一种低能耗层次型无线传感器网络拓扑控制算法

第36卷第4期自动化学报Vol.36,No.4 2010年4月ACTA AUTOMATICA SINICA April,2010

一种低能耗层次型无线传感器网络拓扑控制算法

康一梅1李志军2胡江3董吉昌4

摘要提出一种低能耗层次型拓扑控制算法(A low-power hierarchical wireless sensor network topology control algo-rithm,简称LPH算法).该算法是一种支持多跳网络、降低能耗的多级组网控制算法.它将拓扑控制分为组网和拓扑维护两个阶段,其中组网阶段包括选择簇头、标识簇头及簇内节点、优化拓扑三个任务,算法在各个阶段、各个任务中都考虑了节能.同时,在簇头选择时考虑了簇头节点分布均衡问题,通过优化拓扑降低簇内通信能耗.其次,通过静态地址与动态地址结合的方式提高网络层次及可维护性.本文详细介绍了LPH算法及其思想,给出算法的空间复杂度、时间复杂度及能耗分析,并基于NS2仿真工具,对LEACH、PEGASIS和LPH三种算法分别进行了模拟仿真,说明LPH算法的性能与优势.

关键词拓扑控制算法,多跳网络,分簇拓扑算法,低能耗,网络生存期

DOI10.3724/SP.J.1004.2010.00543

A Low-power Hierarchical Wireless Sensor Network Topology Control Algorithm

KANG Yi-Mei1LI Zhi-Jun2HU Jiang3DONG Ji-Chang4

Abstract In this paper,a low-power hierarchical wireless sensor network(WSN)topology control algorithm,which is called LPH,is presented.LPH is a multi-level topology control algorithm.In this algorithm,the topology control is divided into two phases:network building and network maintaining.The phase of network building includes three tasks: cluster head election,cluster head and nodes identification,and topology optimization.LPH provides solutions to reduce energy consumption in every phase and every task.LPH also provides a solution to balance the distribution of the cluster head nodes.On the other hand,the algorithm extends the network-level and improves the maintainability of WSN by using combination of the static address and dynamic address.The paper analyzes space complexity,time complexity and energy consumption of LPH.Finally,this paper introduces the simulation of LEACH,PEGASIS and LPH algorithms based on NS2,and analyzes the simulation results.

Key words Topology control algorithm,multi-hop network,clustered topology algorithm,low power,network life cycle

网络拓扑结构是自组织无线传感器网络中路由算法、MAC协议、数据融合、时间同步和目标定位等的基础,好的网络拓扑控制算法能够提高通信效率和网络拓扑结构的鲁棒性、节省能量,并延长网络的生存期.

基于分簇机制的层次型拓扑控制算法是目前常用的一类拓扑控制算法.层次型拓扑控制算法的关键在于推选出合适的簇头节点.近年来,研究人员提出了多种传感器网络的层次型拓扑控制算法[1−9]: Heinzelman等提出的LEACH层次型拓扑控制算法[1],在每个数据收集的周期开始,一小部分节点随机成为簇头,在数据传输阶段,簇头以单跳通信的方

收稿日期2008-07-10录用日期2009-09-19

Manuscript received July10,2008;accepted September19, 2009

1.北京航空航天大学软件学院嵌入式实验室北京100083

2.西门子(中国)研究院无线通信部北京100102

3.中国兵器工业计算机应用技术研究所北京100102

4.握奇数据系统有限公司平台开发中心北京100102

1.Embedded Software Laboratory,College of Software,Bei-hang University,Beijing100083

2.Wireless Communications Department of Siemens(China)Corporate Technology,Beijing 100102

3.Beijing Institute of Computer Application and Technology,Beijing100102

4.Platform Develop Department of Watchdata System Co,Ltd.,Beijing100102式将融合后的数据传输给Sink节点.为了提高簇的生成质量,Heinzelman等又提出了集中式的层次型拓扑控制算法LEACH-C以及考虑节点能量的算法[2].Lindsey等提出的PEGASIS算法将网络中的节点组织为链状,数据在链上经融合处理,最后传输至汇聚点[3],算法需要知道每个节点的位置信息,为了延长网络的生命周期,节点只需要和它们最近的邻居之间进行通信.节点与汇聚点间的通信过程是轮流进行的,这种轮流通信机制使得能量消耗能够统一地分布到每个节点上,因此降低了整个传输所需消耗的能量.Dasgupta等提出了一种基于分簇的启发式算法来最大化网络的存活时间,算法需要知道节点的位置信息和能量信息[4].Choi等提出两阶段分簇协议TCP,在簇内构造多跳路由链路以节约能量[5].

近年来,国内也提出了很多新的拓扑控制算法: EEUC高效非均匀分簇算法通过以主动的方式来均衡网络中所有节点的能量消耗,特别是均衡簇头的能量消耗[6].EC-LEACH算法通过对LEACH算法中的簇头选举阈值的修改以及让簇头主动“让贤”的方法选择簇头,从而达到平衡网络节点消耗的目的[7].DCPC基于能量保护的分布式拓扑控制算法