無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量平衡多播路由協(xié)議

1、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量平衡多播路由協(xié)議taehee kim, hosung park, min-sookjin, batzorig sambuu, and sang-ha kim大韓民國(guó)305 764,大口，220長(zhǎng)庚洞儒城區(qū)忠南國(guó)立人學(xué)，計(jì)算機(jī)工程學(xué)院 thkim , hspark , badamul , sbat cclab. cnu. ac. kr 和 shkimcnu. ac. kr摘要在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，現(xiàn)有的基于位置的多播協(xié)議通過(guò)靜態(tài)數(shù)據(jù)路徑，利用組會(huì)員的 位置信息，傳送數(shù)據(jù)包到組成員。在數(shù)據(jù)傳輸路徑中路由路徑不會(huì)改變，除非拓?fù)渥兓?。因此，?由路徑的節(jié)點(diǎn)可能由于持續(xù)的能源消耗而死亡

2、，因而網(wǎng)絡(luò)的壽命可能會(huì)縮短。木文提出了一種動(dòng)態(tài) 的基于位置的多播協(xié)議，以通過(guò)改變路由路徑來(lái)平衡網(wǎng)絡(luò)能耗，從而延長(zhǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命。 最后，我們利用仿真證明了我們的i辦議在能源消耗方面的性能改進(jìn)。索引術(shù)語(yǔ)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；多點(diǎn)傳送;生命周期；可擴(kuò)展性1引言無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wsns ） 1 配備傳感器、處理器、內(nèi)存和無(wú)線通信設(shè)備，包括能源約束和存儲(chǔ)限制節(jié)點(diǎn)。最近在該領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步取得了發(fā)展，纖巧、低成本、低功率以及多功能傳感器 節(jié)點(diǎn)1 , 2 。通過(guò)人量節(jié)點(diǎn)的協(xié)作努力，區(qū)域內(nèi)密集部署2 ,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常能夠執(zhí)行大量的任務(wù)。然而，節(jié)點(diǎn)是由輕便電池供電的。即能源作為wsns的關(guān)鍵因素正在不 斷消

3、耗，并最終排出，從而wsns協(xié)議應(yīng)盡量減少節(jié)點(diǎn)的能源消耗。節(jié)點(diǎn)的能耗與網(wǎng)絡(luò)的生命周期有著密切的關(guān)系，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為是無(wú)功能時(shí)，其涵蓋從部署到即 時(shí)的跨度。在第一個(gè)節(jié)點(diǎn)或白分比節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)它可以推廣到即時(shí)。因此，為了延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的壽命， 在路由過(guò)程中，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能耗的平衡比只減少總能源消耗更重要。然而，典型的基于位置的多播協(xié)議4 -13 設(shè)計(jì)的目的是降低路曲進(jìn)程中能源消耗總量。在這 些協(xié)議屮，同一紐成員的路由路徑都沒(méi)有改變，除非拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化，雖然在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上使用組 成員的位置信息，下一跳構(gòu)成的路徑是動(dòng)態(tài)確定的。因此，能源消耗主耍集屮在節(jié)點(diǎn)的路由路徑。 這種集屮的能源消耗造成網(wǎng)絡(luò)的生命周期被縮短的事實(shí)。

4、圖1網(wǎng)絡(luò)中有兩個(gè)組播部分如圖1 ,節(jié)點(diǎn)的路由路徑源a是死亡的，并導(dǎo)致路由黑洞14 15 。源b需要繞開(kāi)路由 黑洞，沿著漫長(zhǎng)、效率低下的道路發(fā)出數(shù)據(jù)包。如果源a的路由路徑節(jié)點(diǎn)沒(méi)有死亡，源13就不會(huì)不 得不沿著較長(zhǎng)和低效的道路將數(shù)據(jù)包傳送到1=1的地。在木文中，我們提出了動(dòng)態(tài)位置組播協(xié)議，以通過(guò)改變路由路徑來(lái)平衡網(wǎng)絡(luò)能耗，以便延長(zhǎng)無(wú) 線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期。我們的協(xié)議的關(guān)鍵理念是在源和輪轉(zhuǎn)上利用象限為中心。此外，為了提 高可擴(kuò)展性的問(wèn)題，擬出的協(xié)議劃分傳送數(shù)據(jù)和目的地的位置信息。本文其余安排如下：第二節(jié)介紹了相關(guān)的工程。第三節(jié)介紹了擬出的協(xié)議。第四節(jié)給出了我們 的協(xié)議的性能評(píng)價(jià)和分析。最后，第五節(jié)

