鄔春學(xué), 畢春霞, 孟其琛
(上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上海 200093)
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于節(jié)點(diǎn)調(diào)度的雙簇頭路由協(xié)議
鄔春學(xué), 畢春霞, 孟其琛
(上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上海 200093)
為了延長(zhǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期,提高節(jié)點(diǎn)能量利用率,將分簇與節(jié)點(diǎn)調(diào)度相結(jié)合,提出了一種基于節(jié)點(diǎn)調(diào)度的雙簇頭的路由協(xié)議.該算法利用節(jié)點(diǎn)調(diào)度實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中冗余節(jié)點(diǎn)查找,減少分簇時(shí)活躍節(jié)點(diǎn);考慮節(jié)點(diǎn)和基站的距離及能量,優(yōu)化選擇主、副簇頭,副簇頭優(yōu)先選擇冗余節(jié)點(diǎn).主簇頭用以收集和融合簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的信息,副簇頭負(fù)責(zé)與基站進(jìn)行通信.仿真結(jié)果表明,新算法能有效節(jié)約網(wǎng)絡(luò)能量、平衡節(jié)點(diǎn)能耗、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間.
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò);節(jié)點(diǎn)調(diào)度;分簇;主副簇頭
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(W SN)由大量具備數(shù)據(jù)處理和通信能力的傳感器節(jié)點(diǎn)組成,其目的是協(xié)作地感知、采集和處理W SN覆蓋范圍內(nèi)監(jiān)測(cè)對(duì)象的相關(guān)信息,并通過(guò)無(wú)線的通信方式將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送到基站(Sink節(jié)點(diǎn)),供用戶分析和處理.但W SN中節(jié)點(diǎn)能量有限,且不易補(bǔ)充能量[1],為延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期,在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)需要采用合適的路由協(xié)議.受節(jié)點(diǎn)能量有限的限制,其感知和通信范圍有限,所以,常在監(jiān)測(cè)區(qū)域部署大量的節(jié)點(diǎn)以延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間,但大量節(jié)點(diǎn)容易造成冗余,因此,在W SN中應(yīng)采用合理的節(jié)點(diǎn)調(diào)度,有效利用節(jié)點(diǎn)能量,提高網(wǎng)絡(luò)生存周期.
W SN的路由協(xié)議分為平面路由協(xié)議和分層路由協(xié)議兩種.分層協(xié)議性能要優(yōu)于平面路由協(xié)議,因?yàn)?,分層協(xié)議采用了“分而治之”的思想,有效地降低了網(wǎng)絡(luò)能耗.圖1是經(jīng)典低功耗自適應(yīng)分簇路由協(xié)議LEACH[2]的示意圖,它采用分簇機(jī)制,簇頭融合簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)信息后再傳輸給Sink節(jié)點(diǎn),大大降低了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能耗.但是,LEACH算法隨機(jī)選舉簇頭,導(dǎo)致能量較低的節(jié)點(diǎn)也能擔(dān)任簇頭,容易造成數(shù)據(jù)丟失;同時(shí)LEACH算法中簇頭是直接與Sink節(jié)點(diǎn)通信,即單跳通信方式,對(duì)于距離Sink節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)的簇頭節(jié)點(diǎn),能量消耗過(guò)多,容易死亡,形成網(wǎng)絡(luò)“能量空洞”,造成網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定,降低了網(wǎng)絡(luò)的生命周期[3].因此,在LEACH基礎(chǔ)上有許多改進(jìn)的算法,如文獻(xiàn)[4]的LEACH-C算法,在簇頭的選取過(guò)程中引入能量閾值,只有當(dāng)節(jié)點(diǎn)的剩余能量大于閾值時(shí),節(jié)點(diǎn)才有資格當(dāng)選為簇頭節(jié)點(diǎn),避免一些低能量的節(jié)點(diǎn)擔(dān)任簇頭,同時(shí)簇頭與Sink節(jié)點(diǎn)之間的通信采用多跳的方式,避免了簇頭由于長(zhǎng)距離通信而造成能量消耗過(guò)大的情況.文獻(xiàn)[5]的蟻群LEACH算法,根據(jù)剩余能量和路由長(zhǎng)度確定遺留信息素,建立簇頭節(jié)點(diǎn)間的多跳路由,優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)性能.大多數(shù)改進(jìn)的LEACH算法,根據(jù)節(jié)點(diǎn)的剩余能量,采用單簇頭機(jī)制,在簇頭任務(wù)過(guò)重時(shí),造成簇頭能量降低較快.文獻(xiàn)[6]的DCHACS算法采用局部調(diào)整的方式選取雙簇頭,并在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)采用雙簇頭輪流擔(dān)任簇頭的方式,有效地均衡了網(wǎng)絡(luò)的能量消耗.
