引言

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂扑惴ǖ难芯恐?，利用簡化冗余路徑可以降低通信干擾，減少能量消耗，并且延長網(wǎng)絡(luò)生存期。但是，以路徑簡化為主要方法的拓?fù)淇刂票囟◣砭W(wǎng)絡(luò)的健壯性下降。因此，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂蒲芯恐校枰紤]具有容錯特性的拓?fù)淇刂茊栴}。如何建立能夠在當(dāng)K-1個節(jié)點(diǎn)失效時，仍然具有連通性的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，是近年來研究的一個熱點(diǎn)問題。

近年來，很多學(xué)者開展了關(guān)于容錯拓?fù)浣扑惴ǖ难芯?。如維持網(wǎng)絡(luò)K連通的全局近似算法FGSS和局部近似算法FLSS。但是由于這兩種算法不停地對比網(wǎng)絡(luò)路徑和判斷網(wǎng)絡(luò)是否達(dá)到K連通，開銷較大。文獻(xiàn)以同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)為對象，提出了CBTC（a）算法。該算法中當(dāng)a=2π／3K條件滿足時，可使原網(wǎng)絡(luò)的生成子圖保持K連通性。文獻(xiàn)對隨機(jī)分布無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射半徑與形成K連通圖的概率關(guān)系進(jìn)行了分析，并提出Yp，K結(jié)構(gòu)能夠使生成K連通子圖保持原拓?fù)涞腒連通性。文獻(xiàn)提出了集中式和分布式算法K-UPVCS，但是該算法產(chǎn)生的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)極易產(chǎn)生回路而造成網(wǎng)絡(luò)不能夠連通。

本文在異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型上，提出了一種基于多簇點(diǎn)簡化的K容錯能量均衡拓?fù)淇刂品桨?。該方案在保證傳感器網(wǎng)絡(luò)K連通的前提下；可最大限度減少傳感器網(wǎng)絡(luò)中的冗余路徑，且可以較好地均衡無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)能耗。

1、 異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型

定義異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，V表示傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)集合，E表示節(jié)點(diǎn)之間的通信路徑集合。傳感器網(wǎng)絡(luò)中包括三類節(jié)點(diǎn)：監(jiān)測節(jié)點(diǎn)、接力節(jié)點(diǎn)和簇節(jié)點(diǎn)。設(shè)該傳感器網(wǎng)絡(luò)中，有N個用于信息監(jiān)測的傳感器節(jié)點(diǎn)Vs，該類節(jié)點(diǎn)用于采集監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的信息，并將信息發(fā)送到鄰居節(jié)點(diǎn)，且承擔(dān)轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的任務(wù)；為了使監(jiān)測區(qū)域內(nèi)保持網(wǎng)絡(luò)連通，布署了R個用于數(shù)據(jù)接力節(jié)點(diǎn)Vr，接力節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)信息的轉(zhuǎn)發(fā)。監(jiān)測節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)多跳轉(zhuǎn)發(fā)最終傳送到簇節(jié)點(diǎn)Vc，簇節(jié)點(diǎn)一方面接收簇內(nèi)的信息，同時參與簇之間的信息轉(zhuǎn)發(fā)，設(shè)簇節(jié)點(diǎn)個數(shù)為M。在該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型中，有V=Vs∪Vr∪Vc。

2、 基于多簇點(diǎn)簡化的K容錯能量均衡拓?fù)淇刂品桨?/p>

本文提出了一個K容錯能量均衡拓?fù)淇刂品桨?。首先，為了簡化運(yùn)算，該方案將多簇點(diǎn)異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)簡化為單簇點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，簡化后的網(wǎng)絡(luò)連通性與簡化前相同，且路徑保持能量最??；然后，在簡化后的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上，提出了一個K-MST算法，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的位置信息，建立各監(jiān)測節(jié)點(diǎn)到簇節(jié)點(diǎn)的最小能耗的K連通網(wǎng)絡(luò)。

2．1 異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)多簇點(diǎn)簡化

在簡化監(jiān)測節(jié)點(diǎn)與簇節(jié)點(diǎn)路徑時，若監(jiān)測節(jié)點(diǎn)和多個簇節(jié)點(diǎn)間存在路徑時，則保留監(jiān)測節(jié)點(diǎn)到簇節(jié)點(diǎn)的最小路徑。由此可見，如果網(wǎng)絡(luò)原拓?fù)涫荎連通的，則簡化后的拓?fù)淙詾镵連通且是能量消耗最小的單簇點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2．2 K-MST拓?fù)淇刂扑惴?/p>

3、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和性能分析

構(gòu)建1 000 m×1 000 m無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真區(qū)域，網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)布置監(jiān)測節(jié)點(diǎn)70～140個不等，令網(wǎng)絡(luò)中監(jiān)測節(jié)點(diǎn)最大發(fā)射半徑為400 m，取簇節(jié)點(diǎn)個數(shù)N=3，首先對該網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行多簇點(diǎn)簡化，然后分別采用YG6，3算法、FLSS3算法以及本文提出的K-MST算法（K=3）進(jìn)行保證每個節(jié)點(diǎn)至簇節(jié)點(diǎn)有3條不相關(guān)路徑的拓?fù)淇刂?，對每種算法分別進(jìn)行50次仿真，將所得的節(jié)點(diǎn)平均度數(shù)和未進(jìn)行拓?fù)淇刂乒?jié)點(diǎn)平均度數(shù)進(jìn)行比較，如圖1所示。

從圖1可以看出，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模增大，未進(jìn)行拓?fù)淇刂频木W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)平均度數(shù)由11．4增加到23．37，且增長速度很快。采用三種拓?fù)淇刂扑惴ň鶎⒐?jié)點(diǎn)的度數(shù)進(jìn)行了有效的控制，將平均度數(shù)減小到了16以下，這三種算法中，本文提出的K-MST算法將節(jié)點(diǎn)平均度數(shù)保證在2．8～2．94之間，比其他兩種算法更多地減少了路徑的冗余，較小的網(wǎng)絡(luò)冗余減少了數(shù)據(jù)傳輸過程中的數(shù)據(jù)沖突耗，可延長能量有限的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作壽命，又可較好地保證網(wǎng)絡(luò)的連通性。

采用YG6，3算法、FLSS3算法以及3-MST算法分別進(jìn)行50次仿真，將生成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中平均鏈路長度和未進(jìn)行拓?fù)淇刂频钠骄溌烽L度進(jìn)行比較，如圖2所示。

從圖2可以看出，由于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模增大，采用三種拓?fù)淇刂扑惴ㄋ玫木W(wǎng)絡(luò)平均鏈路長度均呈下降趨勢，采用3-MST算法得到的平均鏈路長度最小。這意味著在采用3-MST算法生成拓?fù)涞穆窂缴线M(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，比另外兩種算法可以消耗更少的能量，從而延長網(wǎng)絡(luò)壽命。

4 、結(jié)論

針對異構(gòu)監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一個優(yōu)化的拓?fù)淇刂品桨?，在減少網(wǎng)絡(luò)冗余的同時兼顧了網(wǎng)絡(luò)的容錯性，并且保證生成拓?fù)淇梢杂行а娱L網(wǎng)絡(luò)生存周期。該拓?fù)淇刂品桨冈诒ＷC傳感器網(wǎng)絡(luò)K連通的前提下，可以最大限度減少傳感器網(wǎng)絡(luò)中的冗余路徑，可以較好地均衡無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。