無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點能量受限的影響因素分析

無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點能量受限的影響因素分析

傳感器網(wǎng)絡通常由以電池為電源的傳感器節(jié)點組成，這是一種隨機分布的。在無人監(jiān)督的模式下工作。由于節(jié)點在布灑之后不太可能進行電池更換,因此網(wǎng)絡的工作能力受到電池電量的嚴重限制。如何節(jié)能是傳感器網(wǎng)絡中需要解決的重要問題。無線傳感器網(wǎng)絡的路由協(xié)議可以分為平面路由協(xié)議和層次路由協(xié)議。平面路由協(xié)議中的節(jié)點是平等的,每個節(jié)點通過多跳的方式進行數(shù)據(jù)傳輸,因此往往會造成匯聚節(jié)點周圍的節(jié)點通信量過大,壽命很短,從而影響了網(wǎng)絡的整體性能。由于傳輸數(shù)據(jù)所需的能量大于計算所消耗的能量,傳感器網(wǎng)絡通常被設計成層次性的分簇結(jié)構(gòu)。層次型路由協(xié)議與平面路由協(xié)議相比,具有易擴展,易管理,節(jié)約系統(tǒng)能耗等優(yōu)點。LEACH協(xié)議是最早提出的一種基于簇結(jié)構(gòu)的層次型的傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議。在LEACH協(xié)議中,少量的節(jié)點通過一種自組織的方式當選為簇首,每個非簇首節(jié)點收集到信息先發(fā)送給簇首,簇首收集當前簇內(nèi)的信息并在融合后轉(zhuǎn)發(fā)給基站。這種方法消耗的能量遠遠小于每個節(jié)點直接將數(shù)據(jù)發(fā)送給基站所要消耗的能量。雖然LEACH協(xié)議具有很多節(jié)省能量的良好性能,但是仍然有許多可以改進的地方。目前有很多針對改進LEACH協(xié)議中簇首選舉方法所做的研究,如文獻和都在隨機簇首選舉的算法中考慮了能量的因素,從而使得整個網(wǎng)絡的能量消耗更加均衡,達到延長網(wǎng)絡壽命的效果。但是LEACH協(xié)議中普通節(jié)點只基于最小距離的原則選擇最優(yōu)簇的算法也是導致網(wǎng)絡內(nèi)節(jié)點消耗能量不均衡的重要原因,目前很少有這方面的研究。本文針對這種情況提出了一種改進的多判據(jù)分簇路由算法,能進一步平衡網(wǎng)絡內(nèi)所有節(jié)點的能量消耗。下文將按照如下結(jié)構(gòu)組織:第一部分分析LEACH協(xié)議,指出LEACH協(xié)議中選擇最優(yōu)簇的算法可能導致網(wǎng)絡中各個節(jié)點剩余能量的不均衡;第二部分給出一種改進的多判據(jù)路由選擇算法;第三部分通過NS2仿真證明本文提出的這種方法的有效性和可行性;第四部分是全文總結(jié)。1基于letch協(xié)議的網(wǎng)絡仿真LEACH協(xié)議采用輪換簇首的方式,以避免單個節(jié)點一直擔任簇首而消耗過多的能量。在簇形成階段,協(xié)議采用隨機選舉的方法產(chǎn)生每輪的簇首。當節(jié)點被選為簇首后,就向外廣播信息。其它節(jié)點根據(jù)收到的廣播信息的能量的大小判斷自己離該簇首的距離。一個節(jié)點可能收到來自多個簇首的廣播信息,節(jié)點比較每個簇首離自己的距離的遠近,選擇離自己最近的簇首加入。確定要加入的簇首后,節(jié)點向簇首發(fā)送要求加入該簇的請求,簇首收到請求信息后,將節(jié)點設置為簇內(nèi)成員,并為它分配一個TDMA的時隙,在將該時隙表發(fā)送給簇內(nèi)所有成員,進行時間的同步。