一種多傳感器網(wǎng)絡生存時間的能量平衡方法

一種多傳感器網(wǎng)絡生存時間的能量平衡方法

無線傳感器網(wǎng)絡可以通過集成的小型傳感器合作實時監(jiān)控、感知和收集環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并隨機擴展生成系統(tǒng)的信息。它特別適用于環(huán)境監(jiān)控、救援和危險區(qū)域的遠程控制。在工作面、掘進面和采空區(qū)、硐室等煤礦安全監(jiān)測的關鍵地帶,利用無線傳感器網(wǎng)絡的特點則可以克服現(xiàn)有的安全監(jiān)測系統(tǒng)部署和進行實時監(jiān)測的困難,實現(xiàn)煤礦采煤、掘進工作面、采空區(qū)等區(qū)域的有效監(jiān)測。在類似的環(huán)境條件下,具有區(qū)域受限的特點。由于傳感器節(jié)點的能量通常無法得到二次補充,因此設計有效的分簇算法來延長網(wǎng)絡的生存期是至關重要的。盡管有很多的LEACH改進算法,但是這些算法通常都是對開放區(qū)域進行研究,而沒有專門針對特殊環(huán)境限定區(qū)域進行研究。在限定區(qū)域的實際應用中,為了進一步提高生存時間,降低維護成本,可以靈活地選擇同構和異構的方式,以及sink點的位置。由文獻可知,根據(jù)Crossbow開發(fā)的IRIS節(jié)點的無線通信能力,對特定的限定區(qū)域,節(jié)點有足夠的能力進行單跳通信,實現(xiàn)有效覆蓋。因此,對限定區(qū)域單跳通信時的分簇進行研究更具有實際意義。根據(jù)EEUC算法的研究,采用非均勻分簇解決多跳路由中“熱區(qū)”問題,使簇首能耗更均勻,從而有效延長網(wǎng)絡的生存期。對特定的限定區(qū)域而言,我們的思路是:基于節(jié)點的剩余能量與網(wǎng)絡中所有節(jié)點的總能量的比例和簇首之間距離約束條件來考慮分簇方案,只要讓所有的節(jié)點更均衡地擔任簇首,可以避免單個節(jié)點單次長距離通信造成的能量消耗差異,同時可以避免多跳通信中的應答過程,降低通信開銷,單跳通信更適合,具有可行性。最重要的是,在單跳情況下,能夠以犧牲一定程度生存期為代價,采用單次長距離通信,可以有效地避免出現(xiàn)“熱區(qū)”問題。因此本文提出一種改進的分簇算法LEACH-ED,其特點是以成簇的方式組織節(jié)點,節(jié)點根據(jù)當前的剩余能量與網(wǎng)絡中所有節(jié)點的總能量的比例獨立地決定是否成為簇首還是成員節(jié)點。在選擇簇首時,還考慮不同簇首之間的距離約束條件對簇首選舉的影響。仿真結果顯示與LEACH相比,LEACH-ED具有更好的性能。1heed算法原理LEACH是MIT的Wendi等人為無線傳感器網(wǎng)絡設計的低功耗的自適應分簇算法,其思想是通過等概率地隨機循環(huán)選擇簇首,在數(shù)據(jù)傳輸階段,簇首以單跳通信的方式將融合后的數(shù)據(jù)發(fā)送給sink節(jié)點。PEGASIS也由LEACH發(fā)展而來,其思想是進一步減少直接與基站通信的節(jié)點。PEGASIS將網(wǎng)絡中的所有節(jié)點連成一條鏈,數(shù)據(jù)在鏈上進行融合處理,最后傳輸至sink節(jié)點。算法需要知道每個節(jié)點的位置信息。HEED算法首先根據(jù)節(jié)點的剩余能量來概率性地選取一些后選簇首,然后以簇內(nèi)通信代價的高低來競爭產(chǎn)生最終的簇首。與LEACH不同的是,它的簇生成算法需要在簇內(nèi)半徑內(nèi)進行多次消息迭代,由此需要花費很大的通信開銷。2無線能量模型在無線傳輸中,發(fā)射功率的衰減隨著傳輸距離的增大而呈指數(shù)衰減。文獻中提出了兩種信道傳輸模型,自由空間模型和多路徑衰落模型,當發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點之間的距離d小于某個值d0時,采用自由空間模型,發(fā)射功率呈d2衰減;否則采用多路徑衰減模型,發(fā)射功率呈d4衰減。本文采用與文獻相同的無線能量模型,式(1)為發(fā)射kbit數(shù)據(jù)損耗的能量,由發(fā)射電路損耗和功率放大損耗兩部分構成。功率放大損耗則根據(jù)發(fā)送者和接收者之間的距離分別采用自由空間模型和多路徑衰減模型。