5、總結(jié)，并討論了一些懸而未決的問(wèn)題。二有關(guān)的工作全球監(jiān)測(cè)報(bào)告gmr 4 協(xié)議，在兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)了高能源效率：盡量減少一些節(jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn)（費(fèi)用）和最大限度地減少到達(dá)目的地的整體距離（進(jìn)展）。但是，gmr有兩個(gè)問(wèn)題。首先，出于 要為每一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸創(chuàng)建相同的路徑，能源消耗主要集中在路由路徑的節(jié)點(diǎn)上。第二，gmr效應(yīng)并 不適合于大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)。所有目的地的位置信息應(yīng)編碼到每一個(gè)數(shù)據(jù)包，以評(píng)估的成本和進(jìn)展情 況。這意味著，對(duì)于一個(gè)有限容量的數(shù)據(jù)包，大規(guī)模多播組屮，位置信息比數(shù)據(jù)占用更大的空間內(nèi) 容。此外，在gmr存在越多目的地，評(píng)價(jià)變得更復(fù)朵，因?yàn)樵诿恳惶獙?duì)每個(gè)了目的地進(jìn)行成本和 進(jìn)展的評(píng)估。hgmr 5

6、 來(lái)自hrpm 16 ,并繼承了它的可擴(kuò)展性。在hrpm ,整個(gè)網(wǎng)絡(luò)分層分割成兒個(gè) 單元，每個(gè)單元有一個(gè)ap,管理相應(yīng)的單元中冃的地的位置信息。源轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到最高級(jí)別的接入點(diǎn) aps,最高級(jí)別的接入點(diǎn)aps發(fā)送數(shù)據(jù)到當(dāng)?shù)剌^低的接入點(diǎn)aps,直到數(shù)據(jù)包到達(dá)最低接入點(diǎn)apso 最低的接入點(diǎn)aps收到數(shù)據(jù)包，然后逐一單傳到多個(gè)日的地。這些單傳在hgmr屮由gmr取代。該 hgmr不遭受可擴(kuò)展性問(wèn)題，因?yàn)橹挥泄芾?的地存在于單元屮o然而，hgmr有以下問(wèn)題。首先，一個(gè)單元大小可能廣泛適用t gmr，極少兒個(gè)冃的地存在于網(wǎng) 絡(luò)中。該網(wǎng)絡(luò)有一些目的地可能無(wú)法分割。在這個(gè)時(shí)候，單元的人小等于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。第二，所

7、有的 傳輸都集屮到接入點(diǎn)apso雖然aps可以通過(guò)散列函數(shù)改變到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，它在單元屮是有限的。第三，包必須從上部接入點(diǎn)分層交付到下部接入點(diǎn)。這意味著數(shù)據(jù)包應(yīng)首先發(fā)送到上部ap,雖然較 低的ap比上部ap更接近源。這使得路由路徑效率低下。三擬出的協(xié)議擬出的協(xié)議包括兩個(gè)階段：路由路徑建立和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，以及路由路徑改變。第一階段在第三節(jié)a 中有所描述。第二階段在第三節(jié)b屮有所描述。第三節(jié)提出了一些例外情況和第一階段的解決方 案。a路由路徑建立和數(shù)據(jù)傳輸擬出的協(xié)議的主耍冃標(biāo)，是通過(guò)改變路由路徑平衡網(wǎng)絡(luò)能耗，我們應(yīng)該考慮到路由進(jìn)程開(kāi)始的 時(shí)候。為了實(shí)現(xiàn)這一h標(biāo)，源以木身為中心創(chuàng)建了象限，如圖2所示。然后

8、通過(guò)象限中的位置來(lái)建 組日的地。在此之后，源發(fā)出一個(gè)包來(lái)填補(bǔ)日的地在相應(yīng)象限的位置信息。之前的數(shù)據(jù)，這個(gè)數(shù)據(jù) 包使用其內(nèi)容開(kāi)發(fā)路由路徑，命名冃的地的位置信息，在每個(gè)訪問(wèn)節(jié)點(diǎn)上記錄其軌跡。如果冃的地 存在于所有四個(gè)彖限，源傳送四個(gè)數(shù)據(jù)包，因?yàn)樗鼈兊膬?nèi)容是分別不同的。結(jié)果，四個(gè)路由路徑被 創(chuàng)建。這些過(guò)程詳細(xì)說(shuō)明如h o圖2:源s創(chuàng)建的象限圖3步進(jìn)節(jié)點(diǎn)成為新的源源在其單跳相鄰節(jié)點(diǎn)屮，每個(gè)彖限選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為第一個(gè)步進(jìn)節(jié)點(diǎn)，如圖3所示，為每個(gè)象 限制作數(shù)據(jù)包。源用忖的地的位置信息填補(bǔ)了相應(yīng)彖限的數(shù)據(jù)包，然后傳送到相應(yīng)的步進(jìn)節(jié)點(diǎn)。步 進(jìn)節(jié)點(diǎn)是一個(gè)彖限中到所有h的地的平均最接近節(jié)點(diǎn)的點(diǎn)。步進(jìn)節(jié)點(diǎn)收到從源來(lái)

