无线传感器网络的能量分配算法研究

2012年第12期福建电脑一种层次型无线传感器网络的集中式节能分簇算法陈振华（钦州学院广西钦州535000）【摘要】：无线传感器网络节点受能量有限、计算能力弱、存储空间小等特点的限制，需要设计高效节能的路由协议来延长网络的生存时间。本文提出一种集中式分簇算法CEEC，采用“定簇异头，集中控制”的方式，均匀分布各个簇，由基站根据各节点的能量状态和位置信息，选取簇内通信代价最小的节点作为簇头，使整个网络的能量开销最小，从而延长了网络的生存时间。【关键词】：无线传感器网络；LEACH；簇头；CEEC；能量开销0．引言随着微机电系统（MEMS，Micro－Electro－MechanismSystem）、片上系统（SOC，SystemOnChip）和无线通信技术高速发展，一种新的信息获取和处理模式：无线传感器网络（WSN，WirelessSensorNetwork）产生并得到了快速的发展。无线传感器网络是由大量具有特定功能的传感器节点通过自组织的无线通信方式，相互传递信息，协同地完成特定功能的智能专用网络[1]。传感器节点具有能量有限、计算能力弱、存储空间小等特点，受这些特点的限制，设计高效节能的路由算法，减少网络能量消耗，延长网络的生存时间是设计无线传感器网络协议必须首先考虑的问题。LEACH是一个较早提出的优秀的层次型无线传感器网络分簇协议，通过自适应分布式成簇和TDMA技术，可以有效地降低能耗，延长网络生存时间。但由于其簇头的选择是基于一个随机数来判断，并且没有实时考虑节点能量状态，能量的分布具有很大的随机性，容易出现能量分布不均匀、网络负载不平衡等问题，影响了网络的效率。本文在LEACH成簇思想的基础上，考虑了各节点的能量状态和能耗因素，提出了一种集中式节能分簇算法，由基站根据各节点的能量状态和位置集中选择簇头，使网络总能耗最小化，从而有效地延长了网络的生存时间。1．LEACH算法简介LEACH(low-energyadaptiveclusteringhierarchy)[2]是由MIT的Heinzelman等人提出的一种层次型网络分簇协议，其基本思想是通过随机地循环选择簇头,将整个网络的能量负载平均分配到每个传感器节点,从而达到降低网络能量耗费、延长网络生命周期的目的。LEACH算法建立在网内所有节点都是同构且无线电信号的传送能耗各向同性的的假设上。在LEACH算法中,节点自组织形成不同的簇,每个簇只有一个簇头。所有非簇头节点将自己的数据发给所在簇的簇头节点,簇头节点在将数据融合后发送给基站。每个非簇头节点只需要知道自己所在簇的簇头信息即可，无须与周围节点通信，簇头也只需要维持很小的路由表。LEACH的执行过程是周期性的,每轮循环的基本过程由簇头选择、簇的形成、时刻表的创建、数据传输阶段四个阶段组成。节点在［0，1］之间产生一个随机数，该随机数如果比系统中预设定的阈值大，则该节点在当前轮竞选成为簇头。节点成为簇头后，向周围节点广播自己成为簇头的消息，等候周围节点申请加入形成一个簇。簇头根据簇内节点的数量创建TDMA时刻表并通知每个节点何时开始传输数据。在经历一段时间后，新的一轮又从新开始。上述过程循环进行，直到所有节点失效。LEACH算法是较早提出的一种层次型无线传感器网络的分簇算法,其思想影响了以后很多算法的设计。和平面路由算法相比,LEACH算法可以延长将近30%的网络生存时间[3]。但是,由于LEACH算法中簇头的产生具有极大的随机性,可能会出现部分簇头相距过近或部分区域的节点离簇头太远的情况,大大增加了节点的传输能耗,故不能有效地延长网络生存时间。而且由于簇头选举的随机性使得网络的簇头需要负担的节点数不基金项目：广西自然科学基金（桂科自09236004）13福建电脑2012年第12期同,加重了个别簇头节点的负担,使得网络的负载平衡程度下降。[4]2．集中式节能分簇算法CEEC(CentralizedEnergy-EfficientClustering)2．1网络结构本文研究的是无线传感器网络的层次型网络模型，网络中的节点有三种类型：基站节点BS(basestation)、簇首节点CH(cluster-head)和感应节点SN(sensornode)，基站节点位于网络的最高层，是应用网络和探测网络的中继接点，它负责接收、存储和分析来自整个传感器网络各个节点的探测数据和节点信息。基站具有足够强大的计算能力和足够多的数据存储空间，并且能量不受限，可以完成它在整个传感器网络的所有工作。网络中除基站外的所有结点是同构的并均匀随机分布在一个正方形区域内；所有结点包括基站是静止的并且都能感知各自的位置；节点到基站的距离是2hops。整个网络周期性时间同步，基站的时钟作为整个网络时间同步的基准时间。2．2网络通信模型为了简化研究时要采用的网络通信模型,本文对其作出如下假定:所有结点通信半径可调,并可以直接与基站通信;通信信道具有对称性。网络各节点间的通信采用的发送接收模型是一阶无线电模式[5]，文献［5］给出在该模式下的无线通信设备能量消耗公式，传送l位数据且传送距离为d时,所需要的能量为（1）当接收lbit数据时,设备的能耗为ERx=l*Eelec（2）其中εfs是发射机向单位面积发射1bit数据的能耗，Eelec是发送电路和接收电路每处理1bit数据的能耗。2．3算法基本思想和实现为了简化网络和减少重新分簇的通信开销，本文设定网络中簇的个数是一个定数，每个簇具有等量同构节点，网络中簇的个数由节点个数和节点数据周期等决定．网络初始化后，网络的重构只在簇内进行，并不重新分簇，因此，算法的关键在于如何选取一个节点作为簇头，使得整个簇的能量开销为最小。由于是等量同构分簇，对一个簇内簇头选择的研究将具有全局意义。设网络中一个簇包含k个节点，根据3．2给出的能量开销公式，假如以簇内第j个节点为簇头，则簇内其余节点发送l位字节到簇头所需的总能量为（3）d(i,j)表示簇内节点i到节点j（簇头）的距离。簇头接受簇内各节点发送来的数据，经融合后，转发给基站，其能量开销为（4）式中β∈(0,1］，为数据融合率，d(j，B)为节点j到基站的距离，Em为对1bit数据进行融合的能量开销。因此，以节点为簇头，簇内各节点感应到lbit数据经簇头传送到基站的总能量开销为（3）式和（4）式之和：(5)基站根据各节点的能量报告，将能量不低于一定值的节点形成候选簇头集，由基站遍历集内各个节点，分别计算以各个节点为簇头时整个网络的能量开销，开销最小的节点为下一轮的簇头，用公式表示为满足以下条件的节点为下一轮的簇头节点：（6）ej为节点j的能量值，e0为节点作为簇头的最低限制能量值，能量低于e0的节点不能作为簇头节点。2．4算法仿真与效能分析设置900个节点均匀分布在30m*30m区域，节点初始能量为10J，e0=3J，Eelec=5*10-7J/bit，εf=1*10-5J/bit，每个数据包100bit，β=0.9，基站位置在（15.5，15.5）。仿真结果如图1所示。