Eelec為發(fā)射電路的損耗能量,εfs、εmp分別為兩種信道模型下功率放大所需要能量。式(2)為接收kbit數(shù)據(jù)的能量損耗,僅由電路損耗引起。ETX(k,d)={kEelec+kεfsd2,d<d0kEelec+kεmpd4,d>d0(1)ERX(k)=kEelec(2)EΤX(k,d)={kEelec+kεfsd2,d<d0kEelec+kεmpd4,d>d0(1)ERX(k)=kEelec(2)此外,對數(shù)據(jù)信號進行融合等處理時也將損耗能量,由EDA表示融合單個數(shù)據(jù)信號所損耗的能量。3網(wǎng)絡異構性時的初始能量LEACH-ED算法分為三個階段:簇首選舉,簇的形成和數(shù)據(jù)傳輸階段。LEACH-ED算法中,在限定區(qū)域的實際應用時,我們分別考慮了網(wǎng)絡同構和異構的情況。即網(wǎng)絡同構時,所有節(jié)點的初始能量均相同;網(wǎng)絡異構時,隨機設定一定比例節(jié)點(以下稱spec節(jié)點)的能量較高,其它節(jié)點的能量相對較低。如圖1,LEACH-ED協(xié)議流程圖中的初始階段,包括簇首選舉和簇的形成。在初始階段選出簇首,由簇首給簇成員節(jié)點分配TDMA時隙,在給定的時隙內(nèi),簇成員節(jié)點加入合適的簇。在穩(wěn)定工作階段即數(shù)據(jù)傳輸階段,簇首將數(shù)據(jù)融合后,將數(shù)據(jù)直接發(fā)給sink節(jié)點;經(jīng)過一輪數(shù)據(jù)收集后,將選舉新的簇首,如此重復兩個階段的工作。3.1改進tn式如圖1,LEACH-ED協(xié)議流程圖所示,當網(wǎng)絡剛開始運行時,需要計算當前節(jié)點的剩余能量Ei(t)和整個網(wǎng)絡總能量Etotal(t),距離閾值Dd。Dd=S√N*p√(3)Dd=SΝ*p(3)其中:S是限定區(qū)域的面積;N為網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)目;p為簇首占所有節(jié)點的百分比。根據(jù)式(4)計算簇首選舉時的閾值T(n),從改進的T(n)表達式可以看出,該式直接與節(jié)點的當前剩余能量相關,這樣就保證了每輪中能夠選舉出剩余能量較多的節(jié)點當選為簇首節(jié)點,使得網(wǎng)絡中的節(jié)點能耗更加均衡。每個節(jié)點隨機生成0到1之間的數(shù),如果節(jié)點產(chǎn)生的隨機數(shù)Random(n)小于閾值T(n),并且該節(jié)點與現(xiàn)有的簇首之間的距離ddist大于Dd時,它才能成為簇首。通過距離這個約束條件,就可以使得簇首均勻分布在實際的限定區(qū)域中;改進的T(n),使得每個節(jié)點更均衡地擔任簇首,有效地利用網(wǎng)絡中的能量,從而在一定程度上延長了網(wǎng)絡的生存時間。引入的距離約束Dd,避免了LEACH中可能會出現(xiàn)的問題:簇首之間的距離太近而導致的由于電磁波互相干擾,使得數(shù)據(jù)重發(fā)引起的不必要的能量損耗。T(n)={p1?p×[rmod(1/p)]?Ei(t)Etotal(t),ifn∈G0Others(4)Τ(n)={p1-p×[rmod(1/p)]?Ei(t)Etotal(t),ifn∈G0Οthers(4)其中:r是目前循環(huán)進行的輪數(shù);G是最近1/p輪中還未當選為簇首節(jié)點的集合。3.2節(jié)點的adv消息當簇首選定之后,每個簇首用非持續(xù)CSMA(carrier-sensemultipleaccess)MAC協(xié)議向全網(wǎng)廣播自己成為簇首的消息,此消息稱為ADV(advertisementmessage),如圖1中所示。該消息包括簇首的ID號和包頭標識以表明該消息是宣告消息。其它節(jié)點在簇形成的廣播階段接收簇首的ADV消息,在一定時間間隔接收到多個ADV消息之后,根據(jù)接收到的ADV消息強度來決定加入離自己最近的那個簇。節(jié)點用非持續(xù)CSMAMAC協(xié)議發(fā)送加入請求信息JOIN到相應的簇首,如圖1中所示。此消息包括節(jié)點的ID號和簇首的ID號。