無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量優(yōu)化協(xié)議研究

0基于非均勻分簇的路由協(xié)議i-eeuc無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由許多在監(jiān)測區(qū)域上部署的微傳感器節(jié)點(diǎn)組成。該網(wǎng)絡(luò)收集并處理與受監(jiān)視對象有關(guān)的信息，并最終發(fā)送基站。被監(jiān)測區(qū)域通常在人類無法接近的較惡劣甚至危險(xiǎn)環(huán)境中,傳感器節(jié)點(diǎn)的能量補(bǔ)充相當(dāng)困難。這就要求設(shè)計(jì)路由協(xié)議時(shí)必須重點(diǎn)考慮節(jié)點(diǎn)能耗問題,由文獻(xiàn)可知,采用分簇與簇首間多跳的通信方式,可以降低網(wǎng)絡(luò)整體能耗。目前研究人員已經(jīng)提出了許多基于分簇的路由協(xié)議,這類協(xié)議利用傳感器節(jié)點(diǎn)分布密集,網(wǎng)絡(luò)中存在大量數(shù)據(jù)冗余的特點(diǎn),采用分簇策略對冗余信息進(jìn)行融合,從而減少網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸量,達(dá)到節(jié)約能量的目的。已有的基于分簇的路由協(xié)議有LEACH(low-energyadaptiveclusteringhierarchy)協(xié)議、HEED(hybridenergy-efficientdistributedclustering)協(xié)議、EEUC(energy-efficientunevenclustering)協(xié)議等。以下對近幾年提出的協(xié)議進(jìn)行簡單介紹,ULCR(unequallevel-basedclusteringroutingalgorithm)協(xié)議將網(wǎng)絡(luò)分層,根據(jù)節(jié)點(diǎn)剩余能量與節(jié)點(diǎn)所屬的層次來競爭簇首,使用候選簇首競爭范圍構(gòu)造大小不同簇,簇間采用多跳方式通信。HDF-EEUC(highlydatafusionunequalclustering-EEUC)協(xié)議在與基站距離小于設(shè)定閾值的簇首中選擇一個(gè)主簇首,所有簇首都通過主簇首與基站通信,主簇首融合簇內(nèi)與其他簇首數(shù)據(jù)后發(fā)送給基站,此協(xié)議適用前提是網(wǎng)絡(luò)中來自不同簇的數(shù)據(jù)有大量冗余,這限制了協(xié)議的適用范圍。EERPUC(energyefficientroutingprotocolonunevencluster)協(xié)議將網(wǎng)絡(luò)分層,選簇首時(shí)考慮了節(jié)點(diǎn)剩余能量與該節(jié)點(diǎn)離所在層中心線的距離,簇首采用多跳與基站通信,數(shù)據(jù)傳輸階段選擇動態(tài)路由。CHLBC(clusterheadloadbalancedclusteringalgorithm)協(xié)議使用與EEUC協(xié)議相同的方法選擇簇首,然后構(gòu)建從基站到簇首跳數(shù)場,建立以基站為根節(jié)點(diǎn)的簇間轉(zhuǎn)發(fā)路徑,普通節(jié)點(diǎn)在選擇要加入的簇首時(shí),綜合考慮與簇首的距離和簇首的中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)量。本文提出一種改進(jìn)的基于非均勻分簇的路由協(xié)議(I-EEUC協(xié)議),由于I-EEUC協(xié)議綜合了LEACH和EEUC協(xié)議中簇首選擇策略的優(yōu)點(diǎn),從而具有較為優(yōu)越的性能。以下對LEACH和EEUC這2種協(xié)議的簇首選擇過程以及在此基礎(chǔ)上本文改進(jìn)的協(xié)議進(jìn)行詳細(xì)描述。1無確保節(jié)點(diǎn)期望全布置LEACH協(xié)議是一種基于均勻分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議,其將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)工作過程劃分為輪,每輪分為成簇與數(shù)據(jù)傳輸2個(gè)階段。在第r輪簇首選擇過程中網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都產(chǎn)生一個(gè)0到1之間的隨機(jī)數(shù)用于與閾值T(n)比較,小于閾值則成為本輪簇首,T(n)的計(jì)算公式為(1)式中:p為期望簇首占所有節(jié)點(diǎn)百分?jǐn)?shù);r為當(dāng)前輪數(shù),從0開始取值;n為傳感器節(jié)點(diǎn)標(biāo)識;G為在過去rmod(1/p)輪中未成為簇首的節(jié)點(diǎn)集合。