无线传感器网络能量优化协议研究

无线传感器网络能量优化协议研究

0基于非均匀分簇的路由协议i-eeuc无线传感器网络由许多在监测区域上部署的微传感器节点组成。该网络收集并处理与受监视对象有关的信息，并最终发送基站。被监测区域通常在人类无法接近的较恶劣甚至危险环境中,传感器节点的能量补充相当困难。这就要求设计路由协议时必须重点考虑节点能耗问题,由文献可知,采用分簇与簇首间多跳的通信方式,可以降低网络整体能耗。目前研究人员已经提出了许多基于分簇的路由协议,这类协议利用传感器节点分布密集,网络中存在大量数据冗余的特点,采用分簇策略对冗余信息进行融合,从而减少网络中数据传输量,达到节约能量的目的。已有的基于分簇的路由协议有LEACH(low-energyadaptiveclusteringhierarchy)协议、HEED(hybridenergy-efficientdistributedclustering)协议、EEUC(energy-efficientunevenclustering)协议等。以下对近几年提出的协议进行简单介绍,ULCR(unequallevel-basedclusteringroutingalgorithm)协议将网络分层,根据节点剩余能量与节点所属的层次来竞争簇首,使用候选簇首竞争范围构造大小不同簇,簇间采用多跳方式通信。HDF-EEUC(highlydatafusionunequalclustering-EEUC)协议在与基站距离小于设定阈值的簇首中选择一个主簇首,所有簇首都通过主簇首与基站通信,主簇首融合簇内与其他簇首数据后发送给基站,此协议适用前提是网络中来自不同簇的数据有大量冗余,这限制了协议的适用范围。EERPUC(energyefficientroutingprotocolonunevencluster)协议将网络分层,选簇首时考虑了节点剩余能量与该节点离所在层中心线的距离,簇首采用多跳与基站通信,数据传输阶段选择动态路由。CHLBC(clusterheadloadbalancedclusteringalgorithm)协议使用与EEUC协议相同的方法选择簇首,然后构建从基站到簇首跳数场,建立以基站为根节点的簇间转发路径,普通节点在选择要加入的簇首时,综合考虑与簇首的距离和簇首的中转数据量。本文提出一种改进的基于非均匀分簇的路由协议(I-EEUC协议),由于I-EEUC协议综合了LEACH和EEUC协议中簇首选择策略的优点,从而具有较为优越的性能。以下对LEACH和EEUC这2种协议的簇首选择过程以及在此基础上本文改进的协议进行详细描述。1无确保节点期望全布置LEACH协议是一种基于均匀分簇的无线传感器网络路由协议,其将整个网络工作过程划分为轮,每轮分为成簇与数据传输2个阶段。在第r轮簇首选择过程中网络中每个节点都产生一个0到1之间的随机数用于与阈值T(n)比较,小于阈值则成为本轮簇首,T(n)的计算公式为(1)式中:p为期望簇首占所有节点百分数;r为当前轮数,从0开始取值;n为传感器节点标识;G为在过去rmod(1/p)轮中未成为簇首的节点集合。由公式(1)可以看出,每1/p轮网络中所有节点均依概率当选过一次簇首,在刚开始所有节点成为簇首的概率均为p,之后当选过簇首的节点不再成为簇首,在1/p-1轮时,T(n)=1,这时网络中所有在前1/p-1轮中未当选过簇首的节点全成为簇首,以此保证网络中节点能耗均衡。假设网络中有N个节点,每轮中期望的簇首个数为k,第0轮网络中簇首个数k=N×p,则每经过一轮网络中未成为簇首的节点减少k个,经过r(r<1/p-1)轮后未成为簇首的节点个数为N-k×r,因此,在第r轮中簇首个数数学期望值为将k=N×p和公式(1)带入公式(2)得因为簇首耗能相对普通节点快,由以上分析可知,该协议使每1/p轮后所有节点都当选过簇首,且每轮中簇首个数的数学期望值为k,以此均衡网络中节点的能耗。2竞争半径rcEEUC协议是一种基于非均匀分簇的无线传感器网络路由协议,它采用多跳通信方式防止离基站远的簇首过早死亡,并且以主动方式均衡节点能耗,文献中仿真结果表明,与LEACH协议相比,EEUC协议有效地均衡了网络中簇首能耗,延长了网络存活时间。在选候选簇首过程中,每个节点都产生一个0到1的随机数μ,若μ小于预先设置的阈值,则成为候选簇首,参与竞选最终簇首,未成为候选簇首的节点进入睡眠状态。竞选最终簇首时,候选簇首计算它的竞争半径Rc。