9、的數(shù)據(jù)包，將其作 為自己的新源。它創(chuàng)建自己的象限，并根據(jù)收到的冃的地的位置信息，選擇新的節(jié)點(diǎn)作為步進(jìn)節(jié) 點(diǎn)。這個(gè)過(guò)程在每個(gè)存在冃的地的象限中重復(fù)進(jìn)行，直到數(shù)據(jù)包到達(dá)所有的fl的地，和路由路徑創(chuàng) 建?？梢愿鶕?jù)步進(jìn)節(jié)點(diǎn)模擬圖4。ni :源s的i跳相鄰步進(jìn)節(jié)點(diǎn)(所以no =s )qj :第j象限p : r的地在相應(yīng)節(jié)點(diǎn)中的位置信息d :目的地loop i 二 0 to infinityloop j 二 1 to 4ni send p to n(i+1) in qjsave p in routing tableend loopif ( check (routing path to all d) = =

10、 createdexit loopend ifend loop圖4 :路由路徑的創(chuàng)建模式接收目的地的位置信息的步進(jìn)節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建一個(gè)路由表，從而路由路徑被建立在源代碼和所有目的 地之間。在數(shù)據(jù)傳輸路徑創(chuàng)建以后，源節(jié)點(diǎn)開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)包。他們不依賴(lài)于象限，從而在單跳范圍內(nèi)使 用無(wú)線媒介的特點(diǎn)，可以一次發(fā)送到每一個(gè)步進(jìn)節(jié)點(diǎn)。步進(jìn)節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包后廣播發(fā)送。該數(shù)據(jù)包 被下一個(gè)步進(jìn)節(jié)點(diǎn)接收，使用路由信息。根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以建模如圖5。n(w) : w步進(jìn)的相鄰節(jié)點(diǎn)p : w接收的數(shù)據(jù)if ( n(w) receive p )二二 trueif ( search p in routing table )二二 true

11、 broadcast p;elsediscard p;end ifend if圖5數(shù)據(jù)傳播模式b路出路徑的變化第三節(jié)a描述的象限理出是比較容易改變路出路徑。為了更改路曲路徑，源旋轉(zhuǎn)象限的轉(zhuǎn)角a 如圖6所示。在旋轉(zhuǎn)彖限中當(dāng)選的步進(jìn)節(jié)點(diǎn)不同于以往的步進(jìn)節(jié)點(diǎn)。因此，在旋轉(zhuǎn)彖限z后該路由 路徑可以改變。圖6彖限的旋轉(zhuǎn)然而，為了保證整個(gè)步進(jìn)節(jié)點(diǎn)改變，我們應(yīng)該將兩個(gè)因素考慮進(jìn)去；網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)密度和轉(zhuǎn) 角。第一，改變節(jié)點(diǎn)的比例與節(jié)點(diǎn)密度有關(guān)。在低密度網(wǎng)絡(luò)情況下，步進(jìn)節(jié)點(diǎn)在旋轉(zhuǎn)后是相同的， 反z亦然。第二，最大地改變步進(jìn)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化轉(zhuǎn)角根據(jù)部署節(jié)點(diǎn)是復(fù)雜多變的。規(guī)范最佳旋轉(zhuǎn)角度 是不容易的，因?yàn)樗嵌嘧兊那矣?jì)算

