无线传感器网络中lech协议的分析

无线传感器网络中lech协议的分析

随着计算机网络技术、无线通信技术和电子技术的快速发展，无线传感器网络在世界范围内引起了越来越多的关注。在无线传感器网络中,传感器节点由电池供电,大量传感器节点通过飞机空中投放,人工布设等方式,部署在感知对象内部或者附近。这些节点通过自组织的方式构成无线网络,以协作的方式感知、采集和处理网络覆盖范围内特定的信息。由于传感器节点的电源能量、计算能力和通信能力都非常有限,所以节能路由协议的设计,对无线传感器网络来说非常重要。许多节能的路由算法都是基于LEACH协议的基础上进行设计的:LEACH-C算法是集中式的簇首产生算法。每轮开始时各个节点把自身位置和当前能量报告给基站,能量高于平均值的节点成为候选入簇首,然后采用模拟退火算法从候选节点中选出数量合适且位置最优的节点成为簇首,最后基站把分簇结果广播给每个节点。LEACH-C算法每轮选出的簇首数量稳定且分布均匀,但它需要网络的全局信息,可扩展性差。HeeD协议主要根据主、次两个参数,通过将能耗平均分布到整个网络来延长网络生存时间。其中簇首选择的主参数依赖于剩余能量,用于随机选取出簇首集合,具有较多剩余能量的节点将有较大的概率成为簇首;次参数依赖于簇内通信代价,用于确定落在多个簇范围内的节点最终属于哪个簇,以及平衡簇首间的负载。HeeD协议主要改进之处是在簇首的选择中考虑了节点的剩余能量,并以主次关系引入了多个约束条件。HeeD协议分簇更快,能产生分布更加均匀的簇首、更合理的网络拓扑。本文提出的算法结合节点的剩余能量和阀值来选择簇首,在成簇时通过控制簇内成员数来节约簇首的能量消耗,能很好地平衡全网节点的能量,延长网络的生存时间。12.典型的集群协议分析1.1letch协议的主要内容LEACH协议是一个典型的自适应分簇协议,它采用“轮”的概念,每轮分为簇的建立和数据传输两个阶段。簇的建立阶段:每个传感节点随机选择一个0～1之间的值,如果小于给定的阈值T(n),则选择为簇首。T(n)的计算方法如下:T(n)={P1−P×[rmod(1/P)],n∈G0,n∉G(1)Τ(n)={Ρ1-Ρ×[rmod(1/Ρ)],n∈G0,n∉G(1)其中:P为节点中成为簇头的百分数,r是当前的轮数,G是在过去的1/P轮没有被选择为簇头节点的集合,mod是求模运算符。一旦簇首被选定,它们便向周围节点广播这一信息,非簇首节点依据接收信号的强弱来选择它所要加入的簇,并通知相应的簇首节点,完成簇的建立。数据传输阶段:节点周期性的采集监测数据,基于时分复用(TDMA)的方式发送给簇首,簇首在进行必要的数据聚集和融合之后,将处理过的数据发送到基站。数据传输持续一段时间后,整个网络进入下一轮,不断循环。LEACH协议使用了分布式算法,使得任务被分散到每个传感器节点上,有效地减少了每个节点的负载,延长了传感器网络的生存时间。但LEACH协议还存在以下缺点:①每一轮都进行一次簇重组,带来了大量的开销。②根据公式(1)的簇首选举策略选取簇首,可能造成簇首分布不均,簇内成员个数差异较大,使得各簇首负载不均衡,造成个别簇首较早死亡。③簇内的节点都直接与簇首通信,增加了簇首的能量消耗。④簇首也采用单跳的方式直接和基站通信,当网络规模很大时,通信的范围也很大,对于能量受限的传感器网络节点来说,加速了节点的能量消耗,降低了网络的生存时间。1.2数据传输机制PEGASIS协议通过贪心算法把传感节点组织成一条链,节点只与距离它最近的邻居节点通信,并且每轮中只选一个节点作为领导节点与基站通信。当领导节点选定后,就采用令牌控制机制进行数据传输。