低能耗節點位置未知無線傳感器網絡控制方案
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2．1．1 基站啟動過程
當無線傳感器網絡剛剛布置完畢或者基站接收到某節點請求網絡重構的消息，并且基站中保存的簇頭節點集已經使用完畢(若基站中尚有未使用的簇頭節點集，那么網絡構建階段直接進入網絡拓撲構建過程，這樣有效的減少了網絡構建代價)，基站進入了啟動過程，首先它根據網絡已運行的輪數設定下一輪各節點通信所采用的發射功率，基站節點以該發射功率廣播hello消息(HM)并啟動一個定時器1以等待它的子節點發來的HM，一幀完整的HM包含父節點標號、本節點標號、發射功率值、本節點的剩余能量以及充當簇頭的最低剩余能量值，基站發出的HM里父節點的內容為基站本身的標號。見圖1(a)，節點B，C，E，I，J，K，L，M接收到了基站A發來的HM。
2．1．2 節點信息收集過程
一旦節點接收到HM，就表明網絡構建階段到了節點信息收集過程，如圖1(a)中，節點B，C．E，I，J，K，L，M接收到一個HM，就開始判斷本節點與HM發送者之間的相對距離，如果該距離小于本輪通信距離的一半(R／2)，則認定該HM發送者為自己的簇首節點，如節點I，K，L認定A為它們的簇首，于是它們向A發送一幀簇首確認消息，就進入了睡眠狀態，關閉發射模塊，等待網絡的維持階段到來再轉換到數據監測狀態。離A較遠(相對距離大于R／2)的節點M，B，J，E，C，如果節點的剩余能量足夠充當簇首節點的，則廣播一幀包含本節點剩余能量信息的競爭簇首消息(CM)并啟動一個定時器2(定時時間小于定時器1)，定時器2到達后，各節點對R／2范圍內的節點信息進行判斷，如果得知本節點能量最大，則設定自己為簇首節點并成為A的子節點，然后廣播發送HM，如M，J，E，D，A將接收到B節點的HM，M，J認定B為簇首，見圖1(b)，而A接收到B節點得知B為自己的子節點；節點C在定時器2結束后，發現R／2范圍內無其他節點與之競爭，也設自己為簇首節點并認A為父節點發送HM；假使J也在E的R／2范圍內，且能量高于E節點，E接收不到J的HM，卻接收到其他父節點為A節點的HM(如B，C)時，E節點認定自己為簇首節點，并發送HM消息，此時BE，EC之間接收到HM消息，即認定相互之間為簇首間的鄰居成員并計算存儲他們之間的相對距離與鄰居節點的剩余能量，見圖1(c)；如果某節點的能量太小，不足以充當簇首節點，那么，它會選擇離自己較近的一個簇首節點，加入該簇。某節點一旦有了父節點，就認定該節點處于被覆蓋狀態。而且當一個節點有了子節點，那么它就進入了活躍狀態，開始等待信息上報過程的到來。按照這種方式，所有的節點都接收到HM消息，但是如圖1(d)所示，節點G，F，H，C廣播HM后，在設定的定時器1時間到達內未接收到任何認定它們為父節點的HM，因此它們認為信息收集過程結束，并由它們發起進入信息上報過程。
2．1．3 節點信息上報過程
在節點信息上報過程中，只有充當父子關系的節點，同時，也是扮演簇首角色的節點，發送它的鄰居序列給自己的父節點。在本例中，完成信息收集過程后，A，B，C，D，E，F，G，H成為簇首成員。簇首F是G的鄰居。因此，簇首G發送{FG}以及FG的相對距離的消息給它的父節點D。這些節點的組合方式為構成一定性質的簇頭-簇頭鏈接的提供了可靠的信息，每個父節點都在等待著它的所有子節點發來的上報消息，再添加自己的信息，發送給自己的父節點。如簇首節點D接收到它的子簇頭節點G發送來的消息后，它就發送有{FGD}，{FD}，{ED}路徑信息給節點B，依次進行信息傳遞，最終的信息將匯聚至基站。當基站節點接收到所有子節點發來的上報信息，則網絡構建進入了下一過程。在信息上報過程中，節點發送完上報消息后就進入睡眠狀態，關閉發射模塊以保存能量。
2．1．4 網絡拓撲構建過程
網絡拓撲構建過程在基站節點上進行，當基站A接收到所有子簇頭節點(BCE)發送來的上報信息，就開始對支路進行整合，如果兩條數據通路有共同的節點，如{ABDF}和{AEFD}兩條支路有兩個共同的節點A，F，那么可以組合出一個具有閉合回路的數據通道ABDFEA，對于不同的回路也根據判斷是否有共同節點而對它們進行整合成更大的閉合回路。一旦基站完成選擇多個構成回路的簇頭集，它開始為其他簇頭節點以盡少的步數連接到某一回路簇頭節點，在基站A處，將形成多個具有回路性質的簇頭-簇頭節點集，基站將選擇其中一個簇頭集信息廣播給網絡中的每一個節點。網絡中的節點通過判斷基站的廣播信息(簇頭-簇頭之間數據轉發的路由信息)，決定自己是充當回路簇頭或支路簇頭節點進行數據收集、融合、轉發，或者充當普通簇內節點實現對周圍環境的監測。至此進入了網絡維持階段。
2．2 LEPN網絡維持階段
網絡維持階段，簇頭將根據簇內的節點數目為每個簇內節點分配TDMA時間表。簇內節點持續采集周圍環境信息，并在自己的通信時隙內以單跳通信的方式將數據傳送給相應的簇頭。為了有效節約節點能耗，普通節點的發送器在不屬于自己通信的時隙進入睡眠狀態；而簇頭必須使自己的接收器時刻處于開啟狀態，以便接收簇內節點發送過來的所有數據。簇頭節點接收到簇內所有的數據后，將對數據進行必要的數據融合處理，然后根據路由信息將數據經簇頭-簇頭多跳傳輸至基站。
3 仿真實驗
無線傳感節點的能量有限性決定節點能量的高效使用是網絡控制設計的首要目標，也是延長網絡生命周期的一種有效手段。本文仿真設定在30 km×30 km的監測區域內，將200個節點隨機分布，節點的通信半徑在5～45 km內可調。為了便于計算節點收發信息的能量消耗，使用文獻所描述的無線通信模型：
以通信半徑為d發射n比特的數據所需要的能量消耗：
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