假设hi为一个候选簇首,则其竞争半径为(3)式中:dmax和dmin分别为网络中节点到基站最大和最小距离;d(hi,DS)为候选节点hi到基站距离;Rc0表示候选簇首最大的竞争半径;c∈(0~1)为用于控制取值范围参数。候选簇首根据竞争半径建立邻候选簇首集,在这个集合中根据节点剩余能量高低竞选出最终簇首,其他竞争失败的候选簇首成为普通节点。最终簇首产生后,普通节点选最近的簇首加入,这样成簇阶段结束。在数据传输阶段,EEUC协议将数据通信分为簇内通信与簇间通信,为了简单易实现,簇内通信采用单跳通信方式,簇间采用多跳通信方式。在建立簇间多跳路由时,从路由候选节点集合中选择网络能量开销指标最小的2个节点,最后,从中选择剩余能量最高的节点作为路由的下一跳节点。3节点同构设计考虑一个由N个传感器节点随机均匀分布的网络,其应用场景为周期性的数据收集,并具有如下性质:1)基站BS位于一个方形观测区域的外侧,基站与传感器节点在部署后均不再发生位置移动;2)所有节点都是同构的,均具备数据融合能力,每个节点都有一个唯一标识;3)链路是对称的,若已知发送方发射功率,接收方可以根据接收信号的强度计算二者间距离的近似值;4)节点可以根据信号接收方距离远近调节发射功率。这里采用与文献一样的无线通信能量消耗模型,当节点发射距离小于阈值d0时,采用自由空间模型,当大于等于d0时,采用多路径衰减模型。发送lbit数据到距离为d的接收方所消耗的能量为(4)式中:Eelec表示发射电路消耗的能量;εfs和εmp为放大功率所消耗的能量。节点接收lbit数据所消耗的能量为ERx(l)=lEelec。4基于改进的i-eeuc网络优化的改进部分I-EEUC协议是在EEUC协议基础上的改进,因此本部分从候选簇首选择策略和下一跳簇首选择策略两方面对改进部分进行详细描述,最后对I-EEUC协议进行分析。4.1改进的确定间在LEACH协议中利用T(n)使网络中所有节点轮流承担簇首,用来均衡节点能耗,但是节点离基站远近不同导致充当簇首时能量消耗不同。而在EEUC协议中利用预先设定的阈值T(T为固定值0.4)选择候选簇首,这样在新一轮开始时,所有节点无论已经当选过几次最终簇首,其与未当选过最终簇首的节点以相同概率成为候选簇首,有可能导致某些节点过早死亡。针对此问题,本文提出的I-EEUC协议借鉴LEACH协议选簇首策略对EEUC协议候选簇首的选择进行改进,假设网络区域面积为S,节点总数为N,由文献可知Rc有个最小取值为Rcmin=1/2Rc0,在该竞争半径内有且仅有一个节点会成为最终簇首,所以,每轮中最多有S/(π·(Rcmin)2)个最终簇首,本文通过改阈值T为T(n)使新的一轮中在最近当选过最终簇首的节点不参加候选簇首的选举,每经过1/pfinal轮所有节点重新获得竞选候选簇首的资格,T(n)为rm=rmod(1/pfinal);p为期望候选簇首占所有节点百分数;pfinal=(S/π(Rcmin)2)/N为最终簇首所占节点最大百分数;r为当前轮数;n为节点标识;G为在过去rm轮中未成为最终簇首的节点集合。前r(rm≤(1-p)/pfinal)轮中,参加候选簇首选举的节点个数为N(1-pfinal×rm),则候选簇首期望个数为N(1-pfinal×rm)T(n)=N×p,当rm>(1-p)/pfinal时,参加候选簇首选举的节点个数将小于N×p个,此时T(n)=1所有节点都成为候选簇首。4.2下一跳节点选择在建立簇间多跳路由时,I-EEUC协议将路由候选节点的选取范围限制在比其自身更接近基站的簇首集合中,簇首si的路由候选节点集合si·RCH为si·RCH={sj|d(sj,DS)<d(si,DS)},d(si,DS)表示si到基站的距离。si从RCH中按公式(5)选择使Erelay取最小值的sj作为下一跳节点。(5)式中:Ej为簇首sj当前剩余能量;nj为簇首sj簇内成员数目。公式(5)不但考虑了网络能量开销指标,还考虑了下一跳节点剩余能量与其簇内成员数目,让使网络能量开销较小、自身剩余能量较大且簇内成员数目较少的簇首成为下一跳节点。让簇内成员数目较少的簇首更多地转发来自其他簇首数据,选择下一跳时在网络能量开销与下一跳节点能量消耗间采用折中方法。路由建立完成后,形成了以基站为根节点的树,数据沿着确定好的下一跳进行数据传输,对于来自不同簇的消息,簇首不进行数据融合。