首先将令牌传递给链两端的端节点,端节点向链中的邻节点发送数据,邻节点将自己的数据和接收到的数据进行数据融合处理,然后将融合后的数据再发送到下一个节点,最终由领导节点融合两边的数据并发送给基站。与LEACH协议相比,PEGASIS协议中的节点平均通信距离较短,也没有簇的重构开销,通过数据融合减少了发送次数,而且每一轮只有一个领导节点与基站通信,降低了能耗。但所有的传感节点形成一条链,离领导节点较远的节点在数据传输过程中会引起较大的延迟。2wob合同2.1打造多节点质网在LEACH协议的基础上,针对LEACH协议存在的缺点,结合PEGASIS协议优点,本文从簇首选择、簇的形成、簇间路由等方面进行了综合改进。基本思想乃网络运行时间仍以轮为基本单位进行分割,每轮进行簇首选择和数据传输,每隔N轮为一个周期对全网进行一次簇重组;在选择簇首时,首先计算出最优簇头数,并根据网络面积确定每个簇头间的最短距离,然后结合能量因素和改进后的阀值确定初始簇首;在建簇时,每个簇由簇首控制簇内节点数,使其在最优值,并且簇内节点利用贪心算法成链;簇首间通过建立的层次路由树选择一条最优路径把数据传送给基站;在传输数据时,每个周期的第一轮用初始簇首进行通信,之后每轮(根据改进后的阀值)选取链中节点剩余能量最大的节点作为链首,该链首也是本轮的簇首,传输数据,直到下一个周期的簇重组。2.2具体描述2.2.1传感节点的组成假定大量传感器节点随机分布在一个正方形的区域内;基站固定,且远离传感器网络区域;所有传感节点同构,具有全网唯一的ID号,并且能量受限,不可移动;节点可能通过单跳或者多跳的方式与基站通信;信道对称,无线发射功率可调。2.2.2凝胶电液整合LEACH协议簇首节点分布不均,可能出现节点密集的地方簇首多,节点稀疏的地方簇首节点少,甚至部分节点可能没有在任何簇内,这就造成网络的不完全连通。另外节点密集处如果产生了多个簇首,收集到的数据也会产生冗余,造成能量的不合理消耗。因此,EBLP协议在选择簇首时,首先计算出最优簇首的个数,然后根据网络面积确定簇首间的最短距离,再结合公式(2)中改进后的阀值T(n)来选择簇首。T(n)=P1−P[rmod(1/P)]×[En_currentEn_initial+(rs÷1P)(1−En_currentEn_initial)](2)Τ(n)=Ρ1-Ρ[rmod(1/Ρ)]×[En_currentEn_initial+(rs÷1Ρ)(1-En_currentEn_initial)](2)其中P、r、1/P和公式(1)里表示相同,En_current表示节点的当前能量,En_initial表示节点的初始能量,rs表示节点连续未当选簇首的轮数。一旦节点成为簇首,rs重置为0。改进后的阀值即考虑了能量因素,又可以动态的调整阀值,使一个在连续1/P轮中始终没有当选过簇首的节点成为簇首的概率变大,平衡能量。下面通过数学推导考察如何确定最优化的簇首个数,定义分析时用到的变量:K为簇的个数;Eelec是发送或接收单位信息所需能量;dtoCH簇内成员节点到簇首节点的距离;dtoBS簇首节点到基站(BS)的距离;εfs簇成员与簇首通信时用的无线信号传播参数;εmp簇首与基站通信时用的无线信号传播参数;EDA数据融合单位信息所需的能量。