12、方法復(fù)雜。因此，如果隨機(jī)的轉(zhuǎn)角足以平衡具有不同密度的網(wǎng) 絡(luò)的能源消耗，這是一種更有效的解決辦法。我們將評(píng)佔(zhàn)隨機(jī)旋轉(zhuǎn)角度的性能，選擇計(jì)劃在第五 節(jié)。決定時(shí)間間隔的旋轉(zhuǎn)象限是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。無(wú)論數(shù)據(jù)包是否發(fā)送，如果象限輪換，我們的i辦議 相比其他協(xié)議可擴(kuò)展性和能源消耗變得更糟，因?yàn)閼?yīng)該再次傳送目的地的位置信息，以創(chuàng)建新的路 由路徑。相反，如果人量的數(shù)據(jù)傳送后輪換象限，我們的協(xié)議無(wú)法有效地平衡能源消耗。因此，象 限輪換時(shí)，能源消耗的平衡和增加的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的開(kāi)俏之間需要一個(gè)很好的權(quán)衡。這將在第五節(jié) 評(píng)價(jià)。c界常處理程序1）在沒(méi)有步進(jìn)節(jié)點(diǎn)的情況下在一些彖限，沒(méi)有任何節(jié)點(diǎn)可以從源頭上訪問(wèn)的情況是可能發(fā)生的。

13、在這種情況下，源在另一 象限中選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為步進(jìn)節(jié)點(diǎn)。但是，如果任何節(jié)點(diǎn)都不比源本身更接近h的地，它發(fā)送一個(gè) 數(shù)據(jù)包到我們可以恢復(fù)的路由過(guò)程中，利用gpsr中介紹了的周邊模式：無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的熱切環(huán)路狀態(tài) 路由17 。2）在無(wú)用的路由表情況下基于位置的多播協(xié)議一個(gè)共同的優(yōu)勢(shì)是，并不需要全球路由結(jié)構(gòu)。盡管擬岀的協(xié)議依賴(lài)于路由 表，路由路徑的創(chuàng)建過(guò)程類(lèi)似典型的基于位置的組播i辦議，并不會(huì)產(chǎn)生額外的開(kāi)銷(xiāo)。此外，在下一 跳節(jié)點(diǎn)和路由表無(wú)用的情況下，它比較容易通過(guò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化來(lái)恢復(fù)。當(dāng)前節(jié)點(diǎn)從路由表產(chǎn)生冃 的地的位置信息，并建立一個(gè)包。數(shù)據(jù)包傳送到新的步進(jìn)節(jié)點(diǎn)，從而創(chuàng)建新的路由路徑。這一進(jìn)程 與路由路徑的

14、創(chuàng)建過(guò)程沒(méi)有什么不同，第三節(jié)a有描述。四性能評(píng)價(jià)在這一節(jié)中，相對(duì)于gmr,評(píng)估和分析了擬岀的協(xié)議的性能4 。該hgmr 5 是例外，因 為它是一個(gè)牢固的協(xié)議，該協(xié)議在源和接入點(diǎn)aps之間沒(méi)有規(guī)定路由結(jié)構(gòu)。評(píng)價(jià)環(huán)境和性能指標(biāo)， 在第三節(jié)a屮提出。在第三節(jié)b和c,擬出的協(xié)議用每個(gè)性能指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)。a評(píng)價(jià)環(huán)境和性能指標(biāo)每個(gè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生時(shí)的旋轉(zhuǎn).沒(méi)有族轉(zhuǎn)每?jī)蓚€(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生時(shí)的薑轉(zhuǎn)gmr圖7 :傳送的數(shù)量在此情況下，該網(wǎng)絡(luò)包括500個(gè)節(jié)點(diǎn)，均勻地放置在一個(gè)面積為1500 * 1500米的區(qū)域內(nèi)。根 據(jù)micaz規(guī)范18 ,每個(gè)節(jié)點(diǎn)采用了 2節(jié)aa系列電池，無(wú)線電傳輸范圍是100米。每個(gè)節(jié)點(diǎn)中 消耗的能源在11毫安

15、和17. 4毫安范圍內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)包。然而，由于各種不同的數(shù)據(jù)包人小沒(méi)有考慮 在m1caz規(guī)格中，我們假設(shè)冃的地包和數(shù)據(jù)包分別傳播在11毫安和13毫安z間。這意味著，冃的 數(shù)據(jù)包的大小小于在這種情況下數(shù)據(jù)包的大小。我們還假定gmr消耗17毫安來(lái)傳輸數(shù)據(jù)包。在所有評(píng)價(jià)中，我們?cè)u(píng)價(jià)了三個(gè)目的地和五個(gè)數(shù)據(jù)后代。目的地存在越多，gmr的性能越糟糕 如圖顯示，它可以管理少量的目的地，如長(zhǎng)達(dá)五個(gè)。因此，如果我們的協(xié)議在5個(gè)目的地的情況下 比gmr顯示出更好的性能，它在大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)中會(huì)顯示更好的性能。下面的兩個(gè)性能指標(biāo)是：網(wǎng)絡(luò)的能耗。使用此指標(biāo)，我們可以評(píng)估整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中路由引起的的能耗。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的能源消耗量。含有