在簇及其成員形成后,就進入了簇穩(wěn)定階段,各個節(jié)點按照簇首分配的時隙給簇首發(fā)送數(shù)據(jù),簇首將收到的信息進行融合,然后將信息傳遞給基站。LEACH協(xié)議采用自組織的方式降低了能量的消耗。但是對于無線傳感器網(wǎng)絡來說它有很多不足之處。很顯然,采用隨機選舉簇首的方式產(chǎn)生的簇首不能保證在網(wǎng)絡內(nèi)均勻分布或者使整個網(wǎng)絡在數(shù)據(jù)傳輸階段消耗的能量最小。圖1(a),(b)是我們在對LEACH協(xié)議進行仿真時所采用的節(jié)點拓撲,其中實心的藍色圓點表示隨機產(chǎn)生的簇首。從圖中可以看出,產(chǎn)生的簇首可能會集中在一個很小的區(qū)域(如圖1(a)),也可能分布在網(wǎng)絡的邊緣而使得和其他節(jié)點的通信需要消耗很大的能量(如圖1(b))。顯然,在圖1(a)中位于網(wǎng)絡右側(cè)的節(jié)點為了與簇首通信必須消耗大量能量。而且在這種情況下,非簇首節(jié)點根據(jù)距離最小原則選擇歸屬的簇首,相應得使每個簇內(nèi)的節(jié)點個數(shù)分配也很不均勻。從圖1(a)可以看出按照LEACH協(xié)議形成的簇首4所擁有的節(jié)點個數(shù)將遠遠大于簇首3擁有的節(jié)點個數(shù),相應的簇首4就需要消耗更大的能量。其次,在簇首收集簇內(nèi)節(jié)點的所有數(shù)據(jù)之后,進行數(shù)據(jù)融合,然后直接將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給基站。這樣,離基站遠的簇首節(jié)點自然要消耗更大的能量用以發(fā)送數(shù)據(jù)。上述這些情況都使LEACH協(xié)議在經(jīng)過足夠長的時間后,會造成網(wǎng)絡內(nèi)各節(jié)點剩余能量消耗很不均衡的狀況,可以導致個別節(jié)點很早地耗盡電池而死亡,結(jié)果將加速網(wǎng)絡死亡。因此為了延長網(wǎng)絡的生存時間,在改進的算法中必須考慮節(jié)點能量的因素,盡量避免網(wǎng)絡中個別節(jié)點負載過重,使網(wǎng)絡中能耗趨于平衡。2網(wǎng)絡內(nèi)能量消耗的多判據(jù)路由算法我們假設一個簡單的無線信道能量消耗模型,即發(fā)送端所消耗的能量用于無線電通信和能量放大兩部分,而接收端消耗的能量僅僅用于無線電通信。根據(jù)接收端和發(fā)送端之間的距離的不同,分別使用自由空間模型和多徑衰落信道模型。若兩者間的距離小于do使用自由空間模型,若距離大于do則使用多徑衰落信道模型。因此,發(fā)送一個l比特的數(shù)據(jù)包到距離發(fā)送端d的節(jié)點需要消耗的能量為:ETx(l,d)=ETx?elec(l)+ETx?amp(l,d)={lEelec+lεfsd2,d<dolEelec+lεmpd4,d>do(2)EΤx(l,d)=EΤx-elec(l)+EΤx-amp(l,d)={lEelec+lεfsd2,d<dolEelec+lεmpd4,d>do(2)而接收這個數(shù)據(jù)包需要消耗的能量為:ERx(l)=ERx-elec(l)=lEelec(3)根據(jù)文獻身,由實驗得出通常情況下,Eelec=50nJ/bit,εfs=10pJ/bit/m2,εmp=0.0013pJ/bit/m4,數(shù)據(jù)融合消耗能量的系數(shù)為EDA=5nJ/bit/signal。