第２８卷第４期　２００７年７月　宇　航　学　报　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ　Ｖｏ１．２８　Ｎ０．４　Ｊｕｌｙ　２００７　

无线传感器网络空中目标跟踪任务分配技术的研究　

刘　梅　，李海昊　，沈毅　

（１．哈尔滨工业大学电子与信息技术研究院，哈尔滨１５０００１；２．哈尔滨工业大学控制科学与工程系，哈尔滨１５０００１）　

摘要：以无线传感器网络对空中飞行Ｈ标跟踪为背景，针对无线传感器网络协同技术中的任务分配问题，　

以降低传感器节点之间的通信能量消耗为Ｈ的，提出了一种基于弹性神经网络的任务分配算法。首先对多动态联　

盟多Ｈ标跟踪问题进行建模，然后依据最小能量准则，采用一种非全连接的环形结构的弹性神经网络模型，解决了　

多Ｈ标跟踪时的任务优化分配问题以及多个动态联盟对传感器资源竞争冲突时系统能耗增加的问题。仿真结果　

表明，该算法与传统的方法相比，大大降低了跟踪系统的能量消耗。　

关键词：无线传感器网络；多Ｈ标跟踪；任务分配；神经网络；动态联盟　

中图分类号：ＴＰ３９３　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００—１３２８（２００７）０４—０９６ｏ一０６　

Ｏ　引言　

利用现代系统和智能理论对空中飞行目标进行　

跟踪是防空系统设计中的一大热门话题，目前各国　

军方十分重视无线传感器网络对飞行目标跟踪技术　

的研究。无线传感器网络（ＷＳＮ：Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｎｅｔ—　

ｗｏｒｋ）是由大量功率低、体积小、价格便宜、具有通信　

与计算能力的微小传感器节点构成的“智能”自治测　

控网络系统，一般密集布设在无人值守的监控区域，　

能够根据环境自主完成指定任务，其目的是协同地　

感知、采集、处理网络覆盖范围内的信息并将其提供　

给用户…。无线传感器网络的特性非常适合于军事　

侦察、救援等多个方面，在战场监测等领域的应用十　

分重要　，尤其是对飞机、导弹等空中飞行目标进行　

跟踪。美国《今日防备》杂志更认为无线传感器网络　

的应用和发展，将引起一场划时代的军事技术革命　

无线传感器网络中的物理层调度与资源分配

无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）是由大量分布在监测区域内的无线传感器节点组成的网络系统。这些节点能够感知环境中的各种物理量，并将数据通过无线通信传输到基站或其他节点。在WSN中，物理层调度和资源分配是确保网络性能和能源效率的重要问题。