簇首节点在一轮中所需能量ECH包括两部分:接收(N/K-1)簇内成员节点发送信息所需的能量以及与基站通信所需的能量:ECH=(N/K−1)Eelec+(Eelec+εmpE[d4toBS])ECΗ=(Ν/Κ-1)Eelec+(Eelec+εmpE[dtoBS4])簇内单个成员节点在一轮中所需能量EnonCH仅包括其向簇首节点发送单位信息所需的能量:EnonCH=Eelec+εfsE[d2toCH]EnonCΗ=Eelec+εfsE[dtoCΗ2]那么整个簇在一轮中所需能量Ecluster包括一个簇首及(N/K-1)个簇成员所需能量:Ecluster=ECH+(N/K−1)EnonCHEcluster=ECΗ+(Ν/Κ-1)EnonCΗ所以整个网络在一轮中所需能量Etotal为K个簇所需能量之和:Etotal=KEcluster=K(N/K−1)(Eelec+εfsE[d2toCH])+(NEelec+KεmpE[d4toBS])Etotal=ΚEcluster=Κ(Ν/Κ-1)(Eelec+εfsE[dtoCΗ2])+(ΝEelec+ΚεmpE[dtoBS4])即:Etotal≈2NEelec+NεfsE[d2toCH]+KεmpE[d4toBS](3)Etotal≈2ΝEelec+ΝεfsE[dtoCΗ2]+ΚεmpE[dtoBS4](3)模拟区域面积为A2,平均每个簇的面积为A2/K。由于每个簇实际为心簇首节点为中心的无线通信覆盖区域,所以易求出圆内任一点到加以圆心的距离的期望,进而求出E[d2toCHtoCΗ2].或者由积分知识可知:E[d2]=F/2π,又F=A2/K,可得E[d2toCHtoCΗ2]=A2/Kπ。E[d4toBStoBS4]与簇的个数K无关,只与基站到模拟区域中心的距离有关,用常量LBS表示,代入公式(3)有:Etotal≈2NEelec+NεfsA2/2Kπ+KεmpL4BS(4)Etotal≈2ΝEelec+ΝεfsA2/2Κπ+ΚεmpLBS4(4)对公式(4)中Etotal求导,当导数为零时求得的K值使Etotal值最小,K的取值为:Kopt=NεfsA2/2πεmpL4BS−−−−−−−−−−−−−−√=N/2π−−−−−√εfs/εmp−−−−−−√A/L2BS(5)Κopt=ΝεfsA2/2πεmpLBS4=Ν/2πεfs/εmpA/LBS2(5)由公式(5)可以看出,最优簇首的个数只与网络节点个数N,模拟区域边长A,以及基站到模拟区域中心的距离LBS有关(εfs、εmp均为常量),可在网络初始化时设置这几个参数。2.2.3节点控制和执行保护机制簇首选举完成后,向其周围节点发起簇首信号CH_MSG,周围节点按照收到的CH_MSG信号的强弱向簇首发送请求加入信号JOIN_MSG,簇首根据节点加入信号的强弱控制簇内节点使其在最优值。如果同意加入,则向节点发送允许加入信号ALLOW_MSG,否则发送拒绝信号REJECT_MSG。每一个簇首收集这些应答消息来进行簇的初始化,从簇首开始,和簇内的节点利用贪心算法形成一条链。图1和图2对比了两种算法的簇内结构:2.2.4广播一个短包由于基站远离传感器网络区域,如果簇首与基站采用单跳通信,则能量损耗将采用多径衰落模型,通信距离远的节点能量消耗随着通信距离的四次方增长,因此EBLP协议采用多跳通信减少与基站远距离直接通信的簇首个数,节约能耗。另外,本文算法还将簇首的剩余能量作为其是否当选为中继节点的一个重要标准。簇首间层次路由树的建立过程如下:①基站洪泛广播一个短数据包,该包中包含有三种类型的信息:发送该包的节点ID、接收到该包时经过的跳数(HOP_COUNT)和发送该包的节点的剩余能量(ENERGY)。初始情况下ID为基站,跳数设为0,能量设为∞。非簇首节点忽略这个数据包。②当簇首收到这样一个短数据包后,修改这个包中的跳数值为HOP_COUNT+1,并和先前已存的跳数HOP_COUNTold作比较:如果HOP_COUNTold<HOP_COUNT+1,则簇首中已存的父节点ID不变;如果HOP_COUNTold>HOP_COUNT+1,则修改簇首中已存的父节点ID为发送该包的节点ID;如果HOP_COUNTold=HOP_COUNT+1,接着比较该簇首的能量ENERGY和包中存储的节点的能量ENERGY’,如果ENERGY<ENERGY’,则修改簇首中已存的父节点ID为发送该包的节点ID,并把ENERGY’修改为ENERGY,否则簇首中已存的父节点ID不变。