无线传感器网络中基于簇的路由协议

无线传感器网络中基于簇的路由协议

0基于簇的路由协议无线传感器网络（wsd）可以定义为由大量传感器节点组成的无线网络。该网络能够协作地实时监测、采集和处理节点分布区域内的各种环境或监测对象的信息,并将处理后的数据传送到网络中的特定位置。其应用前景非常广阔,可应用于各种布线和电源供给困难的区域、人员不能到达的区域(如受到污染、环境不能被破坏或敌对区域)和一些临时场合(如发生自然灾害时,固定通信网络被破坏)等。无线传感器网络中传感器节点的能量资源、计算能力和带宽都非常有限,而且节点十分密集,设计有效的策略延长网络的生命周期成为无线传感器网络的首要问题。路由协议是网络节点相互通信的基础,无线传感器网络路由协议负责寻找一条传输路径,将数据分组从数据源节点通过网络多跳转发至目标节点。设计合理的路由协议对降低及平衡网络中节点的能耗,延长网络的存活时间有着重要意义。基于簇的路由协议是目前研究人员比较关注的一类无线传感器网络路由协议。在基于簇的路由协议中,网络被划分为一些各自独立的簇。每个簇由一个簇首和多个簇内成员组成。簇首根据一定的算法机制选出,用于管理或控制整个簇内成员节点,协调成员节点之间的工作,负责簇内信息的收集、数据的融合处理和簇间转发以及最终与网关(sink)通信。簇的建立和簇首的特定任务分配对于整个系统的可扩展性、网络寿命和能量有效性的提高具有很重要的意义,典型的基于簇的路由协议有LEACH、TEEN、APTEEN、GAF以及HEED等。图1所示为基于簇的路由协议的拓扑结构。基于簇的路由协议中,由于簇首距离sink的距离一般较远,在簇首与sink之间通信时采取多跳的方式(即通过簇首组成的骨干网实现多跳路由)更有利于节约能量。而且采用簇首转发数据的方法,传输链路经过的跳数较少,网络延时也较小。但是当簇首以多跳通信的方式将数据传输至sink时,靠近sink的簇首由于转发大量数据而负载过重,可能过早耗尽能量而失效,这就导致了所谓的热区问题。1eeuc路由协议的非均匀簇能量高效的非均匀分簇(energy-efficientunequalclustering,EEUC)路由协议是一种新颖的无线传感器网络路由协议,可以比较好地解决热区问题。该路由协议利用非均匀的竞争半径,使靠近sink的簇成员数目相对较小,从而使簇首能够节约能量以供数据转发使用,达到均衡簇首能量消耗的目的。图2为EEUC路由协议的示意图。其中大小不等的圆表示簇首节点的大小非均匀的竞争范围;带箭头的线表示簇首间的多跳数据传输。EEUC路由协议的核心是一个能量高效的非均匀分簇算法。该算法是一个分布式的竞争算法,以节点的剩余能量为主要比较依据。EEUC路由协议的非均匀簇的形成过程如下:依概率在网络中选出部分节点成为候选簇首,参与竞选。未参与竞选的节点进入睡眠状态,直到簇首竞选过程结束。候选簇首根据自身到sink的距离信息计算其竞争区域,区域的半径记做Rc。假设节点ni为一个候选簇首,则其竞争半径:Rc=(1-c(dmax-d(ni,DS))/(dmax-dmin))R0cc0其中:dmax和dmin分别为网络中的节点到sink距离的最大值和最小值;d(ni,DS)为节点ni到sink的距离,算法需要控制竞争半径的取值范围;R0cc0表示候选簇首竞争半径的最大取值;c是用于控制取值范围的参数,在0～1取值。簇的成员数目之间的非均匀程度由c决定。R0cc0和c的优化取值可以优化网络中节点的能量消耗,延长网络的存活时间。竞选过程由一个EEUC的簇首竞选算法控制。该算法以候选簇首的剩余能量为竞争比较依据。在竞选过程中,若候选簇首宣布其竞选获胜,则在该簇首的竞争半径Rc内的所有候选簇首均不能成为最终簇首,需要退出竞选过程。竞选算法过程结束之后,之前未参与竞选的节点从睡眠状态唤醒;随后竞选产生的簇首就向全网广播其竞选获胜的消息;普通节点选择簇内通信代价最小亦即接收信号强度最大的簇首,发送其加入消息通知该簇首。这样,网络中的节点便组成了Voronoi图结构的簇。非均匀簇形成之后,在传输数据的稳定阶段,EEUC路由协议的数据通信分为簇内通信和簇首与sink间的通信两部分:簇内通信采用单跳的方式,简单易实现;簇首与sink间通信采用多跳的方式,避免长距离数据传输造成能量浪费。文献中的实验结果表明,与LEACH等无线传感器网络路由协议相比,EEUC路由协议有效地解决了多跳通信方式下簇首能量消耗不均衡的问题,优化了网络中各节点的能量消耗,显著地延长了网络的存活时间。2阶通信模型在文献中,作者假设数据的冗余度有限,来自不同簇的数据无法进一步融合,中继簇首节点只是简单转发来自其他簇首的数据。于是在EEUC算法中的路由选择机制中,作者引入一个阈值TD_MAX。若簇首到sink的距离小于TD_MAX,则它直接与sink进行通信;否则就尽量使用多跳路由的方式将数据传送给sink。