摘要：介紹了一種低能耗節點位置未知的網絡控制方案，根據不同的網絡運行輪數設定網絡節點的通信半徑，使網絡具有良好的能量有效性。網絡中基站經過構建階段的啟動過程、節點信息收集過程和節點信息上報過程，獲得了整個網絡節點的相對位置分布，然后整合節點-節點信息支路，得到具有回路鏈接的簇首節點集，其他節點根據自己鄰居信息選擇簇首節點，實現網絡近似最小能耗拓撲的構建。通過仿真與同類典型算法LEACH-C、MCLB進行比較，結果顯示該方案應用于網絡運行時具有更長的網絡生命周期、更少的信息總數和更低的網絡構建代價。
關鍵詞：無線傳感器網絡；低能耗；節點位置未知；能量有效性

0 引言
無線傳感器網絡是由一個基站和大量的傳感節點構成。傳感節點通常被隨機放置在監測區域內，基站負責指導傳感節點工作并且收集傳感節點檢測到的信息，并將環境信息報送至監控中心。通常，傳感節點體積很小且具有感知周圍環境信息、數據處理與存儲和無線數據收發三個基本功能。無線傳感節點在應用時受到很多限制如處理速度慢、存儲容量小、電能有限等，而基站具有外部電源支持，處理能力比傳感節點強大很多，它負責收集傳感節點的監測信息并轉發給用戶。由于無線傳感節點的能量有限性，降低能量消耗、延長網絡生命周期，成為無線傳感器網絡通信協議設計的首要目標。
分簇算法應用于無線傳感器網絡通信協議設計，被認為是一種減少網絡能量消耗的有效辦法。它通過選擇一部分傳感節點作為簇首節點形成一個暫時固定的網絡構架，各簇首節點接收鄰居簇首節點、簇內節點感知的環境信息，進行數據融合，剔除冗余信息，并轉發至基站。這一類的經典算法有：文獻LEACH-C是一種集中的聚類算法。在啟動階段，基站接收網絡中所有節點發送來的包含他們位置以及能量狀態的信息。基站運行本地算法獲得簇首以及分簇表，然后廣播包含簇首ID信息給每一個節點。簇頭確定后，普通節點選擇離其最近的簇頭加入該簇頭所管轄的區域，進而形成簇區域。協議維護階段與LEACH是一致的。簇的建立過程在每一輪里都需要進行一次，從而產生了很多的能量消耗和傳輸延遲。文獻MCLB算法首先找出網絡中的冗余節點作為臨時簇頭，并隨機選擇一定數量的具有高的剩余能量的節點為簇頭，臨時簇頭和簇頭構成了一個數據轉發層，而其他節點構成了一個數據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點從而完成對網絡的分簇。在數據轉發上，存在節點-節點、節點-簇頭和簇頭-簇頭多跳轉發至基站的混合模式，該算法中由于簇頭的位置具有隨機性，為了保
證數據轉發的可靠連通，因此每個節點必須以較大的發射功率進行數據轉發而產生了不必要的能量浪費。文獻提出的算法CDC將網絡進行分簇，每一簇自行選擇一個簇頭。簇頭承擔起收集簇內成員信息并進行數據融合，然后再將數據轉發給基站，并且依據信息選擇下一輪的簇頭。一旦簇內有節點死亡，簇首將發送信息給基站，對整個網絡進行重新分簇，否則簇首選擇能量最多的節點作為下一輪的簇首。
本文提出一種新的網絡控制方案由網絡構建階段和網絡維護階段組成。在網絡構建階段本文借鑒了文獻的思想，設計了一種節約能耗的構建方法，首先由基站發出拓撲構建信息，每個節點完成對父節點和鄰居節點信息的收集并將信息在特定的時刻傳輸給自己的父節點，基站通過獲得的全網節點信息選擇一部分具有冗余連接的簇頭節點集，完成了一種期望的網絡拓撲特性并保證了網絡的連通性。一旦網絡構建完成，就進入網絡維護階段，在該階段每個節點根據網絡的需要轉換到特定的角色，當簇頭節點集中的一節點能量下降到一定值時，由它提出網絡重構，網絡運行的兩個階段狀態交替進行直到網絡不能正常運行。本文設計的網絡控制方案與文獻LEACH-C算法和文獻的MCLB算法進行仿真比較網絡的生命期、網絡構建信息交替情況和網絡的構建代價。結果顯示本文提出的方案應用于網絡運行時具更長的生命周期、更少的構建階段信息總數和更低的網絡構建代價。

1 系統模型
在本算法中，傳感節點周期性的充當簇頭節點或者普通節點，進行環境監測及數據轉發。無線傳感器網絡監測區域內隨機均勻放置N個傳感節點，其中有一個節點為基站，在本文所提出的控制方案中，進行了以下幾點假設：
(1)每個傳感節點被賦于一個惟一的標號，傳感節點的能量有限，而基站有專門的供電系統。
(2)每個傳感節點可根據需要調整自己的發射功率，最大發射功率滿足它們連接網絡中離它最遠的傳感節點。
(3)所有傳感節點的位置不會發生移動，位置未知，具備通過接收信號的衰減程度來計算與信號發送方的距離。

2 LEPN網絡控制方案
LEPN控制方案下的網絡運行是基于輪的，每輪包含網絡構建和網絡維持兩大階段。在每一輪里，由基站定義各節點以一個特定的相同發射功率進行數據轉發，構建一個基于UDG(Unit Disk Graph)模型的分簇網絡來感知周圍環境信息并將信息可靠的由簇頭-簇頭多跳轉發至基站的過程，本方案主要針對應用在任務艱巨、節點隨機布置的一些場合，因此設計時需滿足兩個基本的約束條件：形成的簇頭節點集可提供一個可靠的數據包多跳轉發能力；本方案具備的能量有效性應該和現有的基于分簇的網絡控制方案相當或者更好。為了滿足這些約束，LEPN網絡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發至基站，具有可靠性和能量有效性，因為基站節點獲得信息轉發路徑是閉合回路，具備的冗余性以防止信號在傳輸過程由于鏈接失敗而造成信息傳輸失敗；而該方案的另一個優點是不需要節點的位置和方向信息，從而節約了節點的硬件成本投入。
2．1 LEPN網絡構建階段
每一輪的LEPN網絡構建階段分為四個子過程，首先由基站設定本輪節點通信的發射功率，發起網絡構建，接下來各個節點根據接收信號的衰減程度判斷與信號發送者的距離以完成信息的收集，當每個節點都完成信息的收集，就進入了信息上報過程，直至基站，基站根據接收到的信息情況選擇簇頭節點集，再將包含簇頭節點的消息逐層傳遞給網絡中的每一個節點，節點通過接收到的信息來判斷自己在接下來的幾輪里是否成為回路中的簇頭節點以承擔環境信息監測和數據轉發的任務還是普通簇頭節點融合本簇內的監測數據再轉發，或者普通節點。用(如圖1)一個13節點的網絡構建過程來簡單描述(粗實線表示可以構成父子關系的簇首鏈接，細實線表示構成鄰居關系的簇首鏈接，虛線表示構成簇首與簇內成員的鏈接)。