4.3改进路由方式与EEUC协议相比,改进的I-EEUC协议没有增加任何消息开销,消息复杂度仍为0(N),它仅增加了一个用来存储最近几轮中是否当选过最终簇首的变量。路由算法开始时,EEUC协议中最终簇首向全网广播一条消息,包括其ID、当前剩余能量和它到基站的距离,而I-EEUC协议在广播此消息时多了其簇内成员数目这一项。I-EEUC协议取消了簇首到基站距离小于某一阈值时采用与基站直接通信的限制,所有簇首均按改进的路由方式与基站通信,避免长距离的传输。EEUC协议在每个数据收集周期后重新构造簇,I-EEUC协议综合考虑发送控制包能耗与能量效率,采用每两次数据收集周期后重新构造簇。5节点能耗均衡使用matlab7.0对I-EEUC协议进行仿真,仿真中对来自不同簇的数据不进行数据融合,假设采用理想MAC协议,忽略无线链路中发生丢包的错误。与文献一样,实验中统计传感器节点接收、发送数据包与控制包,融合数据消耗的能量。仿真中采用的实验参数如下:网络区域面积为200m×200m,基站位置为(100,250)m,节点总数为400,节点初始能量为0.5J,数据包大小为4000bit,控制包大小为256bit,εmp为0.0013pJ/bit·m-4,εfs为10pJ/bit·m-2,Eelec为50nJ/bit,EDF为5nJ/bit·signal-1。首先,通过仿真观察候选簇首比例p的取值对网络存活时间影响,当p取0~0.6之间不同值时,观察网络中第一个死亡节点时间,如图1所示。当p的值为0.1时,网络中第一个死亡节点时间最晚。其次,研究不同路由协议对网络中节点能耗均衡情况的影响。由于网络中簇首消耗能量比普通节点快,部分节点如果担任簇首次数过多会过早死亡,但是仅考虑让节点轮流担任簇首而忽略簇首间能耗的均衡也会导致节点过早死亡。因此,从以下2个方面对节点能耗均衡情况进行仿真分析:第一个节点死亡时所有节点担任簇首次数(见图2—4)和第250轮时网络中节点剩余能量分布(见图5)。由图2和图5可以看出,LEACH协议中每个节点当选簇首次数最接近,波动最小,实现了节点轮流充当簇首的目的,分担了作为簇首的能耗,但是它运行250轮时节点平均剩余能量最小(平均剩余能量为0.185J),波动最大,是由于它没有做到均衡簇首间能耗。LEACH协议采用均匀分簇,并且簇首与基站间采用单跳通信方式,离基站远的簇首消耗能量快,导致其过早死亡,因此,LEACH协议没有有效地均衡网络中节点能耗。由图3可以看出,EEUC协议中第一个死亡节点为担任簇首次数最多的节点,且曲线波动大。这是因为它在选择候选簇首时,网络中所有节点当选的概率相同,这导致一些节点担任最终簇首的次数过多,相对其他节点过早死亡。但是EEUC协议采用簇首与基站间多跳通信方式和非均匀分簇策略,使得离基站较近的簇相对较小,簇内成员相对较少,簇首节省下用于簇内通信的能量来转发较远簇首发来的数据,均衡了簇首间能耗,使得图5中EEUC协议节点剩余能量分布波动比LEACH小,节点平均剩余能量(平均剩余能量为0.261J)比LEACH大。由图4可以看出,I-EEUC协议波动性介于LEACH和EEUC中间,因为它综合了这2种协议中选簇首的方法来选择最终簇首。既像LEACH协议一样在选最终簇首时考虑了让所有节点轮流充当簇首,又像EEUC协议一样让能量多的候选簇首当选最终簇首。图5中,I-EEUC协议节点平均剩余能量最大(平均剩余能量为0.301J),因为其采用相比EEUC协议较少的候选簇首竞争最终簇首和每两次数据收集周期后重新构造簇,节省了用于传输控制信息消耗的能量。I-EEUC协议采用改进的候选簇首选择策略和改进的下一跳选择策略,使得网络中未出现部分节点剩余能量过低现象,如图5所示。可见I-EEUC协议更有效地均衡了网络中节点能耗。最后,比较3种协议的网络存活时间,如图6所示,LEACH,EEUC和I-EEUC协议中第一个节点死亡轮次分别为240,371和510,网络中一半节点死亡轮次分别为465,540和635,节点全部死亡轮次分别为629,586和698。I-EEUC协议无论是第一个节点死亡时间还是网站中一半节点死亡时间都优于其他两种协议,可见,I-EEUC协议有效地延长了网络的存活时间(网络存活时间以第一个节点死亡的轮数记,I-EEUC比LEACH延长了112.5%,比EEUC延长了37.5%)。文献中将能量效率定义为第一个节点死亡时间与最后一个节点死亡时间的比率,其越大说明节点能耗越均衡,网络中能量使用越高效。