一、物理层调度的意义

物理层调度是指通过合理的调度算法和策略，使得网络中的传感器节点能够在有限的无线资源下实现高效的通信。物理层调度的目标是最大化网络的容量、减少干扰、提高信号质量和延迟控制等。合理的物理层调度可以有效地提高网络的可靠性和性能。

在物理层调度中，一种常见的方法是通过频率选择和分配来减少干扰。根据传感器节点的工作频率和通信需求，可以将节点分配到不同的频段或信道上，以减少节点之间的干扰。此外，还可以通过时间分割多址（Time Division Multiple Access，TDMA）或频分多址（Frequency Division Multiple Access，FDMA）等技术来实现节点之间的调度和资源分配。

二、资源分配的挑战

在WSN中，资源分配是指将有限的能量、带宽和存储等资源合理地分配给各个传感器节点，以满足其通信和计算需求。资源分配的挑战主要体现在以下几个方面：

1. 能量限制：传感器节点通常由电池供电，能量是其最为宝贵的资源。因此，在资源分配中需要考虑如何合理分配能量，以延长网络的寿命。一种常见的方法是通过动态能量管理算法，根据节点的能量剩余情况和通信需求，动态调整节点的工作状态和通信功率。 2. 带宽限制：WSN通常具有有限的带宽资源，而传感器节点之间的通信需求往往是不均衡的。如何合理分配带宽资源，以满足不同节点的通信需求，是一个重要的问题。一种常见的方法是通过流量控制和拥塞控制等技术，根据节点的通信负载和网络拓扑结构，动态分配带宽资源。

3. 存储限制：传感器节点通常具有有限的存储容量，而数据采集和处理往往需要大量的存储空间。因此，在资源分配中需要考虑如何合理分配存储资源，以满足节点的数据存储需求。一种常见的方法是通过数据压缩和聚合等技术，减少数据的存储空间和传输量。

无线传感器网络基于能量和距离的分簇路由算法研究★　

０　引言　谢　妙　

（玉林师范学院计算机科学与Ｔ程学院，玉林５３７０００）　

摘　要：研究无线传感器网络节点能耗和生存周期问题　详细分析经典分簇路由协议Ｌｅａｃｈ的不　

足．针对其不足提出一种基于能量和距离的分簇路由算法　算法根据通信过程中的能量损　

耗重新计算了最优分簇数。簇首的选择充分考虑节点剩余能量，同时，簇首问根据通信距离　

的长短采用基于阈值的单跳与多跳相结合的通信方式　最后在ＮＳ２平台上进行仿真　仿真　

结果表明，与Ｌｅａｃｈ算法相比，改进算法综合考虑了能量和距离因素，能有效地均衡节点能　

耗．提高能量的有效性．从而延长网络的生存周期　

关键词：无线传感器网络：路由协议：簇；能量均衡　

无线传感器网络（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｎｅｔｗｏｒｋ．简称　

ＷＳＮ）综合了传感器技术、嵌入式技术、无线网络通信　

技术和分布式信息处理技术等ｆ１１，能实时监测、感知、采　

集和处理各种监测对象的信息．是一种全新的信息获　

取和处理的网络，在军事、环境监测和工业生产等方面　

具有十分广阔的应用前景．是当前国际上备受关注的　

研究热点之一。无线传感器节点能量十分有限．难以替　

代或补充．而如何减少节点能耗，有效使用节点能量．　

延长网络寿命已成为业界研究的首要目标　

无线传感器网络的路由算法对有效利用节点能　

量、延长网络生存周期起着关键的作用　无线传感器网　

络路由协议可分为平面路由协议和层次路由协议两　

种。由于平面路由协议网络中的所有节点都是平等的．　

都通过自组织方式协同工作．不存在管理节点．缺乏对　

通信资源的优化管理．因此并不适合在大规模网络中　

采用　在现有的研究成果１２］中．采用层次路由的方法对　

节点进行分簇是ＷＳＮ节省能量的有效方案　Ｌｅａｃｈ『引　

是ＷＳＮ里最早提出的分簇路由协议．通过周期性的随　

机选举簇首．来均衡网络中的能耗．但它没有充分考虑　节点的剩余能量．同时．簇首节点直接向基站传输数