无线传感器网络能量均衡的分簇拓扑控制算法研究

摘要

无线传感器网络作为一门多个研究领域的交叉学科，一直以来都是国际信息领域的研究热点。无线传感器网络中，节点自组织成网，实时协作感知、采集、融合和处理覆盖区域的信息，通过无线通信方式将信息传送到基站。其自组织、分布式、以数据为中心等特点，使其在军事、建筑节能、环境监测、医疗、商业等领域的应用越来越广泛和深入。由于无线传感器网络又具有规模大、节点能量和通信能力高度受限，电池更换不便等特点，节省网络能量、最大限度延长网络生命期就成为了网络协议设计的首要目标。拓扑控制是无线传感器网络核心支撑技术之一，也是节能技术之一，它不仅可以优化网络拓扑结构，同时也为其他网络层的算法提供支撑平台，对其研究有重要意义。
　　 本文在分析了无线传感器网络已有拓扑控制算法的优缺点的基础上，针对层次型分簇拓扑控制算法存在的网络能量消耗不均问题及“热区”现象，提出了一种能量均衡的非均匀分簇拓扑控制算法EBUC(an Energy-Balanced UnequalClustering Algorithm)。EBUC算法采用非均匀分簇方式，构建规模大小不等簇，使靠近基站簇的簇规模小于远基站的簇，使近基站的簇首可以为簇间数据转发预留能量，从而达到均衡网络能量消耗的目的。算法主要由非均匀簇拓扑的建立和簇间多跳路由机制两个阶段组成。算法在选择簇首节点时，引入候选簇首机制，考虑剩余能量，避免低能量节点当选的不足；候选簇首根据节点剩余能量、离基站的距离两个因素来确定非均匀竞争半径；正式簇首的竞选以节点相对于其邻居候选簇首的能量水平为依据，根据竞争/退出机制，使能量水平高的节点优先成为簇首节点；簇间采用多跳路由机制，节点选择离基站近且能量高的节点为下一跳转发节点。仿真实验表明，EBUC算法相对于LEACH、LEACH-E、EEUC算法，在簇拓扑稳定性、网络能耗均衡性和网络的生命周期方面有很好的表现。