无线传感器网络中基于改进en协议的节能型改进算法

无线传感器网络中基于改进en协议的节能型改进算法

0ensorcd重金属监测网络的特点基于传感器技术、无线通信技术、嵌入式技术和微机电系统技术的无线传感器网络（wirelasesensor网络）是一个分布在监测区域的大量微传感器节点，通过无线通信形成了一个多段自组织网络。目标是合作感知、收集和处理网络覆盖区域内感知对象的信息，并将其发送给支持者。由于无线传感器网络具有低功耗、自组织等特点,其可广泛应用于军事、工业、交通、环境监测、空间探索、医疗护理等领域。1分簇路由协议路由协议负责将数据由源节点传送至目的节点,是无线传感器网络的重要核心技术之一,路由协议的性能和整个网络的性能密切相关。依照网络的拓扑结构,路由协议可以分为平面路由协议和分簇路由协议。平面路由协议中,节点间地位平等,通过局部操作和反馈信息来生成路由。典型的平面路由协议有:SPIN、DirectedDiffusion、Rumor等。分簇路由协议实际上是一种分层结构的路由协议,该协议中网络通常被划分为簇(cluster),每个簇由一个簇头(clusterhead)和多个簇内节点组成,这些簇头进一步形成高一级的网络,低一级网络的簇头是高一级网络的簇内成员。簇头负责管理簇内节点,并完成簇内节点数据的收集和融合,然后将融合结果发送给基站。典型的分簇路由协议有:LEACH、TEEN、PEGASIS等。TEEN协议的拓扑结构如图1。无线传感器网络多应用于布线和电源供给困难的区域(例如环境恶劣、受到污染或敌对的区域),且传感器能量有限,因此降低能耗是无线传感器网络协议设计的重要目标。簇头负责转发全簇的数据,且一般距离基站较远,但是在TEEN协议中最高级簇头与基站采用单跳通信方式,导致能耗较大,因此本文提出了一种新的节能型分簇路由算法R-TEEN,该算法使用平面路由机制建立全体簇头与基站之间的多跳通信路径,有效降低了能量消耗。2长远间路由转发分簇路由协议主要具有以下几个优点:(1)簇内节点大部分时间可以关闭通信模块,由簇头负责数据的长距离路由转发。这样既保证了覆盖范围内的数据通信,也在很大程度上节省了网络能量;(2)簇头融合了簇内节点的数据之后再进行转发,减少了数据通信量,从而节省了网络能量;(3)分簇拓扑结构便于管理,有利于分布式算法的应用,可以对系统变化作出快速反应,具有较好的可扩展性,适合大规模网络。2.1周期性地等概率虚拟簇TEEN(Threshold-sensitiveEnergyEfficientsensorNetworkprotocol)的基本思想是周期性地等概率随机选取簇头,其他非簇头节点以就近原则加入相应的簇,形成虚拟簇,以将整个网络的能量负载平均分配到每个传感器节点,从而达到降低网络能量消耗、延长网络生命周期的目的。并且,在簇的建立过程中,簇头向簇内节点广播硬阈值(hardthreshold)和软阈值(softthreshold),通过调整两个阈值,TEEN协议可以在传送数据的精度和网络能耗之间取得合理的平衡。TEEN的每轮循环分为簇的建立阶段和稳定的数据传输阶段。(1)围节点广播的严格每个传感器节点选择之间的一个随机数,如果选定的值小于阈值T(n),则该节点向周围节点广播自己成为簇头的消息以及硬阈值和软阈值,网络中的非簇头节点根据接收信号的强度决定加入哪个簇,并通知相关簇头。T(n)的计算公式为:其中,p是簇头占所有节点的百分比,r是目前循环进行的轮数,G是最近1/p轮中还未当选过簇头的节点集合。(2)监测数据的融合当节点首次检测到数据超过硬阈值时,节点将该值存入内部变量SV中,并按照TDMA时隙将其发送给簇头,然后簇头对相关数据进行融合,最后将融合结果传送给基站。如果当前监测数据大于硬阈值且与SV的差异大于等于软阈值时,节点才再次进行数据传送。数据传输持续一段时间后,将重新进行下一轮的簇头选取并重新成簇。TEEN协议的缺陷之一是在数据传输阶段,最高级簇头与基站之间采用单跳路由方式,消耗能量较大,同时也使网络规模受限于簇头节点的通信距离。2.2地理位置性链PEGASIS(Power-EfficientGAtheringinSensorInformationSystems)借鉴了LEACH协议的分簇思想,但在PEGASIS中簇是一条基于地理位置的链。其成簇的基本思想是:假设所有节点静止,节点根据其地理位置形成一条相邻节点之间距离最短的链,并在链上随机选择簇头。节点可以通过定位装置或者通过发送能量递减的测试信号来发现距自己最近的邻居节点,然后从距基站最远的节点开始,采用贪婪算法构造整条链。