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能量高效的异类无线传感器网络分簇算法研究 祝颖徐红兵肖俊 电子科技大学自动化工程学院成都610054 摘要：随着传感器网络的发展，如何减小传感器网络的能量消耗、延长使用寿命已经成为传 感器网络结构设计的一个重要问题．研究表明采用分簇结构可以提高能量利用效率，然而，大部 分现有的簇构造方法都是在网络具有同类传感器节点(即每个节点具有相同的最大能量传输 范围)模式下进行的．这些方法大都不能直接运用到具有不同节点的网络结构中．为此本文提出 了一种利用局部拓扑控制算法进行优化的分簇方法．实验结果表明运用该算法分簇，网络的能 量效率明显提高，簇头的负担明显减轻。 关键词：异类、分簇、局部优化度 1 引言 微机电系统和无线通信技术的快速发展孕育了无线传感器网络。无线传感器网络可应用 于布线和电源供给困难的区域、人员不能到达的区域(如受到污染的区域、环境被破坏的区域 或敌对区域)等。在这些应用中，由于传感器节点的能量不易补充，如何提高能量效率成为传 感器网络研究的重大问题。 传感器网络一般由分布于传感区域的大量传感器节点和一个或多个基站组成。节点负责 收集数据，并将收集的数据传送到基站，基站接收到数据后对数据进行处理。由于传感器节 点大量的随机分布在传感区域内，在传感器节点密集的区域会产生大量的冗余数据。利用分 簇的方法先将各节点的数据传送到它们各自对应的簇头，在簇头进行数据融合后再将数据传 送给基站将大大减小数据传送所需的能量，有效降低网络的能量清耗。 现有的分簇算法都是在假定传感器节点完全相同(同类传感器网络)的状况下进行的 【1112113】，他们大都存在以下缺点： ·由于簇头消耗的能量远大于其它传感器节点，簇头节点的能量会被很快耗尽，所以只 有频繁的替换簇头来维持网络连接，这样周期性的选择簇头又带来了更多的能量开 销，增加了网络的负担。 ·多数分簇算法中，簇成员都必须和簇头直接通信，这样既限制了簇的规模，又加重了 簇头的负担，更加快了簇头节点的死亡。 本文提出了一种利用局部拓扑控制算法进行优化的分簇算法，它克服了现有分簇算法的 缺点，增加了簇头的能量，减小了簇头的负担，从而延长了簇头节点的寿命。避免了频繁更 换簇头带来的网络开销，合理的减小了网络的能量消耗。 ·500· 2算法描述 2．1 传感器网络模型 本文针对如下网络模型进行传感器网络分簇方法的研究：该传感器网络由两类节点组成 ——数据采集节点和数据传送节点。每个传感器节点具有不同的最大传输能量。数据采集节 ，南负责数据采集，采用普通的传感器节点，能量较小；数据传送节犋有较大的能量并具有 较强的计算和控制功能，负责收集节点采集的数据并将数据融合后传送到基站。由于数据传 送节点有较大的能量，所以它们充当簇头可以维持较长的时间．避免重复替换。 为了便于算法的描述，我们提出如下定义：用有向图G=Ⅳ(G)，E(G))表示一个无线传感 器网络，其中V(G)=“，V2，．．．，K)表示随机分布的节点(包括数据采集节点和数据传送节点)， E(G)代表边。每个节点Vi∈V都有其最大传输半径R；，即用节点Vi的最大传输能量可以传 送的最远距离。i．f．f．节点v在节点u的最大传输范围内时，边(u，v)存在。 簇头的冬合用c表示。对于Vq∈C Ci的簇成员集合用Mq表示，使得UVq；CM。=y—C。 定义jr权重函麴?给出两条边(“。，v1)，(／／2V：)∈E 和欧式距离函数d(术，球)，权重函数 W：EjR满足： w(u，，H)w(u：，y’) 铮d(U1,H)d(112,v2)， or(d(“。，V．)=d(“：，v2)max{订0：)，以(屹))) or(d(U1,h)=d(U2,v2) max{甜(“。)，麒(q))=max弘(心)，耐(屹)) u：)，耐(y2))) min{id(u。)，耐(q))min{id 定义2f可．达锣域)?可达邻域Ⅳ：是节点u用它的最大传输能量可达的同簇节点的集 y(《)=彬． 定义3f铋蚴?当且仅当由算法A生成的拓扑结构中存在边(蹦，v)，节点v是节点U在算 法