簇首接收到所有的JOIN消息,基于成員節(jié)點的數(shù)目,以TDMA方式為每個簇成員分配一定的時隙,并用廣播的形式發(fā)送到簇內(nèi)所有的節(jié)點,這就可以保證簇內(nèi)每個節(jié)點只在相應的時隙內(nèi)進行數(shù)據(jù)傳輸,而在其它時間內(nèi)進入休眠狀態(tài),從而減小了能量的消耗。3.3使用單跳通信方式當無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點成簇以后,節(jié)點需要與sink節(jié)點進行通信。針對文中的特定限定區(qū)域,簇內(nèi)節(jié)點之間的通信和簇首與sink節(jié)點的通信仍然使用單跳通信方式。原因是我們考慮的簇首選取時的約束條件,可以使得每個節(jié)點更加均衡地擔任簇首,避免了單個節(jié)點單次長距離通信造成的能量消耗差異;同時可以避免多跳通信中的應答過程,降低通信開銷,此時的單跳通信更適合,具有可行性。即圖1中LEACH-ED協(xié)議的穩(wěn)定階段,簇首匯集簇內(nèi)成員節(jié)點的數(shù)據(jù)后,并進行簡單的融合處理,將匯聚后的數(shù)據(jù)匯報給sink節(jié)點,而其它的成員節(jié)點在所分配的時隙內(nèi)將數(shù)據(jù)上報給簇首。4基于同構和異構的網(wǎng)絡仿真在Linux平臺下,利用NS-2軟件對LEACH、LEACH-ED協(xié)議進行仿真、分析和比較。考慮在實際監(jiān)測應用中,通常需要靈活地選擇網(wǎng)絡類型即同構或異構,本文對提出的算法,基于同構和異構網(wǎng)絡分別進行了仿真測試和比較。仿真中的參數(shù)選擇為:節(jié)點數(shù)目100,200;仿真時間:3500s。仿真實驗的其它參數(shù)見表1所示。4.1網(wǎng)絡生存周期在異構網(wǎng)絡的情況下,設普通節(jié)點的初始能量2J,spec節(jié)點的初始能量200J。對LEACH,LEACH-ED協(xié)議進行仿真時,采用基于存活節(jié)點比例的網(wǎng)絡生存周期定義。圖2分別為100,200個節(jié)點時LEACH協(xié)議與LEACH-ED協(xié)議存活節(jié)點數(shù)的比較。圖2中隨著節(jié)點密度的增加,LEACH-ED和LEACH協(xié)議曲線之間的差距增加,這表示LEACH-ED協(xié)議考慮了節(jié)點的當前剩余能量同時,還使用簇首之間的距離來限制簇首的選擇,以此優(yōu)化分簇方案,使得負載平衡,能量消耗均衡,延長網(wǎng)絡的生存時間。4.2letch-ed生存期的仿真本文針對限定區(qū)域的實際場景,除考慮剩余能量外,還增加了簇首選擇的距離閥值約束條件ddist>Dd,針對異構網(wǎng)絡,下面對有無距離閥值時的生存期進行了比較,其中LEACH-ED′表示沒有使用閥值約束條件時的生存節(jié)點數(shù),仿真結果如圖3所示。圖中曲線表明:無論是第一個節(jié)點死亡時間還是最后一個節(jié)點死亡的時間,都顯示了LEACH-ED的優(yōu)勢。如果以20%節(jié)點死亡作為觀察點,可以發(fā)現(xiàn)隨著節(jié)點的增多,LEACH-ED的網(wǎng)絡存活時間顯著增長,說明該約束條件進一步均衡了網(wǎng)絡中所有節(jié)點能量消耗。4.3網(wǎng)絡生存節(jié)點數(shù)的確定考慮到實際應用,對同構節(jié)點情況下LEACH-ED和LEACH的生存時間也進行仿真比較。保持其他參數(shù)不變,所有節(jié)點的初始能量均設為2J。圖中的LEACH-ED(equal)表示同構時的網(wǎng)絡生存節(jié)點數(shù)。從圖4可以看出,在100、200個節(jié)點的情況下,LEACH-ED(equal)的生存時間均比LEACH長,而且隨著節(jié)點數(shù)增加生存時間增加的更多。值得注意的是,與圖3比較,在節(jié)點同構的情況下,仿真得到的曲線更平滑,說明網(wǎng)絡節(jié)點能量的消耗更均勻;而圖3曲線的情況正好與網(wǎng)絡中存在異構節(jié)點的實際情況相符合。5高效的均勻通信本文綜合考慮了無線傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點的剩余能量和簇首之間的距離的約束條件,使得網(wǎng)絡中剩余能量較多