在实际应用中,来自不同簇的数据之间存在大量冗余数据,把这些数据经过融合之后,网络中传输的数据总量将会有一定程度的减小。从图2可以看出,图中阴影部分为发送数据到sink的各条路径之间的冗余数据,这部分数据经过融合与压缩之后可以有效减少发送到sink的数据总量。本文提出一种高数据融合的非均匀分簇(highlydatafusionunequalclustering,HDF-EEUC)无线传感器网络路由协议来解决此问题。HDF-EEUC路由协议中,也将无线传感器网络细分为轮,每一轮又分为两个阶段,即簇的建立阶段和传输数据的稳定阶段。在簇的建立阶段采用与EEUC路由协议相同的建立非均匀簇的算法,此处不再赘述。在传输数据的稳定阶段,在路由路径的选择上对EEUC协议进行改进,在与sink距离小于阈值TD_MAX的簇首中选择一个主簇首,所有簇首的数据都聚合到主簇首,经过融合与压缩后发送到sink,如图3所示。为了节约和均衡簇首通信能耗,HDF-EEUC路由算法中选择主簇首的策略为:a)在所有与sink距离小于阈值TD_MAX的簇首中选出剩余能量最多的两个i和j,假设i和j的剩余能量分别是Ei和Ej,与sink的距离分别是di和dj。b)根据文献中的一阶通信模型,传输距离为k发送一个kbit大小的信号,无线通信设备消耗能量为ETx(k,d)=ETx-elec(k)+ETx-amp(k,d)ETx(k,d)=Eelec×k+εamp×k×d2(1)其中:Eelec和εamp在无线传感器网络运行时为固定值;k为当前轮发送到sink的数据总量(周期性网络中k值较稳定,本算法中根据网络存活节点数估算k值)。由簇首i和j发送kbit大小数据到sink所消耗的能量分别是ETi(k,di)=Eelec×k+εamp×k×d2ii2(2)ETi(k,dj)=Eelec×k+εamp×k×d2jj2(3)则经过簇首i和j发送kbit大小数据到sink所消耗的能量之差为ΔEij=εamp×k×(d2ii2-d2jj2)(4)比较Ei-Ej和εamp×k×(d2ii2-d2jj2)的大小。若前者比后者大,选择i为主簇首;若后者比前者大,选择j为主簇首。即只有在离sink较远的簇首的剩余能量比离sink较近的簇首的剩余能量大很多时,才会选择离sink较远的簇首作为主簇首。这样的选择策略不是单纯只考虑簇首剩余能量而忽略网络总能耗,也不是只考虑通信距离而忽略簇首间的能耗平衡。选出主簇首之后,就由主簇首把数据发送到sink。由于数据经过高度融合,总数据量大大减小。根据上述一阶通信模型,传输的数据大小k对通信能耗有着巨大影响。而HDF-EEUC路由协议中经过高度融合后数据总量减少,所以能耗也相应地减小。本文选择主簇首的策略使得HDF-EEUC路由协议在网络总能耗和均匀分布簇首间能耗之间取得一个较好的平衡,从而有效延长了无线传感器网络的存活时间。3u3000形貌理论本文使用网络仿真器NS-2分别对HDF-EEUC、EEUC以及LEACH协议进行仿真,通过仿真结果比较其性能。由于HDF-EEUC协议在非均匀簇建立阶段与EEUC协议相同,采用与文献中相同的经过优化取值的参数来进行仿真实验,如表1所示。由于簇首消耗的能量占网络中能量消耗的最主要部分,而且成员节点所消耗的总能量在每种协议中相差不大,首先对上述三种协议的簇首在一轮中所消耗的能量总和进行比较。从实验中随机选取10轮,统计各轮中所有簇首消耗的能量之和,结果如图4所示。可以看出,HDF-EEUC的簇首消耗的能量最低,远小于LEACH,也小于EEUC。LEACH的簇首能耗之和之所以较高,是LEACH的簇首采用单跳的方式发送数据到sink,而且由于LEACH没有控制簇首在网络中的分布,簇首能耗之和有明显的波动。而在EEUC和HDF-EEUC中,簇首采取多跳的通信方式发送数据到sink,显著地降低了能耗,而且采用了一定的控制策略使得簇首分布较为合理,使得每一轮簇首能耗之和变化较小,有利于延长网络寿命。又因为HDF-EEUC中发送到基站的数据经过高度融合,使得发送的总数据量有所减少,从而使得簇首所耗能量总量也相应地减少。下面比较各种协议的网络存活时间。图5显示了网络存活节点数随时间变化的情况。从图5可知,无论是第一个节点死亡的时间还是最后一个节点死亡的时间,HDF-EEUC都优于LEACH和EEUC,可见其有效地延长了无线传感器网络的寿命(以第一个节点死亡的时间计,HDF-EEUC约为LEACH的2.9倍,约为EEUC的1.2倍),而且HDF-EEUC中从第一个节点死亡到最后一个节点死亡的时间跨度与EEUC一样很小。这说明在HDF-EEUC中,在路由选择阶段的选择主簇首的策略较好地均衡了网络能耗,从而高效地利用了网络中有限的能量。