基于感知区域分割的sink节点移动策略研究

基于感知区域分割的sink节点移动策略研究

0.无线传感器网络无线传感器网络（无线传感器网络）是一种由大量廉价传感器节点在物理空间内以无线通信为基础的多触发自组织系统。传感器节点的计算能力、通信能力、数据存储能力有限,由电池供电,且电池不可更换。无线传感器网络的寿命一般定义为网络中由于电池电量耗尽最早死亡节点的寿命。关于无线传感器网络,提出了很多能量高效的网络协议,包括节能的路由协议、拓扑控制协以及分簇协议等等。尽管这些协议都达到了各自的优化目标,提高了网络某些方面的性能,但都是从传感器节点的角度考虑的。本文从sink节点的角度出发,提出了基于sink节点移动的策略,将网络划分成有限个虚拟单元格,以虚拟单元格的中心作为sink节点移动的备选位置,通过解线性规划问题确定sink节点的移动位置和停留时间,从而一定程度上有效地避免了热点问题,均衡了传感器节点间的负载,提高了网络寿命。1.sik节点移动策略在无线传感器网络中,传感器节点采用电池供电,且一般不可更换,并采用多跳方式进行无线通讯,因此提高传感器节点的能量利用效率是协议设计中必须重视的一个问题。对于sink节点固定的网络,靠近sink节点的传感器节点要中转其它节点的数据,消耗太多的能量,过早死亡,造成网络的分割,缩短网络寿命。为解决这一问题,本文提出sink节点移动策略,通过更新sink节点位置,使sink节点附近的传感器节点不断发生变化,均衡传感器节点间的负载,延长网络寿命。在该策略中,首先,将网络划分成有限个虚拟单元格,每个虚拟单元格的中心作为sink节点移动的备选位置;然后,将sink节点的移动位置和停留时间转化成一个线性规划问题,确定sink节点的移动位置和在该位置的停留时间。1.1传感器节点感知网络的构建假设N个传感器节点随机分布在一个矩形区域内,形成一个连通的网络。传感器节点具有有限的计算能力、存储能力、电池能量和相同的通讯半径。传感器节点的能耗主要由两部分组成:接收信息和发送信息。由于传感器节点感知数据的相关性与网络的任务和传感器节点的部署密度有关,因此本文中假设传感器节点只进行数据中转而不进行数据融合处理。同时假设所有传感器节点单位时间内感知的数据量相等。对于该网络,给出如下假设:(1)传感器节点部署之后就不再移动;(2)传感器节点已知自己的位置信息;(3)Sink节点可自由移动,移动时间远小于停留时间,可以忽略不计;(4)无线网络通讯是双向的。1.2节点转发时节点的寿命其中,r是传感器节点的数据传输比特速率,α1是节点内进行运算时电子电路消耗的能量,α2为与距离d的比例系数,2≤n≤4,n与节点所处的物理环境有关。传感器节电接收r比特信息消耗的能量为其中,µ为接收功率消耗的比例常数。由式(1)和式(2)可知,当节点进行数据转发时,其消耗设节点的初始能量为E0,节点的生命期为T,则有根据上面的理论分析,假设每个节点的初始能量为2500个单位能量,可得节点转发不同个数子节点的感知数据时节点的寿命,如图1所示。通过图1可以看出,随着传感器节点承担数据转发任务的加大,节点的生命显著缩短,从一个侧面也反映了热点问题的存在。2.矩形感知区域内的感知区域内的区别根据前面的假设,N个传感器节点随机分布在的矩形感知区域内。协议主要有两部分组成:sink节点移动备选位置集的选取和sink节点的移动位置和停留时间的确定。2.1sik节点移动的选取位置集为确定sink节点的移动备选位置,将矩形感知区域的边长进行k等分,并连接相应对边的分点,从而得到个虚拟的矩形单元格,以每个单元格的中心作为sink节点移动的备选位置,构成sink节点移动的备选位置集,记为S,则其中从集合S的表达式可以看出,虚拟单元格的个数与sink节点的移动备选位置的个数成正比。虚拟单元格个数越多,sink节点移动备选位置越多,从中选择更好的位置进行移动,延长网络寿命。