低能耗節(jié)點(diǎn)位置未知無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)控制方案

摘要：介紹了一種低能耗節(jié)點(diǎn)位置未知的網(wǎng)絡(luò)控制方案，根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行輪數(shù)設(shè)定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信半徑，使網(wǎng)絡(luò)具有良好的能量有效性。網(wǎng)絡(luò)中基站經(jīng)過(guò)構(gòu)建階段的啟動(dòng)過(guò)程、節(jié)點(diǎn)信息收集過(guò)程和節(jié)點(diǎn)信息上報(bào)過(guò)程，獲得了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置分布，然后整合節(jié)點(diǎn)-節(jié)點(diǎn)信息支路，得到具有回路鏈接的簇首節(jié)點(diǎn)集，其他節(jié)點(diǎn)根據(jù)自己鄰居信息選擇簇首節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)近似最小能耗拓?fù)涞臉?gòu)建。通過(guò)仿真與同類(lèi)典型算法LEACH-C、MCLB進(jìn)行比較，結(jié)果顯示該方案應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)具有更長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)生命周期、更少的信息總數(shù)和更低的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建代價(jià)。
關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；低能耗；節(jié)點(diǎn)位置未知；能量有效性

0 引言
    無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由一個(gè)基站和大量的傳感節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。傳感節(jié)點(diǎn)通常被隨機(jī)放置在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，基站負(fù)責(zé)指導(dǎo)傳感節(jié)點(diǎn)工作并且收集傳感節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到的信息，并將環(huán)境信息報(bào)送至監(jiān)控中心。通常，傳感節(jié)點(diǎn)體積很小且具有感知周?chē)h(huán)境信息、數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)和無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)三個(gè)基本功能。無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)在應(yīng)用時(shí)受到很多限制如處理速度慢、存儲(chǔ)容量小、電能有限等，而基站具有外部電源支持，處理能力比傳感節(jié)點(diǎn)強(qiáng)大很多，它負(fù)責(zé)收集傳感節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)信息并轉(zhuǎn)發(fā)給用戶。由于無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)的能量有限性，降低能量消耗、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期，成為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)。
    分簇算法應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議設(shè)計(jì)，被認(rèn)為是一種減少網(wǎng)絡(luò)能量消耗的有效辦法。它通過(guò)選擇一部分傳感節(jié)點(diǎn)作為簇首節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)暫時(shí)固定的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，各簇首節(jié)點(diǎn)接收鄰居簇首節(jié)點(diǎn)、簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)感知的環(huán)境信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，剔除冗余信息，并轉(zhuǎn)發(fā)至基站。這一類(lèi)的經(jīng)典算法有：文獻(xiàn)LEACH-C是一種集中的聚類(lèi)算法。在啟動(dòng)階段，基站接收網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的包含他們位置以及能量狀態(tài)的信息?；具\(yùn)行本地算法獲得簇首以及分簇表，然后廣播包含簇首ID信息給每一個(gè)節(jié)點(diǎn)。