16、一個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)得有長(zhǎng)時(shí)間提供的鮮活的能量。所以，這種指標(biāo)可 以評(píng)估網(wǎng)絡(luò)的生命周期。b網(wǎng)絡(luò)的能耗圖7表明，該協(xié)議比gmr傳播更多的數(shù)據(jù)包。無(wú)論象限是否輪換，它們z間的差距更廣泛，因 為擬出的協(xié)議要傳送h的地的位置信息。這意味著，擬出的協(xié)議無(wú)疑為路由消耗更多的能量，根據(jù) 整個(gè)網(wǎng)絡(luò)如圖8所示。這造成的事實(shí)是，擬出的協(xié)議劃分傳遞日的地和數(shù)據(jù)的位置信息。然而在 gmr屮這些信息是由數(shù)據(jù)包來(lái)傳送的。雖然位置信息的規(guī)模小于我們假設(shè)的數(shù)據(jù)，需耍比gmr更多 的能量來(lái)劃分傳遞。300025002000150010005000韋隸轟韋臨瞽產(chǎn)沒(méi)有蹄路由計(jì)劃圖8網(wǎng)絡(luò)的能源消耗在特殊情況下，象限沒(méi)有旋轉(zhuǎn)，擬出的協(xié)議比g

17、mr消耗更少的能源，因?yàn)槟康牡氐奈恢眯畔⒃?路由過(guò)程開(kāi)始時(shí)就轉(zhuǎn)交了。c每個(gè)節(jié)點(diǎn)的能源消耗量在每-個(gè)節(jié)點(diǎn)小，擬出的協(xié)議比gmr消耗更少的能量，因?yàn)闊o(wú)論彖限是否輪換，它采用了新的 節(jié)點(diǎn)。如圖9 ( a )所示，象限輪換越頻繁，使用的節(jié)點(diǎn)越多，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的能源消耗下降。圖表 的峰點(diǎn)顯示在圖9 ( a ),是由不變的節(jié)點(diǎn)所造成的，使用超過(guò)一次。在每一個(gè)旋轉(zhuǎn)中，一些舊 的節(jié)點(diǎn)可以在新的路由路徑中選擇。他們比其他節(jié)點(diǎn)消耗更多的能源。如果最優(yōu)轉(zhuǎn)角最人的改變步 進(jìn)節(jié)點(diǎn)，這些峰點(diǎn)將不會(huì)顯示。在第一輪76 %的節(jié)點(diǎn)被改變，在第五輪56 %的節(jié)點(diǎn)都發(fā)生了變化，如圖(b )顯示。這意 味著，一些節(jié)點(diǎn)在輪換后可能會(huì)改變。

18、然而，雖然在n輪后任何節(jié)點(diǎn)都沒(méi)有改變，我們的協(xié)議有 助于平衡能源消耗，因?yàn)槲覀兛梢赃x擇源和fi的地z間的斤路由路徑。因此，隨機(jī)旋轉(zhuǎn)角度是可以接受的，以實(shí)現(xiàn)我們的目標(biāo)。相關(guān)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量沒(méi)有旋轉(zhuǎn)每?jī)蓚€(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn) 塗金每個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生族轉(zhuǎn)gmr(aw)能源消耗量(a)能源消耗的分布變化節(jié)點(diǎn)的百分?jǐn)?shù)40%那20%10%0%im9)%012345輪換的數(shù)量(b)變化節(jié)點(diǎn)的百分?jǐn)?shù)圖9能源消耗的平衡五結(jié)論我們介紹了 wsns能源平衡的多播路由協(xié)議。擬出的協(xié)議使用象限，通過(guò)改變數(shù)據(jù)傳輸路 徑來(lái)平衡能源消耗。雖然它涉及到更多的節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)傳輸消耗更多的能源，我們證明了，相比 gmr,我們的協(xié)議結(jié)果是平衡了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能

19、源消耗，從而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的壽命。對(duì)于今后的工作，我們將分析整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能源消耗，權(quán)衡各種網(wǎng)絡(luò)的能源消耗。參考文獻(xiàn)1 i.f. akyildiz, w. su, and y. sankarasubramaniam, and e. cayirci/'wireless sensor networks: a survey/5 computer networks, vol. 38,pp. 393-422, 2002.2 k. akkaya and m. younis, “a survey on routing protocols for wireless sensor networks,ad hoc

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