由公式(1)可以看出,每1/p輪網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)均依概率當(dāng)選過一次簇首,在剛開始所有節(jié)點(diǎn)成為簇首的概率均為p,之后當(dāng)選過簇首的節(jié)點(diǎn)不再成為簇首,在1/p-1輪時(shí),T(n)=1,這時(shí)網(wǎng)絡(luò)中所有在前1/p-1輪中未當(dāng)選過簇首的節(jié)點(diǎn)全成為簇首,以此保證網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能耗均衡。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中有N個(gè)節(jié)點(diǎn),每輪中期望的簇首個(gè)數(shù)為k,第0輪網(wǎng)絡(luò)中簇首個(gè)數(shù)k=N×p,則每經(jīng)過一輪網(wǎng)絡(luò)中未成為簇首的節(jié)點(diǎn)減少k個(gè),經(jīng)過r(r<1/p-1)輪后未成為簇首的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為N-k×r,因此,在第r輪中簇首個(gè)數(shù)數(shù)學(xué)期望值為將k=N×p和公式(1)帶入公式(2)得因?yàn)榇厥缀哪芟鄬ζ胀ü?jié)點(diǎn)快,由以上分析可知,該協(xié)議使每1/p輪后所有節(jié)點(diǎn)都當(dāng)選過簇首,且每輪中簇首個(gè)數(shù)的數(shù)學(xué)期望值為k,以此均衡網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能耗。2競爭半徑rcEEUC協(xié)議是一種基于非均勻分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議,它采用多跳通信方式防止離基站遠(yuǎn)的簇首過早死亡,并且以主動方式均衡節(jié)點(diǎn)能耗,文獻(xiàn)中仿真結(jié)果表明,與LEACH協(xié)議相比,EEUC協(xié)議有效地均衡了網(wǎng)絡(luò)中簇首能耗,延長了網(wǎng)絡(luò)存活時(shí)間。在選候選簇首過程中,每個(gè)節(jié)點(diǎn)都產(chǎn)生一個(gè)0到1的隨機(jī)數(shù)μ,若μ小于預(yù)先設(shè)置的閾值,則成為候選簇首,參與競選最終簇首,未成為候選簇首的節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。競選最終簇首時(shí),候選簇首計(jì)算它的競爭半徑Rc。假設(shè)hi為一個(gè)候選簇首,則其競爭半徑為(3)式中:dmax和dmin分別為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)到基站最大和最小距離;d(hi,DS)為候選節(jié)點(diǎn)hi到基站距離;Rc0表示候選簇首最大的競爭半徑;c∈(0~1)為用于控制取值范圍參數(shù)。候選簇首根據(jù)競爭半徑建立鄰候選簇首集,在這個(gè)集合中根據(jù)節(jié)點(diǎn)剩余能量高低競選出最終簇首,其他競爭失敗的候選簇首成為普通節(jié)點(diǎn)。最終簇首產(chǎn)生后,普通節(jié)點(diǎn)選最近的簇首加入,這樣成簇階段結(jié)束。在數(shù)據(jù)傳輸階段,EEUC協(xié)議將數(shù)據(jù)通信分為簇內(nèi)通信與簇間通信,為了簡單易實(shí)現(xiàn),簇內(nèi)通信采用單跳通信方式,簇間采用多跳通信方式。在建立簇間多跳路由時(shí),從路由候選節(jié)點(diǎn)集合中選擇網(wǎng)絡(luò)能量開銷指標(biāo)最小的2個(gè)節(jié)點(diǎn),最后,從中選擇剩余能量最高的節(jié)點(diǎn)作為路由的下一跳節(jié)點(diǎn)。