簇頭確定后，普通節(jié)點(diǎn)選擇離其最近的簇頭加入該簇頭所管轄的區(qū)域，進(jìn)而形成簇區(qū)域。協(xié)議維護(hù)階段與LEACH是一致的。簇的建立過(guò)程在每一輪里都需要進(jìn)行一次，從而產(chǎn)生了很多的能量消耗和傳輸延遲。文獻(xiàn)MCLB算法首先找出網(wǎng)絡(luò)中的冗余節(jié)點(diǎn)作為臨時(shí)簇頭，并隨機(jī)選擇一定數(shù)量的具有高的剩余能量的節(jié)點(diǎn)為簇頭，臨時(shí)簇頭和簇頭構(gòu)成了一個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層，而其他節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了一個(gè)數(shù)據(jù)收集為主要功能的底層，簇頭廣播hello消息并找到屬于本簇的節(jié)點(diǎn)從而完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)的分簇。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)上，存在節(jié)點(diǎn)-節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)-簇頭和簇頭-簇頭多跳轉(zhuǎn)發(fā)至基站的混合模式，該算法中由于簇頭的位置具有隨機(jī)性，為了保
證數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的可靠連通，因此每個(gè)節(jié)點(diǎn)必須以較大的發(fā)射功率進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)而產(chǎn)生了不必要的能量浪費(fèi)。文獻(xiàn)提出的算法CDC將網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分簇，每一簇自行選擇一個(gè)簇頭。簇頭承擔(dān)起收集簇內(nèi)成員信息并進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，然后再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給基站，并且依據(jù)信息選擇下一輪的簇頭。一旦簇內(nèi)有節(jié)點(diǎn)死亡，簇首將發(fā)送信息給基站，對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行重新分簇，否則簇首選擇能量最多的節(jié)點(diǎn)作為下一輪的簇首。
    本文提出一種新的網(wǎng)絡(luò)控制方案由網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建階段和網(wǎng)絡(luò)維護(hù)階段組成。在網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建階段本文借鑒了文獻(xiàn)的思想，設(shè)計(jì)了一種節(jié)約能耗的構(gòu)建方法，首先由基站發(fā)出拓?fù)錁?gòu)建信息，每個(gè)節(jié)點(diǎn)完成對(duì)父節(jié)點(diǎn)和鄰居節(jié)點(diǎn)信息的收集并將信息在特定的時(shí)刻傳輸給自己的父節(jié)點(diǎn)，基站通過(guò)獲得的全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)信息選擇一部分具有冗余連接的簇頭節(jié)點(diǎn)集，完成了一種期望的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮匦圆⒈ＷC了網(wǎng)絡(luò)的連通性。一旦網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建完成，就進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)維護(hù)階段，在該階段每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的需要轉(zhuǎn)換到特定的角色，當(dāng)簇頭節(jié)點(diǎn)集中的一節(jié)點(diǎn)能量下降到一定值時(shí)，由它提出網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的兩個(gè)階段狀態(tài)交替進(jìn)行直到網(wǎng)絡(luò)不能正常運(yùn)行。本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)控制方案與文獻(xiàn)LEACH-C算法和文獻(xiàn)的MCLB算法進(jìn)行仿真比較網(wǎng)絡(luò)的生命期、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建信息交替情況和網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建代價(jià)。結(jié)果顯示本文提出的方案應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)具更長(zhǎng)的生命周期、更少的構(gòu)建階段信息總數(shù)和更低的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建代價(jià)。

