基于多簇點簡化的K容錯能量均衡拓撲控制方案

摘要：針對異構監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡結構，設計了一個容錯拓撲控制方案，在可以減少網(wǎng)絡冗余的同時，兼顧了網(wǎng)絡的穩(wěn)定性，并且保證生成拓撲具有最小的能量消耗。該方案首先將異構監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡簡化為同構傳感器網(wǎng)絡以簡化計算，然后根據(jù)節(jié)點的位置信息，建立各監(jiān)測節(jié)點到簇節(jié)點的能量消耗最小，并且可以保證K容錯的K連通子圖。該方案在保證傳感器網(wǎng)絡K連通的前提下，可以最大限度減少傳感器網(wǎng)絡中的冗余路徑，且可以較好地均衡無線傳感器網(wǎng)絡能耗，延長網(wǎng)絡生命周期。
關鍵詞：異構無線傳感器網(wǎng)絡；客錯拓撲控制；能量均衡；多簇點簡化

0 引言
在無線傳感器網(wǎng)絡拓撲控制算法的研究中，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)絡生存期。但是，以路徑簡化為主要方法的拓撲控制必定帶來網(wǎng)絡的健壯性下降。因此，在無線傳感器網(wǎng)絡拓撲控制研究中，需要考慮具有容錯特性的拓撲控制問題。如何建立能夠在當K-1個節(jié)點失效時，仍然具有連通性的無線傳感器網(wǎng)絡拓撲結構，是近年來研究的一個熱點問題。
近年來，很多學者開展了關于容錯拓撲近似算法的研究。如維持網(wǎng)絡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)絡路徑和判斷網(wǎng)絡是否達到K連通，開銷較大。文獻以同構網(wǎng)絡為對象，提出了CBTC(a)算法。該算法中當a=2π／3K條件滿足時，可使原網(wǎng)絡的生成子圖保持K連通性。文獻對隨機分布無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的發(fā)射半徑與形成K連通圖的概率關系進行了分析，并提出Yp,K結構能夠使生成K連通子圖保持原拓撲的K連通性。文獻提出了集中式和分布式算法K-UPVCS，但是該算法產(chǎn)生的拓撲結構極易產(chǎn)生回路而造成網(wǎng)絡不能夠連通。
本文在異構無線傳感器網(wǎng)絡模型上，提出了一種基于多簇點簡化的K容錯能量均衡拓撲控制方案。該方案在保證傳感器網(wǎng)絡K連通的前提下；可最大限度減少傳感器網(wǎng)絡中的冗余路徑，且可以較好地均衡無線傳感器的網(wǎng)絡能耗。

1 異構無線傳感器網(wǎng)絡模型
定義異構無線傳感器網(wǎng)絡，V表示傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點集合，E表示節(jié)點之間的通信路徑集合。傳感器網(wǎng)絡中包括三類節(jié)點：監(jiān)測節(jié)點、接力節(jié)點和簇節(jié)點。設該傳感器網(wǎng)絡中，有N個用于信息監(jiān)測的傳感器節(jié)點Vs，該類節(jié)點用于采集監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的信息，并將信息發(fā)送到鄰居節(jié)點，且承擔轉發(fā)其他節(jié)點數(shù)據(jù)的任務；為了使監(jiān)測區(qū)域內(nèi)保持網(wǎng)絡連通，布署了R個用于數(shù)據(jù)接力節(jié)點Vr，接力節(jié)點負責信息的轉發(fā)。監(jiān)測節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)多跳轉發(fā)最終傳送到簇節(jié)點Vc，簇節(jié)點一方面接收簇內(nèi)的信息，同時參與簇之間的信息轉發(fā)，設簇節(jié)點個數(shù)為M。在該無線傳感器網(wǎng)絡模型中，有V=Vs∪Vr∪Vc。

2 基于多簇點簡化的K容錯能量均衡拓撲控制方案
本文提出了一個K容錯能量均衡拓撲控制方案。首先，為了簡化運算，該方案將多簇點異構傳感器網(wǎng)絡簡化為單簇點網(wǎng)絡，簡化后的網(wǎng)絡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)絡結構上，提出了一個K-MST算法，根據(jù)節(jié)點的位置信息，建立各監(jiān)測節(jié)點到簇節(jié)點的最小能耗的K連通網(wǎng)絡。
2．1 異構傳感器網(wǎng)絡多簇點簡化
首先對異構傳感器網(wǎng)絡模型進行化簡。已知一個多簇點網(wǎng)絡，包括N個監(jiān)測節(jié)點和M個簇節(jié)點，V={n1，n2，…，nN，nN+1，nN+2，…，nN+M}。如果1≤i≤N，則節(jié)點ni為監(jiān)測節(jié)點；當Ni≤N+M時，ni為簇節(jié)點。

式中：表示在節(jié)點，ni的最大發(fā)射范圍Rmax(ni)內(nèi)，該節(jié)點到鄰居節(jié)點的路徑；dist(ni，nj)是節(jié)點，ni和nj之間的歐氏距離。由節(jié)點能量消耗模型可以算出路徑上數(shù)據(jù)傳輸需消耗節(jié)點能量值cost(ni，nj)。異構傳感器網(wǎng)絡多簇點簡化到單簇點的步驟描述如下：
步驟1：簡化節(jié)點V→Vr，使Vr={n1，n2，…，nN，nN+1}，即將M個簇節(jié)點簡化為1個節(jié)點nN+1，記為簇節(jié)點nroot，監(jiān)測節(jié)點不變。