1 引言

無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Network，WSN）作為下一代的信息獲取技術(shù)引起了世界各國的重視，日漸成為國內(nèi)外學術(shù)機構(gòu)的研究熱點。無線傳感器網(wǎng)絡通常是由大量傳感器節(jié)點通過射頻通信形成的一個自組織網(wǎng)絡系統(tǒng)。它通過對被監(jiān)測對象目標信息的感知，獲取和處理，提供給管理者以有用的信息，可以廣泛地應用于智能家居、醫(yī)療衛(wèi)生、工業(yè)控制、農(nóng)業(yè)種植、軍事預警以及防洪救災等特殊場合。但是，WSN與移動Ad Hoc網(wǎng)絡（MANET）是有著很大區(qū)別的，它們的通信方式、通信目的和網(wǎng)絡拓撲很不相同，尤其在能量來源方面，WSN是采用電池供電，路由算法對傳感器網(wǎng)絡的存活周期起著重要的影響，所以移動Ad Hoc網(wǎng)絡的路由協(xié)議不能完全適應于WSN，我們需要單獨研究適合于無線傳感器網(wǎng)絡的通信協(xié)議。

2動態(tài)拓撲能量有效成簇算法

針對層次路由協(xié)議中存在的各種問題，本文提出了適用于WSN的動態(tài)拓撲能量有效成簇算法(DTEE)。此算法引入基于能量因子的低復雜度的簇頭選擇機制，同時通過協(xié)議的設計使其支持節(jié)點部分離去或有新節(jié)點加入的拓撲動態(tài)傳感器網(wǎng)絡。在簇間數(shù)據(jù)傳輸上通過多跳算法使數(shù)據(jù)以最優(yōu)路徑傳向匯聚節(jié)點，系統(tǒng)能耗很小，網(wǎng)絡的生命周期最大化。

3．1網(wǎng)絡模型

本文中假設傳感器節(jié)點隨機分布在一個長方形形監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，并且該傳感器網(wǎng)絡具有以下性質(zhì)：

1) 網(wǎng)絡中所有傳感器節(jié)點都是同構(gòu)的，具有相同的初始能量，并且能量有限；

2) 傳感器節(jié)點的發(fā)送功率可以進行離散調(diào)節(jié)，可以根據(jù)傳輸距離的遠近來調(diào)節(jié)其發(fā)射功率

3) 匯聚節(jié)點具有較強的計算能力和較大的存儲容量，且能量無限制，其無線信號可以覆蓋整個傳感器網(wǎng)絡。

4) 傳感器網(wǎng)絡部署以后，可以出現(xiàn)部分節(jié)點隨著時間的推移而移動；

5) 傳感器節(jié)點具有數(shù)據(jù)融合功能。

6) 位置上相鄰的節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)具有很大的關聯(lián)性。

3．2能量模型

在無線傳輸中，信號強度隨著傳輸距離的增加而呈指數(shù)衰減。文獻[3]提出了兩種信道模型：自由空間(free space)模型和多路衰減(multi-path fading)模型。當發(fā)射器與接收器的距離d小于閾值時，采用自由空間模型，信號功率呈d2衰減；否則采用多路衰減模型，信號功率呈d⁴ 衰減。

3．3成簇策略

在LEACH算法中執(zhí)行過程是周期性進行的，每一輪包括簇的建立階段和穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸階段。在簇的建立階段，通過選舉使某個節(jié)點成為簇首節(jié)點，成為簇首的節(jié)點向周圍節(jié)點廣播消息，其他節(jié)點根據(jù)接收到的廣播消息的強度來選擇它所要加入的簇，并告知相應的簇首。在本文提出的DTEE算法中，也是以輪為形式周期進行的，但在簇頭選舉引入了能量因子，同時第一輪和以后輪的算法過程是不同的，從第二輪開始在成簇階段可以不用計算公式，相比LEACH及一些改進算法需要計算復雜公式的開銷，降低了復雜度，使簇頭選舉能量開銷最低，成簇過程中采用的非均勻成簇方法更是使網(wǎng)絡能量分布更加均衡。

由于本文采用的是簇內(nèi)單跳，簇間多跳的數(shù)據(jù)傳輸，因此離Sink節(jié)點遠的簇頭節(jié)點，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)量越少，能量消耗的慢；而離Sink節(jié)點越近的簇頭，其所承擔的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務越多，消耗能量越大，所以更容易出現(xiàn)能量耗盡而死亡的情況。為此，本文拋棄了傳統(tǒng)算法中采用的均勻分簇的方法，而是采用非均勻成簇的策略。使離Sink節(jié)點越近的簇，其規(guī)模越小一些，從而這些簇其簇內(nèi)路由及數(shù)據(jù)融合開銷小，又因為其所承擔的簇頭間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)開銷多，綜合起來無論離Sink遠還是近的簇頭都將能量相對均衡消耗，網(wǎng)絡生命周期得以最大化。