1 系統(tǒng)模型
    在本算法中，傳感節(jié)點(diǎn)周期性的充當(dāng)簇頭節(jié)點(diǎn)或者普通節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)隨機(jī)均勻放置N個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)，其中有一個(gè)節(jié)點(diǎn)為基站，在本文所提出的控制方案中，進(jìn)行了以下幾點(diǎn)假設(shè)：
    (1)每個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)被賦于一個(gè)惟一的標(biāo)號(hào)，傳感節(jié)點(diǎn)的能量有限，而基站有專門(mén)的供電系統(tǒng)。
    (2)每個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)可根據(jù)需要調(diào)整自己的發(fā)射功率，最大發(fā)射功率滿足它們連接網(wǎng)絡(luò)中離它最遠(yuǎn)的傳感節(jié)點(diǎn)。
    (3)所有傳感節(jié)點(diǎn)的位置不會(huì)發(fā)生移動(dòng)，位置未知，具備通過(guò)接收信號(hào)的衰減程度來(lái)計(jì)算與信號(hào)發(fā)送方的距離。

2 LEPN網(wǎng)絡(luò)控制方案
    LEPN控制方案下的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行是基于輪的，每輪包含網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和網(wǎng)絡(luò)維持兩大階段。在每一輪里，由基站定義各節(jié)點(diǎn)以一個(gè)特定的相同發(fā)射功率進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，構(gòu)建一個(gè)基于UDG(Unit Disk Graph)模型的分簇網(wǎng)絡(luò)來(lái)感知周?chē)h(huán)境信息并將信息可靠的由簇頭-簇頭多跳轉(zhuǎn)發(fā)至基站的過(guò)程，本方案主要針對(duì)應(yīng)用在任務(wù)艱巨、節(jié)點(diǎn)隨機(jī)布置的一些場(chǎng)合，因此設(shè)計(jì)時(shí)需滿足兩個(gè)基本的約束條件：形成的簇頭節(jié)點(diǎn)集可提供一個(gè)可靠的數(shù)據(jù)包多跳轉(zhuǎn)發(fā)能力；本方案具備的能量有效性應(yīng)該和現(xiàn)有的基于分簇的網(wǎng)絡(luò)控制方案相當(dāng)或者更好。為了滿足這些約束，LEPN網(wǎng)絡(luò)控制方案所確定的簇頭最終形成一條連通的閉合回路保證信息成功多跳轉(zhuǎn)發(fā)至基站，具有可靠性和能量有效性，因?yàn)榛竟?jié)點(diǎn)獲得信息轉(zhuǎn)發(fā)路徑是閉合回路，具備的冗余性以防止信號(hào)在傳輸過(guò)程由于鏈接失敗而造成信息傳輸失??；而該方案的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不需要節(jié)點(diǎn)的位置和方向信息，從而節(jié)約了節(jié)點(diǎn)的硬件成本投入。
2．1 LEPN網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建階段
    每一輪的LEPN網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建階段分為四個(gè)子過(guò)程，首先由基站設(shè)定本輪節(jié)點(diǎn)通信的發(fā)射功率，發(fā)起網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，接下來(lái)各個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收信號(hào)的衰減程度判斷與信號(hào)發(fā)送者的距離以完成信息的收集，當(dāng)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都完成信息的收集，就進(jìn)入了信息上報(bào)過(guò)程，直至基站，基站根據(jù)接收到的信息情況選擇簇頭節(jié)點(diǎn)集，再將包含簇頭節(jié)點(diǎn)的消息逐層傳遞給網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)通過(guò)接收到的信息來(lái)判斷自己在接下來(lái)的幾輪里是否成為回路中的簇頭節(jié)點(diǎn)以承擔(dān)環(huán)境信息監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的任務(wù)還是普通簇頭節(jié)點(diǎn)融合本簇內(nèi)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)再轉(zhuǎn)發(fā)，或者普通節(jié)點(diǎn)。用(如圖1)一個(gè)13節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建過(guò)程來(lái)簡(jiǎn)單描述(粗實(shí)線表示可以構(gòu)成父子關(guān)系的簇首鏈接，細(xì)實(shí)線表示構(gòu)成鄰居關(guān)系的簇首鏈接，虛線表示構(gòu)成簇首與簇內(nèi)成員的鏈接)。

