基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲控制算法

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1、基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲控制算法　　【摘要】拓撲控制在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中具有舉足輕重的作用，對于延長生命周期、減小通信干擾、提高通信效率方面具有重要作用。在提出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲控制的設(shè)計目標(biāo)后，從功率控制和分簇拓撲控制兩個方向去舉例解釋當(dāng)前兩個主流算法的現(xiàn)象。　　【關(guān)鍵詞】無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；拓撲控制；功率控制；分簇拓撲控制　　0引言　　隨著德國工業(yè)4.0的推進，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也得到了很大的發(fā)展，而無線傳感器網(wǎng)路在社會各個領(lǐng)域有著無可替代的作用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部署大量的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點并且通過無線通行方式通信的網(wǎng)絡(luò)。但是在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點通常使用電池供

2、電，而一般無線傳感器網(wǎng)路都是比較龐大的，并且由于其環(huán)境條件使其更換電池相當(dāng)?shù)牟环奖?，所以，想要充分利用?jié)點有限的能量去完成數(shù)據(jù)的融合和轉(zhuǎn)發(fā)，就必須有一個好的拓撲控制機制來優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)，這樣可以合理利用能量來達到延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期?！　?無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲控制的設(shè)計目標(biāo)6　　對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，一個良好的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)能夠有效的提高路由協(xié)議和MAC協(xié)議的效率；在保證網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的連通性、降低能量的損耗、延長網(wǎng)絡(luò)生命周期、減小節(jié)點間的通信干擾、提高通信效率等方面具有很好的作用，所以，在以下幾個方面作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的設(shè)計目標(biāo)。　　1.1保證監(jiān)測區(qū)域覆蓋和網(wǎng)

3、絡(luò)連通　　由于覆蓋控制是拓撲控制的基本問題，故網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量成為首要考慮的目標(biāo)。即在保證一定覆蓋質(zhì)量的前提下，也要保證網(wǎng)絡(luò)的連通性，這樣才能既能有效的監(jiān)測目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的問題和現(xiàn)象，又能保證及時的將監(jiān)測結(jié)果傳遞給其它網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，讓其做出處理?！　?.2合理利用能量，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期　　由于傳感器網(wǎng)路中的節(jié)點能量是由電池提供的，能量有限，所以合理利用能量也是保證網(wǎng)路生命周期不可忽視的問題之一。拓撲控制的一個重要目標(biāo)就是在保證網(wǎng)絡(luò)連通性和覆蓋質(zhì)量的情況下，盡量合理高效地使用網(wǎng)絡(luò)能量，延長整個網(wǎng)絡(luò)的生存時間。　　1.3減小節(jié)點間的通信干擾，提高網(wǎng)絡(luò)通信效率　　一般情況下無線傳感

4、器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)目比較多且布置密集，如果每個節(jié)點都由其自身最大的功率進行通信時，會加劇節(jié)點間的通信干擾，減低通信效率，同時也會造成能量的浪費；同時如果選擇太小的發(fā)射功率，無法保證網(wǎng)絡(luò)的連通性質(zhì)量。所以要在連通性和通信干擾間尋找一個平衡點。　　1.4確定移動節(jié)點和骨干節(jié)點，便于數(shù)據(jù)的傳輸與處理　　在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)需要通過移動的節(jié)點，而移動節(jié)點的確定則是由拓撲控制來選擇確定的。而傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)還需要進行融合，數(shù)據(jù)的融合則需要通過骨干節(jié)點發(fā)給專門收集數(shù)據(jù)的節(jié)點。所以，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，是對路由協(xié)議、數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)傳輸提供很好的基礎(chǔ)。6　　2

5、無線傳感器網(wǎng)路拓撲控制的算法　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲控制主要研究的方向是在保證一定的網(wǎng)絡(luò)連通性和覆蓋質(zhì)量的前提下，通過功率控制和簇頭節(jié)點的選擇，適當(dāng)?shù)厝コ恍┎槐匾耐ㄐ沛溌罚纬梢粋€數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。即無線傳感器網(wǎng)路的拓撲控制方式按照研究方向可以分為兩類：功率控制和分簇拓撲控制。功率控制就是通過選擇合適的發(fā)射功率，在保證網(wǎng)絡(luò)連通性和覆蓋質(zhì)量的前提下，將其能量損耗降到最低。分簇拓撲控制就是利用合理的分簇算法，選擇出一些節(jié)點成為簇頭節(jié)點形成一個處理和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的骨干網(wǎng)絡(luò)，其他非簇頭節(jié)點可以通過休眠機制來選擇關(guān)閉節(jié)點，來達到節(jié)能的目的。　　2.1功率控制算法

6、　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的功率控制是通過對節(jié)點發(fā)射功率的動態(tài)調(diào)整和合理設(shè)置，在保證網(wǎng)絡(luò)連通性、覆蓋質(zhì)量的同時，通過一些方法使得整個網(wǎng)路中節(jié)點的能量消耗最小，從而延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。目前，功率控制算法主要有基于鄰近圖的DRNG算法和DLMST算法，基于方向控制的CBTC算法，基于節(jié)點度的LMA算法和LMN算法，與路由協(xié)議結(jié)合的COMPOW算法等等。　　以COMPOW算法為例，其基本的原則就是所有的傳感器節(jié)點使用相同的發(fā)射功率，在保證一定的網(wǎng)絡(luò)連通性的前提下，使其功率最小。功率的最小化是為了在降低傳輸過程中能耗的同時提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，因此，COMPOW在延長網(wǎng)絡(luò)生命周

7、期、降低MAC層沖突中占據(jù)優(yōu)勢。COMPOW在不同功率層上建6立路由表，在每個路由表中同時反映出節(jié)點連通性的數(shù)據(jù)，最終選擇在全局連通性相同的條件下選擇最低功率。當(dāng)然，功率的一致性也導(dǎo)致了在節(jié)點分布不均勻是會導(dǎo)致所有節(jié)點選擇過大的發(fā)射功率，這是違背設(shè)計原則的，同時功率的最小化也使得拓撲結(jié)構(gòu)不具備較好的容錯能力。　　2.2分簇拓撲控制算法　　分簇拓撲控制算法主要原則就是由簇頭節(jié)點組成骨干網(wǎng)絡(luò)，讓骨干網(wǎng)絡(luò)的通信模式始終處于開啟狀態(tài)，而其它的普通節(jié)點則進入睡眠狀態(tài)（當(dāng)然也不一定），這樣就可以有效的降低網(wǎng)絡(luò)中能量的損耗，延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。　　具體的過程是先將全局網(wǎng)絡(luò)拓撲劃

8、分為相連的