W SN中節(jié)點(diǎn)的覆蓋能力和能量有限,所以,監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)往往部署大量的節(jié)點(diǎn).節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)分為3種:工作狀態(tài)、偵聽(tīng)狀態(tài)和休眠狀態(tài).文獻(xiàn)[7]分析說(shuō)明,節(jié)點(diǎn)處于偵聽(tīng)狀態(tài)時(shí)消耗的能量與工作狀態(tài)消耗的能量相差不大,休眠狀態(tài)節(jié)點(diǎn)的能耗很小,因此,對(duì)于不需要處于工作狀態(tài)的節(jié)點(diǎn),應(yīng)盡量讓其處于休眠狀態(tài).W SN中節(jié)點(diǎn)大規(guī)模密集部署,布置密度不均衡,某個(gè)區(qū)域往往被多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)同時(shí)覆蓋,這種情況被稱為冗余覆蓋[8].如果所有節(jié)點(diǎn)全部處于活躍狀態(tài),會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)通信頻繁、信息冗余,增加網(wǎng)絡(luò)能量消耗,降低網(wǎng)絡(luò)通信效率,因此,引入節(jié)點(diǎn)調(diào)度,在滿足任意時(shí)刻處于活躍狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)能夠有效監(jiān)控目標(biāo)區(qū)域的基礎(chǔ)上,采用輪換活躍/休眠節(jié)點(diǎn)的調(diào)度方式,調(diào)度部分節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠,達(dá)到減少能量消耗和延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間的目的[8].圖2是節(jié)點(diǎn)調(diào)度示意圖.
圖1 L E A C H協(xié)議Fig.1 L E A C H protocol
圖2 節(jié)點(diǎn)調(diào)度機(jī)制Fig.2 Node scheduling mechanism
文獻(xiàn)[9]提出的M C M CC算法,將整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域分為互不相交的子區(qū)域,子區(qū)域根據(jù)節(jié)點(diǎn)感知范圍的重疊情況確定節(jié)點(diǎn)是否冗余.文獻(xiàn)[10]提出了基于構(gòu)造最小控制集合(M DS)的圖論計(jì)算方法.M DS由一組能夠保證監(jiān)測(cè)區(qū)域完全覆蓋的工作節(jié)點(diǎn)組成,各個(gè)M DS交替工作.文獻(xiàn)[11]通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型分析節(jié)點(diǎn)的冗余度,根據(jù)鄰居節(jié)點(diǎn)判斷節(jié)點(diǎn)是否為冗余.文獻(xiàn)[12]提出的N D NS算法,利用節(jié)點(diǎn)與鄰居節(jié)點(diǎn)的距離信息,對(duì)節(jié)點(diǎn)覆蓋冗余判別,適應(yīng)于任意分布下的網(wǎng)絡(luò)部署方式.
本文結(jié)合分簇和節(jié)點(diǎn)調(diào)度的思想,提出一種基于節(jié)點(diǎn)調(diào)度的雙簇頭路由算法(D HCNS).D HCNS算法通過(guò)有效的節(jié)點(diǎn)調(diào)度算法查找冗余節(jié)點(diǎn),然后再對(duì)非冗余節(jié)點(diǎn)分簇,并采用雙簇頭機(jī)制,選取雙簇頭不僅考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量、節(jié)點(diǎn)與Sink節(jié)點(diǎn)之間的距離,還考慮到非冗余節(jié)點(diǎn)的影響.
2.1 模型描述
假設(shè)W SN中大量節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在一個(gè)正方形的區(qū)域內(nèi),并具有如下特點(diǎn):
a.節(jié)點(diǎn)具有唯一的編號(hào)(ID),除Sink節(jié)點(diǎn)外其它節(jié)點(diǎn)的初始條件相同,能耗異構(gòu),感知半徑固定為r;
b.節(jié)點(diǎn)不具備位置感知能力,但可根據(jù)從鄰居節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)強(qiáng)度估算兩者之間的距離;
c.所有節(jié)點(diǎn)是靜止的,網(wǎng)絡(luò)為對(duì)稱網(wǎng)絡(luò),節(jié)點(diǎn)間可相互通信,在一定范圍內(nèi)可調(diào)整節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率.