2．1．1 基站啟動(dòng)過(guò)程
    當(dāng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)剛剛布置完畢或者基站接收到某節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的消息，并且基站中保存的簇頭節(jié)點(diǎn)集已經(jīng)使用完畢(若基站中尚有未使用的簇頭節(jié)點(diǎn)集，那么網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建階段直接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)建過(guò)程，這樣有效的減少了網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建代價(jià))，基站進(jìn)入了啟動(dòng)過(guò)程，首先它根據(jù)網(wǎng)絡(luò)已運(yùn)行的輪數(shù)設(shè)定下一輪各節(jié)點(diǎn)通信所采用的發(fā)射功率，基站節(jié)點(diǎn)以該發(fā)射功率廣播hello消息(HM)并啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器1以等待它的子節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的HM，一幀完整的HM包含父節(jié)點(diǎn)標(biāo)號(hào)、本節(jié)點(diǎn)標(biāo)號(hào)、發(fā)射功率值、本節(jié)點(diǎn)的剩余能量以及充當(dāng)簇頭的最低剩余能量值，基站發(fā)出的HM里父節(jié)點(diǎn)的內(nèi)容為基站本身的標(biāo)號(hào)。見(jiàn)圖1(a)，節(jié)點(diǎn)B，C，E，I，J，K，L，M接收到了基站A發(fā)來(lái)的HM。
2．1．2 節(jié)點(diǎn)信息收集過(guò)程
    一旦節(jié)點(diǎn)接收到HM，就表明網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建階段到了節(jié)點(diǎn)信息收集過(guò)程，如圖1(a)中，節(jié)點(diǎn)B，C．E，I，J，K，L，M接收到一個(gè)HM，就開(kāi)始判斷本節(jié)點(diǎn)與HM發(fā)送者之間的相對(duì)距離，如果該距離小于本輪通信距離的一半(R／2)，則認(rèn)定該HM發(fā)送者為自己的簇首節(jié)點(diǎn)，如節(jié)點(diǎn)I，K，L認(rèn)定A為它們的簇首，于是它們向A發(fā)送一幀簇首確認(rèn)消息，就進(jìn)入了睡眠狀態(tài)，關(guān)閉發(fā)射模塊，等待網(wǎng)絡(luò)的維持階段到來(lái)再轉(zhuǎn)換到數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)狀態(tài)。離A較遠(yuǎn)(相對(duì)距離大于R／2)的節(jié)點(diǎn)M，B，J，E，C，如果節(jié)點(diǎn)的剩余能量足夠充當(dāng)簇首節(jié)點(diǎn)的，則廣播一幀包含本節(jié)點(diǎn)剩余能量信息的競(jìng)爭(zhēng)簇首消息(CM)并啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器2(定時(shí)時(shí)間小于定時(shí)器1)，定時(shí)器2到達(dá)后，各節(jié)點(diǎn)對(duì)R／2范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行判斷，如果得知本節(jié)點(diǎn)能量最大，則設(shè)定自己為簇首節(jié)點(diǎn)并成為A的子節(jié)點(diǎn)，然后廣播發(fā)送HM，如M，J，E，D，A將接收到B節(jié)點(diǎn)的HM，M，J認(rèn)定B為簇首，見(jiàn)圖1(b)，而A接收到B節(jié)點(diǎn)得知B為自己的子節(jié)點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)C在定時(shí)器2結(jié)束后，發(fā)現(xiàn)R／2范圍內(nèi)無(wú)其他節(jié)點(diǎn)與之競(jìng)爭(zhēng)，也設(shè)自己為簇首節(jié)點(diǎn)并認(rèn)A為父節(jié)點(diǎn)發(fā)送HM；假使J也在E的R／2范圍內(nèi)，且能量高于E節(jié)點(diǎn)，E接收不到J的HM，卻接收到其他父節(jié)點(diǎn)為A節(jié)點(diǎn)的HM(如B，C)時(shí)，E節(jié)點(diǎn)認(rèn)定自己為簇首節(jié)點(diǎn)，并發(fā)送HM消息，此時(shí)BE，EC之間接收到HM消息，即認(rèn)定相互之間為簇首間的鄰居成員并計(jì)算存儲(chǔ)他們之間的相對(duì)距離與鄰居節(jié)點(diǎn)的剩余能量，見(jiàn)圖1(c)；如果某節(jié)點(diǎn)的能量太小，不足以充當(dāng)簇首節(jié)點(diǎn)，那么，它會(huì)選擇離自己較近的一個(gè)簇首節(jié)點(diǎn)，加入該簇。某節(jié)點(diǎn)一旦有了父節(jié)點(diǎn)，就認(rèn)定該節(jié)點(diǎn)處于被覆蓋狀態(tài)。而且當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)有了子節(jié)點(diǎn)，那么它就進(jìn)入了活躍狀態(tài)，開(kāi)始等待信息上報(bào)過(guò)程的到來(lái)。按照這種方式，所有的節(jié)點(diǎn)都接收到HM消息，但是如圖1(d)所示，節(jié)點(diǎn)G，F(xiàn)，H，C廣播HM后，在設(shè)定的定時(shí)器1時(shí)間到達(dá)內(nèi)未接收到任何認(rèn)定它們?yōu)楦腹?jié)點(diǎn)的HM，因此它們認(rèn)為信息收集過(guò)程結(jié)束，并由它們發(fā)起進(jìn)入信息上報(bào)過(guò)程。