③经过②的比较处理后再广播给其它邻近簇首节点。直到所有簇首都加入该树为止,层次路由树建立完成。2.2.5节点链的建立当簇内结构和簇间路由建立起来以后,就开始进行稳定的数据传输。首先是簇内数据传输:在簇内利用建簇时形成的节点链,结合PEGASIS协议的令牌传递机制,每个周期的初始簇首把令牌先传递给节点链一端的端节点,从端节点开始,将收集到的数据和自身的剩余能量传递给链中的下一个邻节点,邻节点将收到数据与自身的采集的数据进行数据融合后,将数据和令牌发给它的下一个邻节点,直到簇首。然后簇首再将令牌发给节点链的另一端的端节点,过程和上面一样。簇首把从两边收到的数据融合后再转发给父节点。本轮结束后,之后每一轮选取簇内剩余能量最大的节点成为链首,也即当轮的簇首,直到下一个周期的簇重组。其次是簇间数据传输:层次路由树中的中继节点不进行数据融合,只进行数据转发,直至数据到达基站。网络中节点在发送完数据后就进入休眠状态,以节省能量。2.3整合平台-能量特性,有以下几种方式EBLP协议的核心算法描述如下:①计算最优簇首数CNopt。②根据簇首的个数计算簇首间的最短距离CHLmin。③对于每一个传感节点:If(满足小于T(n)&&与另一个簇首的距离大于CHLmin){向其它节点广播成为候选簇首的消息CHcand_MSG;并加入候选簇首集合SETch_cand;If(同时收到别的节点发来的CHcand_MSG消息){比较其能量值,比自己能量大的节点加入集SETch_cand;}找出集合SETch_cand中能量最大的节点向其它节点广播成为簇着的消息CH_MSG;并加入簇首集合SETch;If(集合SETch中节点数达到最优簇首数)转到④;}④对于非簇首节点:If(收到消息CH_MSG){根据收到的消息信号的强弱向相应的簇首发送加入簇的消息JOIN_MSG;}If(收到簇首允许加入簇的消息ALLOW_MSG){加入对应的簇;}If(收到簇首拒绝加入簇的消息REJECT_MSG){尝试加入其它的簇;}对于簇首节点:If(收到消息JOIN_MSG;){If(没有达到簇成员的最大个数)向对应节点发送消息ALLOW_MSG;Else向对应节点发送消息REJECT_MSG;}⑤每个簇内用贪心算法使簇内成员形成链,准备数据传输⑥用2.2.4小节的算法建立簇首间层次路由树,开始传输数据。3eblp试验性能本文采用的仿真工具是NS2,它是一种可扩展的、容易配置的和可编程的事件驱动网络工具,其源代码公开,提供开放的用户接口。由于文中算法是在LEACH协议的基础上进行改进,所以选择了LEACH协议能够适用的小型网络来进行对比实验。在100m×100m的区域内随机部署100个传感器节点,基站位于坐标为(50,0)的位置。在无线传感器网络中,相对于数据无线发送接收来说,节点进行运算和储存的能耗基本可以忽略不计,所以网络的生存时间主要取决于数据传输。设定节点初始能量为0.25J,发送和接收数据能耗为50nJ/bit。为了将数据传输得足够远,放大电路功耗为100pJ/bit·m2,数据融合的能耗为5nJ/bit。本文分别从存活节点个数、全网能量消耗和延迟三个方面进行了性能对比。图4中LEACH协议在第386轮时第一个节点死亡,在678轮时全网节点死亡。PEGASIS协议在第780轮时第一个节点死亡,到1093轮时全网节点死亡。而本文提出的EBLP协议在794轮时第一个节点死亡,到1200轮时全网节点死亡。可