的分布相对均匀，优化簇的结构，以均衡消耗节点能量，延长网络的生命周期。
2.1 簇的选取阶段
这一阶段的主要工作是确定选取那些节点为簇头节点，并和其他近邻节点形成一个簇结构，然后簇头分配各节点的TDMA时间片。在LEACH-C协议中，初始化建立阶段开始时，每一个节点将发送自己的当前位置信息和能量信息到Sink节点。Sink节点根据这些信息来决定簇结构，它通常会选取位置相对均匀，能量相对较大的节点为簇头节点，这一流程如图3.1所示。
|
每个节点向Sink节点发送自己的ID、位置和能量信息
|
图2 簇头建立初始化阶段流程图
Sink节点根据各节点的位置和能量信息决定若干簇头节点，在确定了整个网络的簇结构后，将广播一条公告信息，此消息包含簇头节点的ID、位置和能量等信息，然后其它非簇头节点在收到信息后综合考虑比较选择一个距离平方和最小的簇头节点作为自己的簇头节点。接着各非簇头节点向自己决定加入的簇头节点发出加入请求，此请求包含发送节点的ID号。
该阶段的最后一步就是确定簇内各成员节点的TDMA时间片。簇头节点根据加入的成员节点的数量安排TDMA时间片，并将安排结果发送给簇内成员节点。至此，初始化阶段全部完成。
3.2 稳定阶段
当簇内节点收到这个信息后，它们就会在各自的时间槽内发送数据。该阶段簇内使用TDMA方式进行通信，为了节省能量，各节点根据信号强度来调整自己的信号发送功率，以使得信号刚好能被簇头节点接收。经过一段时间的传输，簇头节点收齐簇内节点发送的数据后，运行数据融合算法来处理数据，并将结果直接发送给汇聚节点。
5 结语
本文主要阐述了无线传感器网络的拓扑控制技术问题，并在LEACH算法的基的础上做出了一定的改进，采用Sink节点中心控制集中选取簇头，有效地解决了原算法分布不均匀的缺点，延长了网络寿命。但是该算法还存在一定的缺陷和不足，需要不断改进和完善。
【参考文献】
[1] RAMANATHAN R，ROSALES H R. Topology control of multihop wireless networks using transmit power adjustment[C].Proceedings of IEEE INFOCOM,
2002:404-413
[2] JAROMCZYK J W,TOUSSAINT G T.Relative neighborhood graphs and their relatives[J]. Proceeding of the IEEE,2002,80(9):1502-1517
[3] 孙利民，李建中，陈渝等.无线传感器网络[M].北京：清华大学出版社，2005
[4] 刘玉华，赵永锋.无线传感器网络LEACH协议的研究[J].计算机工程与应用，
2010，46（17）：117-120
[5] 陈英，舒坚，陈宇斌等.无线传感器网络技术研究[J].传感器与微系统，2007，
（10）||评职称论文代写
本文经133学术网整理提供，所有文章均已经发表并上网，只作参考学习用途。
|
|
|