2．1．3 節(jié)點(diǎn)信息上報(bào)過(guò)程
    在節(jié)點(diǎn)信息上報(bào)過(guò)程中，只有充當(dāng)父子關(guān)系的節(jié)點(diǎn)，同時(shí)，也是扮演簇首角色的節(jié)點(diǎn)，發(fā)送它的鄰居序列給自己的父節(jié)點(diǎn)。在本例中，完成信息收集過(guò)程后，A，B，C，D，E，F(xiàn)，G，H成為簇首成員。簇首F是G的鄰居。因此，簇首G發(fā)送{FG}以及FG的相對(duì)距離的消息給它的父節(jié)點(diǎn)D。這些節(jié)點(diǎn)的組合方式為構(gòu)成一定性質(zhì)的簇頭-簇頭鏈接的提供了可靠的信息，每個(gè)父節(jié)點(diǎn)都在等待著它的所有子節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的上報(bào)消息，再添加自己的信息，發(fā)送給自己的父節(jié)點(diǎn)。如簇首節(jié)點(diǎn)D接收到它的子簇頭節(jié)點(diǎn)G發(fā)送來(lái)的消息后，它就發(fā)送有{FGD}，{FD}，{ED}路徑信息給節(jié)點(diǎn)B，依次進(jìn)行信息傳遞，最終的信息將匯聚至基站。當(dāng)基站節(jié)點(diǎn)接收到所有子節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的上報(bào)信息，則網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建進(jìn)入了下一過(guò)程。在信息上報(bào)過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)發(fā)送完上報(bào)消息后就進(jìn)入睡眠狀態(tài)，關(guān)閉發(fā)射模塊以保存能量。
2．1．4 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)建過(guò)程
    網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)建過(guò)程在基站節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行，當(dāng)基站A接收到所有子簇頭節(jié)點(diǎn)(BCE)發(fā)送來(lái)的上報(bào)信息，就開(kāi)始對(duì)支路進(jìn)行整合，如果兩條數(shù)據(jù)通路有共同的節(jié)點(diǎn)，如{ABDF}和{AEFD}兩條支路有兩個(gè)共同的節(jié)點(diǎn)A，F(xiàn)，那么可以組合出一個(gè)具有閉合回路的數(shù)據(jù)通道ABDFEA，對(duì)于不同的回路也根據(jù)判斷是否有共同節(jié)點(diǎn)而對(duì)它們進(jìn)行整合成更大的閉合回路。一旦基站完成選擇多個(gè)構(gòu)成回路的簇頭集，它開(kāi)始為其他簇頭節(jié)點(diǎn)以盡少的步數(shù)連接到某一回路簇頭節(jié)點(diǎn)，在基站A處，將形成多個(gè)具有回路性質(zhì)的簇頭-簇頭節(jié)點(diǎn)集，基站將選擇其中一個(gè)簇頭集信息廣播給網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)通過(guò)判斷基站的廣播信息(簇頭-簇頭之間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的路由信息)，決定自己是充當(dāng)回路簇頭或支路簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、融合、轉(zhuǎn)發(fā)，或者充當(dāng)普通簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)周?chē)h(huán)境的監(jiān)測(cè)。至此進(jìn)入了網(wǎng)絡(luò)維持階段。
2．2 LEPN網(wǎng)絡(luò)維持階段
    網(wǎng)絡(luò)維持階段，簇頭將根據(jù)簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目為每個(gè)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)分配TDMA時(shí)間表。簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)持續(xù)采集周?chē)h(huán)境信息，并在自己的通信時(shí)隙內(nèi)以單跳通信的方式將數(shù)據(jù)傳送給相應(yīng)的簇頭。為了有效節(jié)約節(jié)點(diǎn)能耗，普通節(jié)點(diǎn)的發(fā)送器在不屬于自己通信的時(shí)隙進(jìn)入睡眠狀態(tài)；而簇頭必須使自己的接收器時(shí)刻處于開(kāi)啟狀態(tài)，以便接收簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的所有數(shù)據(jù)。簇頭節(jié)點(diǎn)接收到簇內(nèi)所有的數(shù)據(jù)后，將對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)融合處理，然后根據(jù)路由信息將數(shù)據(jù)經(jīng)簇頭-簇頭多跳傳輸至基站。

