无线传感器网络拓扑结构产生机制的局部化

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1、无线传感器网络拓扑结构产生机制的局部化摘要—无线传感器网络中需要的数据收集的基本拓扑结构是生成树，因为数据流主要是多对一的形式。网络中的节点可以通过两个阶段的处理自我设定成这样一个拓扑结构：所有节点的父类节点选择，根结点初始化能量流。我们展现了4种局部拓扑产生机制—最早优先型，随机型，最近优先型以及随机有利的父类选择型。在如下参数：节点度数，强度，通道质量，数据集合以及反应时间，下对拥有这些机制的网络进行了比对。研究表明，不管自我成型的机制多么局部化，都会影响整个网络。关键词：无线传感器网络，父类选择，信息提取，生成

2、树，集合树，局部/全局网络拓扑结构产生Ⅰ引言一个无线传感器网络实质上是节点的分布式收集，每个节点都有能力传感，计算，RF通信。在无线通信，计算以及MEMS技术的进步使生产廉价小巧的节点称为可能。我们可以想象在不久的将来，由数百或上千这些设备构成的无线传感器网络将应用在很多场合，如周围环境的监视，结构正常的监控，跟踪化学物质的意外漏出和溢出等[1,5,10]。在一些应用场合部署节点和事先设定好的拓扑结构是可能的，其他应用需要在边区或地区部署特别的无人的装置。我们考虑了在一些操作区部署了大量传感器节点的方案（例如，从一个

3、空中媒介分散或垂直布置）。因为要求可测量性以及在边区或敌区的无人操作环境，这个传感器网络必须可以自我配置。这篇文章的首要集中点是网络拓扑结构的自我配置。在典型的多对一数据收集应用中，需要的基本传感器网络拓扑结构是生成树。这种树可以通过两个阶段的处理来建造：所有节点根据他们收到的信息选择父类节点，然后是发现信息后的数据流出量。注意到这个简单的树建造过程，完全局部化发挥了很大作用，导致了一个可以升级的设计。文章中，先描述了四种拓扑结构产生机制：最早优先型，随机型，最近优先型以及随机有利型。这些局部化机制的不同是父类节点选

4、择占用了空间，导致了质量上不同的树结构。可以区分这些机制差别的一个重要的图形级别数据是节点度。接下来，我们在基于四种网络表现数据上：强度，通道质量，数据集合以及反应时间对四种机制进行了估算。主要不是找到最佳机制，因为，没有单一的战略对所有数据都表现的好。何况，我们的贡献是分析和评估不同的局部拓扑生成计划对全局网络性能的不同影响。文章的剩下部分安排如下：部分Ⅱ讨论了相关工作。部分Ⅲ介绍了在建造网络拓扑上的四种机制。部分Ⅳ讨论了用来评估的数据。部分Ⅴ提供了仿真的建立以及仿真结果。结论和工作展望在第Ⅵ部分。Ⅱ相关工作在过去

5、的几年中，我们从物理层上升到应用层等各个方面对传感器网络进行了实验。文章[8]总结了之前的研究，当前的协议工作以及在传感器网络中设计的算法。例如，[12]展现了一个新的MAC协议，[4]建议了一个以能量保留为目的的网络层协议。广播在无线传感器网络中是很常见的操作。广播最简单和最直接的方法是群发。[11]研究了广播风暴问题，表明群发很消耗能量，并导致严重的数据冗余，竞争和冲突。因为在拓扑结构建造开始时，只需要一个群发消息（以确保连通性），它的负面影响是可以忽略的。无线传感器网络中最重要的任务是信息提取。由于有限的能量资

6、源，为了延长网络的寿命，这个数据收集处理一定需要节能。文章[2]模拟和分析了数据中心路由协议，表明由于数据集合的能量增益是很重要的，但可能导致较长的反应时间。本文中，我们着重于局部拓扑结构产生机制对网络影响的研究。其中的一些机制在[6，7]中首先提到，没有详细信息或估算。最后，需要确认的是，我们的目标集中在对网络的基本建造，因此，不要考虑象MAC这样的低能量水平协议。Ⅲ父类选择战略在拓扑结构产生过程之前，在节点部署好后，基站（图1，2，3中的节点1）将群发发现的信息。根据第一时间收到的信息，每个节点将按图1（a）（b

7、）（c）先后顺序重新传播群发信息。一个节点可能收到不止一个的群发信息，但它只选择更高能量水平的节点作为父节点。节点的能量水平，ID以及其他方面的信息被囊括在群发信息中，每个节点可以局部的提取，保存这些信息。因此，在群发之后，每个节点知道了即将相邻节点的信息，并根据这些信息进行父类选择。图1（d）给出了父类选择后的一个结果：节点4，5，6选择节点2作为他们的父类，节点2和3选择了节点1。在这个部分，我们展现了可以用来进行父类选择的4个局部化战略：最早优先型，随机型，最近优先型以及随机有利型。最早优先型父节点选择：这种模

8、式下，每个节点将从最先收到群发消息的节点中选择一个作为父节点。这种模式执行起来最简单。一个传送群消息的节点首先将被它的下个能量等级（即到基站的距离有多个跳跃）的邻节点选为父节点。考虑到图2（a）的说明，可得节点2将比节点3更先传播，然后节点4，5，6都选择节点2作为父节点。图1.阶段Ⅰ：群发。这个阶段包括（a），（b），（c）。群发信息传播到整