数据传输时,链上的每个节点将上一个节点传来的数据与自身采集的数据融合后,向下一个邻居节点发送,直到数据到达簇头,簇头对链两端的数据融合后,将融合结果发送给基站。3关于平面路由的协议平面路由协议的优点是简单、具有较好的健壮性,原则上不存在瓶颈问题,但扩展性较差,且缺乏对资源的优化管理。3.1spin协议SPIN(SensorProtocolsforInformationviaNegotiation)协议是一种基于信息协商的自适应路由协议。其基本思想是:任何两个节点在传输数据前都要进行协商,节点只传送其他节点没有的数据以减少冗余数据,从而有效减少能量消耗。SPIN协议提出了元数据(meta-data)的概念,元数据包含了原始数据的一些关键信息,比原始数据要小。SPIN使用三种数据报文,即ADV、REQ和DATA。当某个节点有数据可以共享时,先发送包含元数据的ADV,邻居节点根据其中的元数据判断是否需要发送REQ请求原始数据包DATA。3.2数据传输融合Rumor协议借鉴了欧氏平面图上任意两条曲线交叉机率很大的思想,其基本思想是:传感器节点监测到事件后,产生一种称为代理(agent)消息的包括事件和源节点信息的数据包,并将其沿着一条或多条随机路径在网络中单播转发,同时基站发送的查询消息也沿着一条随机路径在网络中传播,当代理消息和查询消息的传输路径交叉在一起时,将会形成一条从源节点到基站的完整数据传输融合路径。如不交叉,基站可将查询请求洪泛广播出去。Rumor协议的网络拓扑如图2。4信息传递的能量根据文献,在无线通信中传感器节点向距离d的邻居节点发送kbit数据的能耗为:传感器节点接收kbit数据的能耗为:其中,Eelec为发射器对1bit信息进行编码调制等处理消耗的能量;εamp为在传送阶段消耗的能量系数;εampdn是发送1bit信息时放大器消耗的能量,由通信距离和误码率等共同决定。n与传感器网络的应用环境密切相关,通常在2到4之间,但由于传感器网络中节点通常贴近地面,应用环境中可能有较多的障碍物,接收天线的能力也有限,因此n常常接近4。所以,在无线传感器网络中要减少单跳通信距离,使用多跳短距离无线通信方式。5建立馅料/设施联通如前所述,协议的节能性能对无线传感器网络非常重要,而根据无线通信能量模型,TEEN协议中最高级簇头与基站之间采用单跳通信的方式是较为浪费能量的,而且网络范围也受限于簇头节点的通信半径。因此,成簇后应继续建立所有簇头与基站之间的多跳传输路径。平面路由协议可以建立无等级节点到基站之间的多跳路径,同样可以用于建立簇头与基站之间的多跳路由,所以,在分簇路由协议中可以借鉴平面路由协议的设计思想。基于以上分析,本文提出了R-TEEN算法。该算法依据Rumor协议的工作机制对TEEN协议进行了改进,有效延长了网络生存时间。该算法主要分为选取簇头、建立簇头与基站之间的传输路径、数据传输三个阶段。5.1成簇算法R-TEEN算法先采用TEEN协议的工作机制周期性地选取簇头,广播成簇消息,并最终建立簇。5.2基于数据路径的算法在每个成簇周期中,R-TEEN算法分两个阶段建立簇头与基站之间数据传输路径,即“路由代理”消息单播转发阶段、路径建立阶段。(1)站内节点不转发或转发路由代理成簇后,簇头将带有簇头节点ID的“簇头路由代理”消息沿着一条随机路径单播转发,同时基站也将“基站路由代理”消息沿着一条随机路径发送到网络中,但是这两个“路由代理”消息只有簇头接收后进行转发,簇内节点并不转发该消息以节省网络能量。在转发过程中,簇头节点记录发来该消息的节点ID和自身转发的下一跳节点ID。(2)打造从引领方案到传播路径和一般路径的交叉在“路由代理”消息的传播过程中,当“簇头路由代理”消息(含有的簇头ID记为A)和“基站路由代理”消息在某个节点相遇时,相遇节点不再转发该消息,同时分别向发来该消息的两个节点发送含有簇头ID为A的反馈信息。反馈信息沿着之前代理消息的传播路径反向地向簇头A和基站传播,最终,算法逐跳地在每个簇头节点上建立了从簇头到基站之间的数据传输路径。如果两种代理消息没有交叉,基站可将“基站路由代理”消息洪泛广播出去。在每个成簇循环周期中,该路径建立后都是稳定的,而不像Rumor一样每次都随机选择数据发送路径。因为TEEN协议适用于响应型网络,响应型网络中节点监测到数据后会主动发送给基站,基站并不会主动发送查询信息。5.3多跳路径发送数据簇头与基站之间的数据传输路径建立之后,簇内节点采集数据并发送给各自的簇头,簇头对收集的信息进行融合,并将融合结果沿着之前建立的多跳路径发送给基站。5.4集群管理维护R-TEEN算法采用TEEN协议的工作机制维护簇的结