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分簇式无线传感器网络聚合节点自主移动机制 无线传感器网络由几个分布在特定区域的节点组成。传感器节点监测应用程序区域的信息，并通过多通道将其传输到收集节点。最后，节点的管理节点到达聚集节点的管理节点，以执行数据采集和任务监测。集合节点的移动可分为三种类型：固定路径移动、随机移动和独立移动。由于主动移动可以及时响应当前的网络状态并获得所需的数据，因此文献采用了分阶段分发树的方法。由于集群节点移动到特定节点的位置而获得所需的数据，这种方法不适用于真实的应用程序场景。在文献中，基于1:8的区域评估方法提出了多步移动的策略。该算法只考虑节点的两个相邻节点，并以最大移动距离为节点的传输半径。如果没有考虑路径拓扑变化的影响，则文献中提出了多节点的运动。在文献中，提出了一种独立于建筑工具的节点移动策略。当考虑节点移动方向时，策略仅考虑单个邻居节点的数据流量和距离，而不考虑节点的剩余能量。 本文的研究设定汇聚节点每次进行微小的移动,即保持拓扑不会发生很大变化.通过多次微小的自主变化,汇聚节点可以平衡节点负载,从而延长网络生存周期. 1 聚合节点通信的描述 无线传感器网络能量消耗采用环状能耗模型.以汇聚节点为中心,按照节点和汇聚节点的距离,可以将区域分成若干个环,假定每个环之间的间隔为节点通信半径的大小,环从内到外依次命名为ring0,ring1,…,ringN.显然ring0一跳就可以到达汇聚节点,而ringN要通过中继N跳才能到达汇聚节点. 假定部署区域半径为A,每单位面积产生数据量为λ,节点的单位数据量的发送功率为Et,接收功率为Er.根据文献中的模型,发送l比特信息经过距离d,节点消耗的能量和接收l比特信息消耗的能量分别为Et(l,d)=lEelec+lεampd2,Er(l)=lEelec,式中:εamp是传输放大器功耗,典型值为10 pJ/(bit·m-2);Eelec是发送或接收每比特所消耗的能量,典型值为90 nJ/bit.当传输距离为30 m左右时,代入可以计算得到εampd2=9?90,故可以设定Et≈Er=lEelec. 分析汇聚节点距离x∈[r-R/2,r+R/2]的环状区域,其中:R是节点通信半径;r=iR-R/2 (i=1,2,…,N).每个节点的能耗包括转发外环数据消耗的能量Ef和发送自己产生数据消耗的能量Et,即 Econ=Ef+Et?(1)Econ=Ef+Et?(1) 式中:Ef=(Er+Et)2π∫Ar+R/2Ar+R/2λxdx;Et=Et2π∫r+R/2r-R/2r+R/2r?R/2λxdx. 根据式(1)可得每个环消耗的能量为 Econ=2π(A2-r2-R2/4)Eλ=2π(A2-r2-R2/4)Eelecλ,Econ=2π(A2?r2?R2/4)Eλ=2π(A2?r2?R2/4)Eelecλ, 单位面积数据产生速率λ取10～80 Kbit/s,离汇聚节点的距离r取15～285 m,能耗如图1所示.可以看出λ越大,能耗Econ越大;越靠近汇聚节点虽然环的面积越小,但能耗却越大. 下面的研究基于信息采集型传感器网络,即节点周期性采集数据并上报.汇聚节点的移动相应也按轮进行,每轮包括数据传输和移动处理.假定传感器网络传感节点同构,即每个传感节点具有同样的通信半径R.汇聚节点在只考虑接收传感节点信息的情况下,通信半径也可认为是R,其通信覆盖范围描述为半径R的圆.另外定义如下符号:S为可移动的汇聚节点;Skiki为第k轮数据传输中,距离汇聚节点i跳的传感器节点集合,i∈Z;SIk1k1为集合Sk1k1中节点按通信数据流量升序排列得到的前β的节点集合,β为预设的百分比. 2 从聚合节点的角度优化数据传输 各簇头节点以多跳形式和汇聚节点进行通信,汇聚节点记录能够以单跳形式直接和它通信的节点集合S1.将S1中节点按照数据流量的大小排序,取包含主要数据流量的节点记录于SI1.当前大多数的无线传感器网络路由都是能量有效的路由,若某个节点的能量消耗过多,则路由算法会自动地减少通过该节点转发的数据包.所以,若第k+1轮的SIk+11k+11和第k轮的SIk1k1不同,则表明存在节点能耗异常,需要改变汇聚节点的位置. 在第k+1轮数据传输中,若SIk+11k+11≠SIk1k1,则选取SIk+11k+11中的节点,以这些节点的坐标计算加权质心位置,该位置即汇聚节点的移动方向.其中以各节点的数据流量和残余能量综合指标做加权值. 若汇聚节点需要移动,通过相关计算,则可以获得汇聚节点的最大可移动距离. 第k+1轮汇聚节点上数据传输主要流程如下:a. 接受各簇头节点传来的数据包;b. 分析数据包,获得单跳邻居节点的ID、坐标、数据流量和残余能量;c. 根据节点ID和数据流量,生成SIk+11k+11,并和SIk1k1进行对比;若无变