3節(jié)點(diǎn)同構(gòu)設(shè)計(jì)考慮一個(gè)由N個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)均勻分布的網(wǎng)絡(luò),其應(yīng)用場景為周期性的數(shù)據(jù)收集,并具有如下性質(zhì):1)基站BS位于一個(gè)方形觀測區(qū)域的外側(cè),基站與傳感器節(jié)點(diǎn)在部署后均不再發(fā)生位置移動;2)所有節(jié)點(diǎn)都是同構(gòu)的,均具備數(shù)據(jù)融合能力,每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)唯一標(biāo)識;3)鏈路是對稱的,若已知發(fā)送方發(fā)射功率,接收方可以根據(jù)接收信號的強(qiáng)度計(jì)算二者間距離的近似值;4)節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)信號接收方距離遠(yuǎn)近調(diào)節(jié)發(fā)射功率。這里采用與文獻(xiàn)一樣的無線通信能量消耗模型,當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)射距離小于閾值d0時(shí),采用自由空間模型,當(dāng)大于等于d0時(shí),采用多路徑衰減模型。發(fā)送lbit數(shù)據(jù)到距離為d的接收方所消耗的能量為(4)式中:Eelec表示發(fā)射電路消耗的能量;εfs和εmp為放大功率所消耗的能量。節(jié)點(diǎn)接收lbit數(shù)據(jù)所消耗的能量為ERx(l)=lEelec。4基于改進(jìn)的i-eeuc網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的改進(jìn)部分I-EEUC協(xié)議是在EEUC協(xié)議基礎(chǔ)上的改進(jìn),因此本部分從候選簇首選擇策略和下一跳簇首選擇策略兩方面對改進(jìn)部分進(jìn)行詳細(xì)描述,最后對I-EEUC協(xié)議進(jìn)行分析。4.1改進(jìn)的確定間在LEACH協(xié)議中利用T(n)使網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)輪流承擔(dān)簇首,用來均衡節(jié)點(diǎn)能耗,但是節(jié)點(diǎn)離基站遠(yuǎn)近不同導(dǎo)致充當(dāng)簇首時(shí)能量消耗不同。而在EEUC協(xié)議中利用預(yù)先設(shè)定的閾值T(T為固定值0.4)選擇候選簇首,這樣在新一輪開始時(shí),所有節(jié)點(diǎn)無論已經(jīng)當(dāng)選過幾次最終簇首,其與未當(dāng)選過最終簇首的節(jié)點(diǎn)以相同概率成為候選簇首,有可能導(dǎo)致某些節(jié)點(diǎn)過早死亡。針對此問題,本文提出的I-EEUC協(xié)議借鑒LEACH協(xié)議選簇首策略對EEUC協(xié)議候選簇首的選擇進(jìn)行改進(jìn),假設(shè)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域面積為S,節(jié)點(diǎn)總數(shù)為N,由文獻(xiàn)可知Rc有個(gè)最小取值為Rcmin=1/2Rc0,在該競爭半徑內(nèi)有且僅有一個(gè)節(jié)點(diǎn)會成為最終簇首,所以,每輪中最多有S/(π·(Rcmin)2)個(gè)最終簇首,本文通過改閾值T為T(n)使新的一輪中在最近當(dāng)選過最終簇首的節(jié)點(diǎn)不參加候選簇首的選舉,每經(jīng)過1/pfinal輪所有節(jié)點(diǎn)重新獲得競選候選簇首的資格,T(n)為rm=rmod(1/pfinal);p為期望候選簇首占所有節(jié)點(diǎn)百分?jǐn)?shù);pfinal=(S/π(Rcmin)2)/N為最終簇首所占節(jié)點(diǎn)最大百分?jǐn)?shù);r為當(dāng)前輪數(shù);n為節(jié)點(diǎn)標(biāo)識;G為在過去rm輪中未成為最終簇首的節(jié)點(diǎn)集合。前r(rm≤(1-p)/pfinal)輪中,參加候選簇首選舉的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為N(1-pfinal×rm),則候選簇首期望個(gè)數(shù)為N(1-pfinal×rm)T(n)=N×p,當(dāng)rm>(1-p)/pfinal時(shí),參加候選簇首選舉的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)將小于N×p個(gè),此時(shí)T(n)=1所有節(jié)點(diǎn)都成為候選簇首。4.2下一跳節(jié)點(diǎn)選擇在建立簇間多跳路由時(shí),I-EEUC協(xié)議將路由候選節(jié)點(diǎn)的選取范圍限制在比其自身更接近基站的簇首集合中,簇首si的路由候選節(jié)點(diǎn)集合si·RCH為si·RCH={sj|d(sj,DS)<d(si,DS)},d(si,DS)表示si到基站的距離。si從RCH中按公式(5)選擇使Erelay取最小值的sj作為下一跳節(jié)點(diǎn)。