无线传感网络扩展性研究

王亭 王莹莹

【摘要】 本文充分考虑新节点加入过程中对当前网络的影响，通过对入网许可值的定义，使得节点入网后，网络中的各簇更加均衡，并有效的降低了网络的能量消耗，有助于延长网络的寿命。

【关键词】 网络许可 扩展性 网络能耗

一、引言

由于传感器网络应用的特殊性，在保证网络正常运行的情况下，提高能量的利用率，成为无线传感器网络的研究热点。现有的方法通常需要考虑节点的可扩展性。

然而，现有的方法均是通过设置网络的分簇方法，并周期的进行簇的重建，以提高对网络中节点的利用度，即利用簇的重建，可以将网络中的新入节点添加到网络中，由此实现节点的入网。

然而在实际的网络中，节点的加入时间是随机的，而为了能够及时的让新入节点投入工作，并兼顾网络的均衡性，是当前需要考虑的一个重点问题[1]。

为了解决上述问题，本方案引入入网许可值，通过对节点的位置分布、簇头的能量、以及相应簇的负载值的考虑，选择节点所要加入的簇，通过预留TDMA时隙，以便节点可以在任意时刻融入到当前的网络中。

二、算法描述

当网络成簇后，簇头中除了包括簇内节点的相关信息外，还与其他的簇头共享其位置及能量信息，由此，每个簇头均包括网络中所有簇头的位置及能量信息，且上述信息周期性更新，且当网络簇头选择后，在为其分配成员节点分配TDMA时隙时，均预留一定的时隙。

当有节点加入时，向距离自己最近的簇头发送通知消息，其中，消息中包括该新入网节点的位置及能量信息，当该簇头接收到上述消息后，计算该节点的入网许可值，以确定该节点最终的归属。

其中，该节点的入网许可值m通过该节点与该簇头的距离d、簇头的能量值E、该簇头所在簇的负载值p获得；其中，节点的入网许可值的计算公式如下：

其中，簇的负载值p为当前簇的成员节点值与当前网络中簇的平均成员节点值的比值；

然后该簇头获取距离该簇头一跳的邻簇头到该新入网节点的距离以及该邻簇头的能量值，然后依次计算该新入网节点到各个簇头的入网许可值，然后与距离最近的簇头的入网许可值进行比较，获取其中入网许可最大的作为该新入网节点的簇头，然后该簇头通知对应的簇头有新节点加入的消息，并在消息中承载该新入网节点的信息，然后相应的簇头在其预留的TDMA中设置新的时隙，然后在当前簇中广播该节点的加入，并通知该节点为其分配对应的TDMA时隙，从而完成新入网节点的入网。

由此可见，通过对所要加入簇的能量和距离的考虑，使得选择的簇头对于新入网节点而言，具有更好的健壮性，而通过对簇的负载值的考虑，使得网络的负载分布更均匀。

同时，引入数据共享机制，减少了网络中数据的交互量，而且由于仅计算距离新入网节点最近的簇头以及该簇头一跳内的簇头的入网许可值，降低簇头的计算量，更符合现有网络中关于节能的要求。

而且该过程可以发生在网络通信的任意节点，而不用等待到簇的重建。

三、仿真实验

本文采用现有的LEACH[2]成簇算法完成簇头的选择，并在该场景下完成新节点的加入，与本方案中所涉及的新节点加入进行比较。

仿真结果表明，本文所述方案不仅能够降低网络簇头的能量消耗，而且在新节点加入后，网络的健壮性更强，负载更均衡，能够较好的延长网络的能量消耗。

四、结束语

本文通过对现有技术中关于节点加入过程中，网络扩展性需要的考虑，引入了入网许可值的概念，使用节点与簇头的距离、簇头的能量值、该簇头所在簇的负载值实现对入网许可值的定义，由此决定节点在网络中的归属。上述方法不仅能够较好的实现节点的入网，并且有助于网络的均衡性、健壮性的增强，易于实现网络的扩张，且在移动网络中也具有广阔的应用空间。

参 考 文 献

[1] Zhou H Y， Luo D Y， Gao Y. Modeling of Node Energy Consumption for Wireless Sensor Networks[J]. Wireless Sensor Network， 2011， 3（1）： 18-23.

[2] Handy M J， Haase M， Timmermann D. Low energy adaptive clustering hierarchy with deterministic cluster-head selection [J]. Mobile and Wireless Communications Network， 2002. 4th International Workshop on 10.1109/ MWCN. 2002： 368-37.