2.2 無(wú)線通信能耗模型
發(fā)送消息和接收消息節(jié)點(diǎn)之間的距離d存在一個(gè)閾值d0.當(dāng)d≤d0時(shí)采用自由空間模型,而d>d0時(shí)采用多徑衰落信道模型.在本文中,簇的覆蓋區(qū)域半徑為r(2r≤d0),即在簇頭通信半徑r內(nèi)的節(jié)點(diǎn)才能成為簇內(nèi)節(jié)點(diǎn);同時(shí)簇頭之間通信距離限制在2r范圍內(nèi),這樣網(wǎng)絡(luò)中簇內(nèi)和簇間的通信都是自由空間的通信模型.節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收消耗的能量ES和ER分別為[11]
式中,k為發(fā)送/接收的數(shù)據(jù)比特?cái)?shù);Ee為發(fā)送/接收電路發(fā)送/接收1 bit消耗的能量;Ef為放大電路在單位面積內(nèi)傳播每比特信號(hào)所消耗的能量;簇頭進(jìn)行數(shù)據(jù)融合和處理時(shí);Ek為處理kbit數(shù)據(jù)消耗的能量,Eu為處理單位數(shù)據(jù)消耗的能量.
2.3 冗余節(jié)點(diǎn)的查找
節(jié)點(diǎn)調(diào)度算法主要分為兩類:借助節(jié)點(diǎn)的精確位置信息和不依賴于節(jié)點(diǎn)的精確位置信息的節(jié)點(diǎn)的調(diào)度.后者又分為兩種:a.隨機(jī)調(diào)度,每個(gè)節(jié)點(diǎn)以一定概率獨(dú)立進(jìn)入休眠或工作狀態(tài);b.借助于節(jié)點(diǎn)間的距離、鄰居節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)等信息,計(jì)算覆蓋冗余[9].然而,為大規(guī)模的W SN網(wǎng)絡(luò)提供精確的定位信息非常困難,成本也很高,甚至節(jié)點(diǎn)調(diào)度所節(jié)約的能量被定位中消耗的能量抵消[13].隨機(jī)調(diào)度不需要節(jié)點(diǎn)相互通信就可實(shí)現(xiàn),但存在某些監(jiān)測(cè)區(qū)域不被任何節(jié)點(diǎn)覆蓋的“覆蓋洞”,難以保證網(wǎng)絡(luò)的覆蓋質(zhì)量[12],因此,借助于節(jié)點(diǎn)間的距離、鄰居節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)等信息的節(jié)點(diǎn)調(diào)度是目前研究的熱點(diǎn).本文中所采用的節(jié)點(diǎn)調(diào)度算法為文獻(xiàn)[12]中的N D NS算法,其適用的場(chǎng)合非常廣泛.
定義節(jié)點(diǎn)Ni為非冗余節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)Mj為冗余節(jié)點(diǎn),SN為節(jié)點(diǎn)Ni的輔助集.
依據(jù)N D NS算法冗余查找,每個(gè)冗余節(jié)點(diǎn)Mj向距離自己最近的非冗余節(jié)點(diǎn)Ni發(fā)送一個(gè)加入請(qǐng)求信息,節(jié)點(diǎn)Ni接收加入請(qǐng)求信息,并將冗余節(jié)點(diǎn)Mj加入到自身的輔助節(jié)點(diǎn)集SN;若節(jié)點(diǎn)Ni有多個(gè)輔助節(jié)點(diǎn),選擇距離能量比EL.最大的冗余節(jié)點(diǎn)作為自己的輔助節(jié)點(diǎn),輔助節(jié)點(diǎn)集SN中其余的冗余節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài).非冗余節(jié)點(diǎn)和輔助節(jié)點(diǎn)作為一個(gè)整體參與簇頭的競(jìng)選.
2.4 簇頭競(jìng)選標(biāo)準(zhǔn)
LEACH-C算法在簇頭競(jìng)選時(shí)考慮了節(jié)點(diǎn)的剩余能量,但沒(méi)有考慮節(jié)點(diǎn)與Sink節(jié)點(diǎn)之間的距離的影響.基于此,提出一種新的簇頭選取因子:距離能量比EL(distance-energy level).