(5)式中:Ej為簇首sj當(dāng)前剩余能量;nj為簇首sj簇內(nèi)成員數(shù)目。公式(5)不但考慮了網(wǎng)絡(luò)能量開銷指標(biāo),還考慮了下一跳節(jié)點(diǎn)剩余能量與其簇內(nèi)成員數(shù)目,讓使網(wǎng)絡(luò)能量開銷較小、自身剩余能量較大且簇內(nèi)成員數(shù)目較少的簇首成為下一跳節(jié)點(diǎn)。讓簇內(nèi)成員數(shù)目較少的簇首更多地轉(zhuǎn)發(fā)來自其他簇首數(shù)據(jù),選擇下一跳時(shí)在網(wǎng)絡(luò)能量開銷與下一跳節(jié)點(diǎn)能量消耗間采用折中方法。路由建立完成后,形成了以基站為根節(jié)點(diǎn)的樹,數(shù)據(jù)沿著確定好的下一跳進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,對于來自不同簇的消息,簇首不進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。4.3改進(jìn)路由方式與EEUC協(xié)議相比,改進(jìn)的I-EEUC協(xié)議沒有增加任何消息開銷,消息復(fù)雜度仍為0(N),它僅增加了一個(gè)用來存儲最近幾輪中是否當(dāng)選過最終簇首的變量。路由算法開始時(shí),EEUC協(xié)議中最終簇首向全網(wǎng)廣播一條消息,包括其ID、當(dāng)前剩余能量和它到基站的距離,而I-EEUC協(xié)議在廣播此消息時(shí)多了其簇內(nèi)成員數(shù)目這一項(xiàng)。I-EEUC協(xié)議取消了簇首到基站距離小于某一閾值時(shí)采用與基站直接通信的限制,所有簇首均按改進(jìn)的路由方式與基站通信,避免長距離的傳輸。EEUC協(xié)議在每個(gè)數(shù)據(jù)收集周期后重新構(gòu)造簇,I-EEUC協(xié)議綜合考慮發(fā)送控制包能耗與能量效率,采用每兩次數(shù)據(jù)收集周期后重新構(gòu)造簇。5節(jié)點(diǎn)能耗均衡使用matlab7.0對I-EEUC協(xié)議進(jìn)行仿真,仿真中對來自不同簇的數(shù)據(jù)不進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,假設(shè)采用理想MAC協(xié)議,忽略無線鏈路中發(fā)生丟包的錯(cuò)誤。與文獻(xiàn)一樣,實(shí)驗(yàn)中統(tǒng)計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)接收、發(fā)送數(shù)據(jù)包與控制包,融合數(shù)據(jù)消耗的能量。仿真中采用的實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下:網(wǎng)絡(luò)區(qū)域面積為200m×200m,基站位置為(100,250)m,節(jié)點(diǎn)總數(shù)為400,節(jié)點(diǎn)初始能量為0.5J,數(shù)據(jù)包大小為4000bit,控制包大小為256bit,εmp為0.0013pJ/bit·m-4,εfs為10pJ/bit·m-2,Eelec為50nJ/bit,EDF為5nJ/bit·signal-1。首先,通過仿真觀察候選簇首比例p的取值對網(wǎng)絡(luò)存活時(shí)間影響,當(dāng)p取0~0.6之間不同值時(shí),觀察網(wǎng)絡(luò)中第一個(gè)死亡節(jié)點(diǎn)時(shí)間,如圖1所示。當(dāng)p的值為0.1時(shí),網(wǎng)絡(luò)中第一個(gè)死亡節(jié)點(diǎn)時(shí)間最晚。其次,研究不同路由協(xié)議對網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能耗均衡情況的影響。由于網(wǎng)絡(luò)中簇首消耗能量比普通節(jié)點(diǎn)快,部分節(jié)點(diǎn)如果擔(dān)任簇首次數(shù)過多會過早死亡,但是僅考慮讓節(jié)點(diǎn)輪流擔(dān)任簇首而忽略簇首間能耗的均衡也會導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)過早死亡。因此,從以下2個(gè)方面對節(jié)點(diǎn)能耗均衡情況進(jìn)行仿真分析:第一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)所有節(jié)點(diǎn)擔(dān)任簇首次數(shù)(見圖2—4)和第250輪時(shí)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)剩余能量分布(見圖5)。