如何使用分區(qū)自感簇頭實(shí)現(xiàn)無線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸機(jī)制

　　為解決當(dāng)前大規(guī)模無線傳感網(wǎng)部署中因分簇不當(dāng)導(dǎo)致能量消耗過大、網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量下降的問題，提出一種基于分區(qū)自感簇頭的無線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸保障方法。對整個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò)分區(qū)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)指定射頻信號最強(qiáng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)為簇頭（CH）節(jié)點(diǎn)。在每一個(gè)分區(qū)內(nèi)，通過計(jì)算每個(gè)簇成員節(jié)點(diǎn)（CM 節(jié)點(diǎn)）的能量閾值，從中選擇閾值最佳以及輪詢時(shí)間最短的節(jié)點(diǎn)作為CH節(jié)點(diǎn)的備用節(jié)點(diǎn)，對觸發(fā)這種輪換的最佳時(shí)刻進(jìn)行分析計(jì)算，以便能夠?qū)ふ业骄W(wǎng)絡(luò)能耗水平最小化的約束條件，降低網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)重建過程中的能量開支，從而提高無線傳感網(wǎng)的生命周期，保障數(shù)據(jù)在傳感網(wǎng)絡(luò)存活時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效傳輸。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該機(jī)制能有效延長網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定時(shí)間，改善網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量，并減少網(wǎng)絡(luò)整體能耗。

　　由于分簇結(jié)構(gòu)在無線傳感網(wǎng)中具有重要的地位，一般來說，每個(gè)分區(qū)都應(yīng)該包含一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)（ＣｌｕｓｔｅｒＨｅａｄ，ＣＨ）和２個(gè)及以上的簇成員節(jié)點(diǎn)（ＣｌｕｓｔｅｒＭｅｍｂｅｒ，ＣＭ）。其中，ＣＨ節(jié)點(diǎn)維持一定功率的能力輸出，尋找通信鏈路并優(yōu)化，從而保障數(shù)據(jù)通信任務(wù)。從本質(zhì)上說，ＣＨ節(jié)點(diǎn)起到將各種形式的能量進(jìn)行傳輸?shù)娜蝿?wù)，其能量的強(qiáng)弱與ＣＨ節(jié)點(diǎn)搜集并發(fā)送的各種無線射頻信號的強(qiáng)度息息相關(guān)。由于ＣＨ節(jié)點(diǎn)在分區(qū)簇結(jié)構(gòu)內(nèi)起到舉足輕重的作用，因此需要采取一定的措施保障無線射頻信號能夠安全、可靠、穩(wěn)定地在這種大規(guī)模無線傳感網(wǎng)絡(luò)中傳輸。而ＣＨ節(jié)點(diǎn)的能量消耗水平比簇成員的能量消耗水平高得多，一旦能量耗盡，ＣＨ節(jié)點(diǎn)停止工作，那么整個(gè)無線傳感網(wǎng)就處于癱瘓的狀態(tài)。

　　為此，研究人員設(shè)計(jì)了動態(tài)簇節(jié)點(diǎn)輪換機(jī)制，主要有閾值自感觸發(fā)機(jī)制（ＴｈｒｅｓｈｏｌｄＳｅｌｆＴｒｉｇｇｅｒｉｎｇＭｅｃｈａｎｉｓｍ，ＴＳＴＭ）和動態(tài)平均輪換機(jī)制（ＤｙｎａｍｉｃＡｖｅｒａｇｅＲｏｔａｔｉｏｎＭｅｃｈａｎｉｓｍ，ＤＡＲＭ）２種。ＴＳＴＭ 機(jī)制采用簇頭動態(tài)自感能量閾值的辦法，通過計(jì)算簇頭能量閾值Ｅｔｈ來觸發(fā)簇頭輪換過程，可顯著降低能耗水平，典型代表如ＥＤＡＣ和ＥＤＣＲ機(jī)制。

　　給出了一種基于ＥＤＡＣ和ＥＤＣＲ機(jī)制的最佳能量閾值計(jì)算的解，而且證明了在特定條件限制下，采取能量閾值進(jìn)行簇頭輪換的方式要優(yōu)于采?。模粒遥?機(jī)制。但是，基于ＴＳＴＭ 機(jī)制的簇頭輪換在計(jì)算能量閾值時(shí)效率不高，容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞。

　?。模粒遥?機(jī)制主要采取預(yù)設(shè)周期平均輪換簇頭節(jié)點(diǎn)的方式觸發(fā)簇頭輪換過程，使得每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有機(jī)會成為簇頭節(jié)點(diǎn)來保障能量傳輸。給出了分區(qū)節(jié)點(diǎn)中選擇性能最好的節(jié)點(diǎn)作為初始時(shí)刻的簇頭節(jié)點(diǎn)，分析證明了在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量高于一定數(shù)值之后，采?。模粒遥?機(jī)制更能保證網(wǎng)絡(luò)正常的運(yùn)行，而且給出了每次都選擇性能最好節(jié)點(diǎn)的情況下的最優(yōu)解。但是這種算法的簇頭節(jié)點(diǎn)輪換是在全網(wǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行，輪換過程往往會影響到無線傳感節(jié)點(diǎn)正常的射頻信號發(fā)射和接收，另外由于周期是事先設(shè)定的，不能隨著網(wǎng)絡(luò)狀況的好壞而進(jìn)行動態(tài)的設(shè)定。

　　為解決上述難題，本文分析基于分區(qū)自感簇頭方式的大規(guī)模無線傳感網(wǎng)的能耗，在此基礎(chǔ)上給出基于分區(qū)自感簇頭的無線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸保障機(jī)制。該機(jī)制分為２個(gè)部分，首先給出基于負(fù)載的簇頭能量閾值Ｅｔｈ的計(jì)算，然后采取一種分層的分區(qū)拓?fù)渲亟ㄅc自感簇頭輪換算法（ＴｏｐｏｌｏｇｙＲｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆＳｅｌｆＩｎｄｕｃｔａｎｃｅａｎｄＣＨＲｏｔａｔｉｏｎＡｌｇｏｒｉｔｈｍ，ＴＲＯＳＩＡＲＡ）機(jī)制，完成區(qū)域內(nèi)的準(zhǔn)簇簇頭結(jié)構(gòu)的重建。該機(jī)制從ＭＡＣ層進(jìn)行調(diào)度，可以迅速在分區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)簇頭的建立與故障檢測。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)工作正常時(shí)，簇頭依據(jù)節(jié)點(diǎn)剩余能量進(jìn)行備份選擇。一旦簇頭節(jié)點(diǎn)無法正常工作，備份簇頭將迅速替代原簇頭，從而維持該區(qū)域內(nèi)射頻信號的保障傳輸工作，延長網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定時(shí)間。

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