3 仿真實(shí)驗(yàn)
    無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)的能量有限性決定節(jié)點(diǎn)能量的高效使用是網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)，也是延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期的一種有效手段。本文仿真設(shè)定在30 km×30 km的監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，將200個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布，節(jié)點(diǎn)的通信半徑在5～45 km內(nèi)可調(diào)。為了便于計(jì)算節(jié)點(diǎn)收發(fā)信息的能量消耗，使用文獻(xiàn)所描述的無(wú)線通信模型：
    以通信半徑為d發(fā)射n比特的數(shù)據(jù)所需要的能量消耗：
   
    仿真參數(shù)如表1所示。LEPN協(xié)議運(yùn)行過(guò)程節(jié)點(diǎn)的通信半徑和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行輪數(shù)之間關(guān)系如圖2所示。

    圖3～圖5分別顯示了網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建階段的節(jié)點(diǎn)初始分布圖、基站獲得的父子關(guān)系鏈接圖以及一個(gè)有效的簇頭-簇頭以及與普通節(jié)點(diǎn)之間關(guān)系的鏈接圖。為了對(duì)比LEPN方案的有效性，本文分析了LEACH-C、MCLB算法的運(yùn)行情況，并對(duì)比了網(wǎng)絡(luò)生存周期、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的能量消耗、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建代價(jià)等情況，如圖6～圖8所示。

    通常用網(wǎng)絡(luò)第一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡的時(shí)間、一半節(jié)點(diǎn)死亡的時(shí)間和最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡的時(shí)間來(lái)分析網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間長(zhǎng)短。因?yàn)榛诜执厮惴ㄐ枰鄠€(gè)節(jié)點(diǎn)才能正常運(yùn)行，因此本文中用60％的節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)間代替最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)間。如圖6所示，MCLB的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡比較早，這是因?yàn)镸CLB里有一部分簇頭節(jié)點(diǎn)一直承擔(dān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)而快速消耗能量，而LEACH-C和LEPN的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)的死亡時(shí)間相差不多，從圖中可見(jiàn)在相同節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)LEPN比MCLB和LEACH-C經(jīng)歷的輪數(shù)都要多，從而驗(yàn)證了該方案可以更有效地延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生存周期。
    圖7顯示了基站在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程接收到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包的總數(shù)，在LEACH-C、MCLB和LEPN協(xié)議中每個(gè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包均經(jīng)過(guò)單跳傳輸至簇頭，然后在簇頭節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)融合，LEACH-C協(xié)議中簇頭將處理過(guò)的信息經(jīng)單跳發(fā)給基站，而MCLB和LEPN經(jīng)簇頭間多跳并數(shù)據(jù)融合再傳輸至基站，這樣大大地減少了傳輸?shù)交镜臄?shù)據(jù)包數(shù)量。由圖7可以看出LEPN優(yōu)于LEACH-C和MCLB。

    圖8顯示了平均每輪網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建階段的能量消耗，由本論文所提出的方案無(wú)需在每一輪的開(kāi)始都經(jīng)歷構(gòu)建階段中比較耗能的節(jié)點(diǎn)信息收集過(guò)程和節(jié)點(diǎn)信息上報(bào)過(guò)程，因此大大減少了本方案的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建代價(jià)，LEPN的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建代價(jià)只有LEACH-C的74．6％，MCLB的47．1％。

4 結(jié)語(yǔ)
    本文介紹了一種低能耗的節(jié)點(diǎn)位置未知的網(wǎng)絡(luò)控制方案，根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行輪數(shù)設(shè)定網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的通信半徑，使得網(wǎng)絡(luò)具有更好的能量有效性?；就ㄟ^(guò)構(gòu)建階段中的啟動(dòng)過(guò)程、節(jié)點(diǎn)信息收集過(guò)程和節(jié)點(diǎn)信息上報(bào)過(guò)程，獲得了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置分布，然后基站整合節(jié)點(diǎn)信息支路，得到若干具有回路鏈接的簇頭節(jié)點(diǎn)集，保證網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)傳輸上具有更好的可靠性。本文所提出的方案，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)與同類(lèi)典型算法LEACH-C，MCLB進(jìn)行比較，表明LEPN可以延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存周期，減少監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包總數(shù)和有效的降低網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建代價(jià)。但是本文提出的方案中，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行輪數(shù)與通信半徑之間的關(guān)系暫缺乏一定的依據(jù)，在相同的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行輪數(shù)下，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用不同的通信半徑，較大地影響了運(yùn)行結(jié)果，在接下來(lái)的工作中，將對(duì)該方面進(jìn)行更深入的探討。