定義1假設(shè)節(jié)點(diǎn)為Ni,i=1,2,…,n,Ei為節(jié)點(diǎn)Ni的剩余能量,則
式中,d(NS,Ni)為Sink節(jié)點(diǎn)與Ni之間的距離.網(wǎng)絡(luò)初始化階段,Sink節(jié)點(diǎn)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)廣播消息,網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的消息的信號(hào)強(qiáng)度估算與Sink節(jié)點(diǎn)之間的距離d(NS,Ni);p為簇頭的節(jié)點(diǎn)占節(jié)點(diǎn)總數(shù)的百分率;λ為當(dāng)前的輪數(shù);mod(1/p)代表這一輪循環(huán)中當(dāng)選簇頭的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù);G是在過(guò)去1/p輪中未充當(dāng)簇頭的節(jié)點(diǎn)集合.
2.5 簇的形成
非冗余節(jié)點(diǎn)及其輔助節(jié)點(diǎn)作為一個(gè)整體參與簇頭競(jìng)爭(zhēng),簇的形成過(guò)程如下:
Step 1根據(jù)式(5)選舉主簇頭.若主簇頭有輔助節(jié)點(diǎn),進(jìn)入Step 2;否則,進(jìn)入Step 3.
Step 2輔助節(jié)點(diǎn)的剩余能量大于能量閾值Ea時(shí),當(dāng)選為副簇頭;若低于Ea,輔助節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠,進(jìn)入Step 3.
Step 3主簇頭節(jié)點(diǎn)廣播消息,網(wǎng)絡(luò)中的非冗余節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收信號(hào)的強(qiáng)弱加入該簇.
Step 4簇頭給簇內(nèi)發(fā)送包括簇內(nèi)編號(hào)、主副簇頭等信息.若簇沒(méi)有副簇頭,進(jìn)入Step 5.
Step 5在簇內(nèi)的普通節(jié)點(diǎn)中選擇EL最大的節(jié)點(diǎn)為副簇頭,并在簇內(nèi)廣播副簇頭消息.
簇形成后,普通節(jié)點(diǎn)的輔助節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠.簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)在時(shí)分多址(T D M A)時(shí)隙內(nèi)將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給主簇頭,主簇頭進(jìn)行融合后發(fā)送給副簇頭,副簇頭再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給臨近簇的副簇頭,最后將數(shù)據(jù)傳送到基站.使用主副簇頭分擔(dān)不同的任務(wù),可以在一定程度上將簇頭的能耗分散,實(shí)現(xiàn)能耗均衡,延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期.
2.6 簇間通信
簇形成后,簇頭向其覆蓋半徑2r內(nèi)發(fā)送簇頭消息,消息包含節(jié)點(diǎn)ID及距離能量級(jí)EL.各簇頭比較自身和收到的EL,選擇EL最大的簇頭節(jié)點(diǎn)作為父節(jié)點(diǎn),并發(fā)送入簇消息通知父節(jié)點(diǎn);若節(jié)點(diǎn)未收到任何簇頭和入簇消息,將直接與基站通信,這種情況可能發(fā)生在節(jié)點(diǎn)絕大部分死亡的情況或距離基站近且能量足夠的節(jié)點(diǎn).圖3是D HCNS協(xié)議的示意圖.
圖3 D H C N S協(xié)議Fig.3 D H C N S protocol
仿真以Matlab軟件為平臺(tái),模擬實(shí)現(xiàn)了LEACH-C協(xié)議、LEACH-C+N D NS協(xié)議以及D HCNS協(xié)議,對(duì)3種協(xié)議的性能進(jìn)行比較,仿真環(huán)境參數(shù)為:仿真區(qū)域?yàn)?00 m×100 m的正方形區(qū)域,Sink節(jié)點(diǎn)位置為(100,200),節(jié)點(diǎn)的初始能量為0.5 J,傳感半徑為10 m,通信半徑為20 m,數(shù)據(jù)包大小為4 000 bit,控制包大小為100 bit,Ef為10 pJ/(bit·m-2),Ee為50 nJ/bit,Eu為5 nJ/bit,Ea為0.001 3 pJ/(bit·m-2).
當(dāng)節(jié)點(diǎn)的能量耗盡時(shí)節(jié)點(diǎn)死亡.由于休眠狀態(tài)下節(jié)點(diǎn)的能耗相對(duì)發(fā)送/接收狀態(tài)下的能耗很小,因此,假定此狀態(tài)下節(jié)點(diǎn)能量消耗為0.
