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(jié)構(gòu)，是近年來研究的一個熱點問題。

近年來，很多學者開展了關(guān)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(gòu)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(guān)系進行了分析，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(jié)構(gòu)極易產(chǎn)生回路而造成網(wǎng)絡不能夠連通。

本文在異構(gòu)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(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡模型

定義異構(gòu)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(zhuǎn)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(zhuǎn)發(fā)。監(jiān)測節(jié)點采集到的數(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(zhuǎn)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(gòu)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，且路徑保持能量最小；然后，在簡化后的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)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(gòu)傳感器網(wǎng)絡多簇點簡化

在簡化監(jiān)測節(jié)點與簇節(jié)點路徑時，若監(jiān)測節(jié)點和多個簇節(jié)點間存在路徑時，則保留監(jiān)測節(jié)點到簇節(jié)點的最小路徑。由此可見，如果網(wǎng)絡原拓撲是K連通的，則簡化后的拓撲仍為K連通且是能量消耗最小的單簇點拓撲結(jié)構(gòu)。

2．2 K-MST拓撲控制算法

3、 實驗結(jié)果和性能分析

構(gòu)建1 000 m×1 000 m無線傳感器網(wǎng)絡仿真區(qū)域，網(wǎng)絡中隨機布置監(jiān)測節(jié)點70～140個不等，令網(wǎng)絡中監(jiān)測節(jié)點最大發(fā)射半徑為400 m，取簇節(jié)點個數(shù)N=3，首先對該網(wǎng)絡進行多簇點簡化，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）進行保證每個節(jié)點至簇節(jié)點有3條不相關(guān)路徑的拓撲控制，對每種算法分別進行50次仿真，將所得的節(jié)點平均度數(shù)和未進行拓撲控制節(jié)點平均度數(shù)進行比較，如圖1所示。

從圖1可以看出，隨著網(wǎng)絡規(guī)模增大，未進行拓撲控制的網(wǎng)絡節(jié)點平均度數(shù)由11．4增加到23．37，且增長速度很快。采用三種拓撲控制算法均將節(jié)點的度數(shù)進行了有效的控制，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)絡工作壽命，又可較好地保證網(wǎng)絡的連通性。

采用YG6，3算法、FLSS3算法以及3-MST算法分別進行50次仿真，將生成拓撲結(jié)構(gòu)中平均鏈路長度和未進行拓撲控制的平均鏈路長度進行比較，如圖2所示。

從圖2可以看出，由于網(wǎng)絡規(guī)模增大，采用三種拓撲控制算法所得的網(wǎng)絡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算法生成拓撲的路徑上進行數(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)絡壽命。

4 、結(jié)論

針對異構(gòu)監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，設計了一個優(yōu)化的拓撲控制方案，在減少網(wǎng)絡冗余的同時兼顧了網(wǎng)絡的容錯性，并且保證生成拓撲可以有效延長網(wǎng)絡生存周期。該拓撲控制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，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。