由圖2和圖5可以看出,LEACH協(xié)議中每個(gè)節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇首次數(shù)最接近,波動最小,實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)輪流充當(dāng)簇首的目的,分擔(dān)了作為簇首的能耗,但是它運(yùn)行250輪時(shí)節(jié)點(diǎn)平均剩余能量最小(平均剩余能量為0.185J),波動最大,是由于它沒有做到均衡簇首間能耗。LEACH協(xié)議采用均勻分簇,并且簇首與基站間采用單跳通信方式,離基站遠(yuǎn)的簇首消耗能量快,導(dǎo)致其過早死亡,因此,LEACH協(xié)議沒有有效地均衡網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能耗。由圖3可以看出,EEUC協(xié)議中第一個(gè)死亡節(jié)點(diǎn)為擔(dān)任簇首次數(shù)最多的節(jié)點(diǎn),且曲線波動大。這是因?yàn)樗谶x擇候選簇首時(shí),網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)當(dāng)選的概率相同,這導(dǎo)致一些節(jié)點(diǎn)擔(dān)任最終簇首的次數(shù)過多,相對其他節(jié)點(diǎn)過早死亡。但是EEUC協(xié)議采用簇首與基站間多跳通信方式和非均勻分簇策略,使得離基站較近的簇相對較小,簇內(nèi)成員相對較少,簇首節(jié)省下用于簇內(nèi)通信的能量來轉(zhuǎn)發(fā)較遠(yuǎn)簇首發(fā)來的數(shù)據(jù),均衡了簇首間能耗,使得圖5中EEUC協(xié)議節(jié)點(diǎn)剩余能量分布波動比LEACH小,節(jié)點(diǎn)平均剩余能量(平均剩余能量為0.261J)比LEACH大。由圖4可以看出,I-EEUC協(xié)議波動性介于LEACH和EEUC中間,因?yàn)樗C合了這2種協(xié)議中選簇首的方法來選擇最終簇首。既像LEACH協(xié)議一樣在選最終簇首時(shí)考慮了讓所有節(jié)點(diǎn)輪流充當(dāng)簇首,又像EEUC協(xié)議一樣讓能量多的候選簇首當(dāng)選最終簇首。圖5中,I-EEUC協(xié)議節(jié)點(diǎn)平均剩余能量最大(平均剩余能量為0.301J),因?yàn)槠洳捎孟啾菶EUC協(xié)議較少的候選簇首競爭最終簇首和每兩次數(shù)據(jù)收集周期后重新構(gòu)造簇,節(jié)省了用于傳輸控制信息消耗的能量。I-EEUC協(xié)議采用改進(jìn)的候選簇首選擇策略和改進(jìn)的下一跳選擇策略,使得網(wǎng)絡(luò)中未出現(xiàn)部分節(jié)點(diǎn)剩余能量過低現(xiàn)象,如圖5所示?？梢奍-EEUC協(xié)議更有效地均衡了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能耗。最后,比較3種協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)存活時(shí)間,如圖6所示,LEACH,EEUC和I-EEUC協(xié)議中第一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡輪次分別為240,371和510,網(wǎng)絡(luò)中一半節(jié)點(diǎn)死亡輪次分別為465,540和635,節(jié)點(diǎn)全部死亡輪次分別為629,586和698。I-EEUC協(xié)議無論是第一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)間還是網(wǎng)站中一半節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)間都優(yōu)于其他兩種協(xié)議,可見,I-EEUC協(xié)議有效地延長了網(wǎng)絡(luò)的存活時(shí)間(網(wǎng)絡(luò)存活時(shí)間以第一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡的輪數(shù)記,I-EEUC比LEACH延長了112.5%,比EEUC延長了37.5%)。文獻(xiàn)中將能量效率定義為第一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)間與最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)間的比率,其越大說明節(jié)點(diǎn)能耗越均衡,網(wǎng)絡(luò)中能量使用越高效。