2.2sik节点选取目标的优化确定了sink节点的移动备选位置集后,现在确定最佳移动位置和停留时间。给出如下符号标识:1)N:传感器节点个数,同时表示传感节点集;2)S:sink节点移动的备选位置集;3)Ni:传感器节点i的一跳邻居节点集;6)eik:sink节点位于备选位置ks时,节点i的能量消耗系数;8)r:传感器节点的数据感知速率,所有节点相等;9)tk:sink节点在备选位置k的停留时间;10)T:网络寿命;根据假设,sink节点可在感知区域内自由移动,传感器节点只进行数据中转而不进行数据融合。Sink节点在备选位置间移动时,移动时间远小于停留时间,可以忽略不计。当sink节点位于sk位置时,传感器节点i在单位时间内的能量消耗系数eik为,本文以网络的寿命作为优化目标。将sink节点的最佳移动位置和停留时间可以转化为下面的线性规划问题:其中,式(9)表示传感器节点的能量限制,表示当sink节点位于移动备选位置sj时传感器节点的能量消耗。3.成一个连通网络假设N个传感器节点随机分布在一个矩形区域内,形成一个连通的网络。为了验证sink节点移动策略的效果,本文对网络内包含50、60、70、80个节点时,其与sink节点固定的网络进行了对比分析。3.1传感器节点位置计算对于固定sink节点的网络,估算sink节点的最佳位置。在传感器节点随机均匀分布在感知区域的假设下,假设sink节点部署在(xsink,ysink)位置。考虑面积微元dx×dy,传感器节点位于其中心(x,y)。依据最短路径路由,可得位于该面积微元的传感器节点到sink节点的欧氏距离为则两者间的跳数距离l近似等于kd,即l≈kd。这样从传感器节点到sink节点传输数据所消耗的能量等于kdε×λtρ×dxdy,其中λtρ×dxdy表示在t时间内感知的数据总量,kdε表示传感器节点传输单位数到sink节点据所消耗的能量。总能耗为因此,在作对比分析时,对于sink节点固定的网络,总是假设sink节点位于网络的中心位置。3.2不同单元格个数下sisk节点移动策略的差异采取移动sink节点策略,借助于线性规划,可以确定sink节点的移动位置和停留时间。为了分析sink节点移动备选集的集合元素个数对网络寿命的影响,通过仿真分析得到如下关于移动备选集合元素个数和网络寿命的关系。如图2所示。由图2可以看出,随着虚拟单元格个数的增加,网络的寿命呈递增趋势。但是,当虚拟单元格个数到达一定数量时,网络寿命增加比较缓慢。这是因为,当虚拟单元格个数较少时,sink节点移动备选位置集中元素间区分明显,网络的寿命对虚拟单元格的个数较为敏感;随着虚拟单元格个数的增加,sink节点移动备选位置集中元素间区分度变小,网络对虚拟单元格的个数敏感度下降,网络寿命增长缓慢。为验证sink节点移动策略的效果,将其与固定sink节点的路由方法进行了对比分析,固定sink节点放置在网络的中心位置。对比结果如图3所示。通过图3可以看出,与sink节点固定的网络相比,采取移动sink节点策略,可以有效地提高网络寿命。这是因为,sink节点的移动使得网络拓扑发生变化,位于sink节点附近的热点不断地发生更换,均衡了传感器节点间的负载,延长了网络寿命。下面以50个节点随机分布在50m×50m的矩形区域内为例。图4说明sink节点随着虚拟单元格个数的增加,其移动备选集内的移动位置和停留时间。4.无线传感器网络的小本设置传感器节点的能量是无线传感器网络协议设计中的一个重要约束。如何节约传感器节点的能量,延长网络的使用寿命,就成了目前研究的一个热点。本文提出sink节点移动策略,构造了sink节点移动备选集,通过线性规划问题确定sink节点的移动位置和停留时间,有效地均衡了传感器节点间的负载,延长了网络的寿命。在无线传感器网络中,传感器节点的能耗主要由发送信息和接