非均勻分簇的實現(xiàn)過程是這樣的：首先，Sink節(jié)點向網(wǎng)絡所在區(qū)域廣播一個NOTICE報文，網(wǎng)絡中所有節(jié)點根據(jù)接收到的此報文能量強度信息確定自己與Sink節(jié)點的距離d(i)。根據(jù)監(jiān)測區(qū)域范圍、傳感器節(jié)點個數(shù)以及能量自由空間模型確定網(wǎng)絡分層數(shù)n, 然后，本文采用文獻[14]中的均勻分層的方法，各節(jié)點所在的層號i=d(i)*n/R，R為監(jiān)測區(qū)域半徑。因為靠近Sink節(jié)點的簇規(guī)模小，簇內(nèi)節(jié)點少，也就是所在不同層次的節(jié)點成為簇頭的概率不一樣，各節(jié)點成為簇頭的最佳概率為pi=p/(i*i)。其中p為第一層節(jié)點成為簇頭的概率。將傳感區(qū)域進行劃分這個動作只出現(xiàn)在第一輪循環(huán)開始的時候，以后的循環(huán)過程不用再進行傳感區(qū)域劃分。

3．4簇頭選擇

之后開始第一輪的選舉，各節(jié)點產(chǎn)生一個隨機數(shù) r(n) ，并與T(n)進行比較，若r(n)小于T(n)，則節(jié)點自選舉成為簇頭。

G為這一輪循環(huán)中未成為簇首的節(jié)點的集合。

當節(jié)點成為簇頭后，以適當?shù)陌霃絉C廣播簇頭加入消息，周圍的節(jié)點根據(jù)接收信號強度決定加入哪個簇并發(fā)送一個請求加入消息。之后簇頭在接收到相關節(jié)點的請求加入消息后，建立TDMA調(diào)度表并廣播出去。簇內(nèi)節(jié)點在收到此消息后，在屬于自己的時隙內(nèi)打開無線電模塊開始數(shù)據(jù)傳送，在其它不屬于自己的時隙內(nèi)關掉通信功能以最大限度節(jié)省能量。在簇內(nèi)節(jié)點向簇頭發(fā)送數(shù)據(jù)報文時，在其中加入一個本節(jié)點此刻剩余能量的數(shù)據(jù)信息，供之后算法使用。

第二輪及以后輪的簇頭產(chǎn)生過程中，首先是上一輪的舊簇頭對收到各節(jié)點報文中含有的各節(jié)點能量信息及自己的剩余能量進行比較，從中選出剩余能量最大的節(jié)點為新簇頭，之后舊簇頭以半徑RC發(fā)出new_CH報文，報文中包括報文類型及新簇頭的ID，當指定的新簇頭收到此報文后發(fā)現(xiàn)ID與之相匹配，就廣播簇頭加入報文，其余節(jié)點再根據(jù)接收信號強度決定加入哪個簇頭，之后過程與第一輪相同。但在實際應用中，網(wǎng)絡節(jié)點有可能意外被移動了，或者出故障死亡了，這樣指定的新簇頭就可能不存在了，從而這一簇范圍內(nèi)節(jié)點由于沒收到簇頭加入報文就會整體停止工作，使網(wǎng)絡出現(xiàn)死區(qū)。考慮此方面，本文設定舊簇頭節(jié)點在一定的時間閾值內(nèi)若沒有指定的新節(jié)點發(fā)來的簇頭加入報文，它就確認指定的新節(jié)點被意味移動走了，從而它指定剩余能量第二多的節(jié)點為新節(jié)點，并發(fā)送新的new_CH報文。這樣新算法就支持了部分節(jié)點移動或者有新節(jié)點加入的動態(tài)拓撲的網(wǎng)絡。

同時本文設計所有節(jié)點在任一輪循環(huán)中，從收到簇頭加入報文或new_CH報文開始，啟動一個計時器Timer，若在最大時限Tmax內(nèi)沒有收到新的簇頭加入報文或new_CH報文，則啟動從第一輪開始新的簇頭選擇過程，相對于大多數(shù)算法只支持靜態(tài)網(wǎng)絡，本文的算法支持了小范圍地理位置變動的傳感器網(wǎng)絡。