圖4給出了2種場(chǎng)景下3種協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間情況.在場(chǎng)景1中節(jié)點(diǎn)數(shù)量為200,場(chǎng)景2中節(jié)點(diǎn)數(shù)量為300.圖5給出了2種場(chǎng)景下3種協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)總能耗情況.從圖4可以看出,LEACH-C出現(xiàn)第一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡的時(shí)間要遠(yuǎn)早于后面的2種協(xié)議,因?yàn)?,LEACH沒(méi)有采用冗余節(jié)點(diǎn)休眠機(jī)制,網(wǎng)絡(luò)中大量節(jié)點(diǎn)處于活躍狀態(tài),加劇了節(jié)點(diǎn)的能量消耗,導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)過(guò)早的死亡.D HCNS協(xié)議由于采用了雙簇頭機(jī)制,進(jìn)一步降低了主簇頭的能量損耗,因此,其性能要優(yōu)于LEACH-C+N D NS.
從圖5可以看出,LEACH-C的性能在節(jié)點(diǎn)數(shù)為300時(shí)要差于節(jié)點(diǎn)數(shù)為200時(shí).隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增多,監(jiān)測(cè)區(qū)域沒(méi)有變化時(shí),過(guò)多的活躍節(jié)點(diǎn)反而使得網(wǎng)絡(luò)的性能變差,網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間變短.節(jié)點(diǎn)數(shù)發(fā)生變化時(shí),其它2種協(xié)議的冗余查找方式相同,因此,2種場(chǎng)景下的路由協(xié)議并沒(méi)有很大的差異,但D HCNS協(xié)議中采用雙簇頭機(jī)制,選擇主簇頭的冗余節(jié)點(diǎn)為其副簇頭,隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加,冗余節(jié)點(diǎn)增多,因此,可作為副簇頭的節(jié)點(diǎn)也增多,進(jìn)一步將簇頭能耗平攤到其它節(jié)點(diǎn),即節(jié)點(diǎn)數(shù)量為300時(shí),D HCNS的性能要優(yōu)于節(jié)點(diǎn)數(shù)量為200時(shí)的性能.
圖4 網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間Fig.4 Lifetime of network
圖5 網(wǎng)絡(luò)的總能耗Fig.5 The total energy consu m ption of network
在研究分簇算法和節(jié)點(diǎn)調(diào)度算法的基礎(chǔ)上,提出了一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)調(diào)度優(yōu)化分簇算法(D HCNS).D HCNS算法可以運(yùn)用于任何大量節(jié)點(diǎn)部署的W SN中,該算法先查找網(wǎng)絡(luò)冗余節(jié)點(diǎn),減少活躍節(jié)點(diǎn)的數(shù)量,然后在活躍節(jié)點(diǎn)中選取主副簇頭.主簇頭根據(jù)節(jié)點(diǎn)的剩余能量和距離能量比選取,副簇頭主要在主簇頭的冗余節(jié)點(diǎn)中選取,從而更加有效地提高網(wǎng)絡(luò)性能.通過(guò)雙簇頭分擔(dān)網(wǎng)絡(luò)任務(wù),主簇頭主要負(fù)責(zé)簇內(nèi)通信,副簇頭則是簇間通信,將網(wǎng)絡(luò)能耗均分到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中,實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存周期的目的.
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(編輯:石 瑛)
Double Head Clustering Algorith m Based on N ode Scheduling in W ireless Sensor Netw orks
W U Chun-xue, BI Chun-xia, MENG Qi-chen
(School of Optical-Electrical and Com puter Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)
In order to prolong the lifetime of wireless sensor network(W SN)and improve the energy efficiency,a double cluster head routing protocol based on node schedulingmethod(D HCNS)for W SN was proposed by combining the techniques of cluster and node scheduling.In the algorithm the node scheduling was used to reduce the number ofactive nodes before clustering. The master and vice cluster-head were selected according to both on node energy and distance to base station and the redundant nodes were selected as the vice cluster-head in priority.The master cluster-head was used for collecting and integrating data.The vice cluster-head was in charge of transporting data to base station.The simulation results show that D HCNS can effectively reduce energy consumption,balance the energy of nodes,and prolong the network lifetime.
wireless sensor network;node scheduling;clustering;m aster-vice cluster head
TP 393
A
1007-6735(2013)05-0501-05
2012-12-30
國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61202376)
鄔春學(xué)(1964-),男,教授.研究方向:無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng).E-mai l:tyfond@126.com