因此,假設一個簇內(nèi)有n個節(jié)點(包括簇首節(jié)點),則每處理一幀數(shù)據(jù),簇首需要消耗的能量為ECH=lEelec(n-1)+lEDAn+lEelec+lεmpd4toBStoBS4(4)其中l(wèi)為數(shù)據(jù)包的比特數(shù),dtoBS為簇首節(jié)點到基站BS的距離(在這里我們假設數(shù)據(jù)融合是非常理想的)。而每個非簇首節(jié)點需要消耗的能量為:Enon-CH=lEelec+lεfsd2toCHtoCΗ2(5)其中dtoCH是非簇首節(jié)點到簇首的距離。由(4)可以得到,如果每個簇減少一個簇內(nèi)節(jié)點,簇首消耗的能量將減少:EΔCHCΗΔ=l(Eelec+EDA)(6)設有兩個簇首,分別用CH-A和CH-B表示,一個非簇首節(jié)點C到CH-A,CH-B的距離分別為dtoCH-A和dtoCH-B,且假設dtoCH-A大于dtoCH-B,那么C節(jié)點選擇離自身距離較遠的簇首CH-A比選擇離自身較近的簇首CH-B所消耗的能量將增大:EΔnon?CHnon-CΗΔ=εfsl(d2toCH?AtoCΗ-A2-d2toCH?BtoCΗ-B2)(7)由EDA=5nJ/bit/signal,Eelec=50nJ/bit以及εfs=10pJ/bit/m2可以得到當(d2toCH?AtoCΗ-A2-d2toCH?BtoCΗ-B2)<5000時,EΔnon?CHnon-CΗΔ<EΔCHCΗΔ。無線傳感器網(wǎng)絡的典型應用場景通常覆蓋范圍比較小(比如在一個100m×100m),因此可以認為EΔnon?CHnon-CΗΔ?EΔCHCΗΔ。也就是說,若節(jié)點C選擇離自身較遠的簇首節(jié)點CH-A而不選擇CH-B,那么節(jié)點C和簇首CH-A消耗的能量都將增大,而同時簇首CH-B消耗的能量將減少,且通常情況下節(jié)點C在傳輸數(shù)據(jù)時所多消耗的能量將遠遠小于簇首CH-B所節(jié)約的能量。這個結(jié)論就為我們提出的均衡網(wǎng)絡內(nèi)能量消耗的多判據(jù)路由算法提供了理論依據(jù)。設某個非簇首節(jié)點收到K個簇首發(fā)送的廣播信息,將該節(jié)點與每個簇首之間的距離進行歸一化處理后得到:Distj=djdmax,0≤j≤k(8)Distj=djdmax,0≤j≤k(8)dj表示該幾點與第j個簇首之間的距離,dmax表示網(wǎng)絡中任意兩個節(jié)點間最遠的距離。同樣,根據(jù)簇首節(jié)點的當前能量給出一個歸一化的能量因子:Energyi=energycurrentenergyinitial,0≤j≤k(9)Energyi=energycurrentenergyinitial,0≤j≤k(9)energycurrent表示發(fā)送廣播幀的簇首當前具有的能量大小,energyinitial表示該簇首的初始能量。綜合考慮距離和能量兩方面因素,為了既節(jié)約節(jié)點的耗能又使整個網(wǎng)絡中的能量消耗趨于均衡,非簇首節(jié)點應該選擇Distj盡量小,而Energyj盡量大的簇首加入,對這兩個因素需要進行綜合考慮。因此本文給出一個加權(quán)的路由判據(jù),用TDCHE表示:TDCHE=minj[Distj+a(1?EnergyΤDCΗE=minj[Distj+a(1-Energyj)],0≤j≤K(10)其中a是加權(quán)系數(shù),通過改變其大小可以調(diào)節(jié)距離和能量這兩個因素在路由選擇中所占的比重。每個非簇首節(jié)點在收到簇首節(jié)點廣播信息后根據(jù)TDCHE這條選擇簇首的公式選擇最優(yōu)的簇首加入。綜合考慮能量和距離兩方面的因素使得節(jié)點可能選擇距離自身并不是最近但當前能量較大的簇首。雖然可能會使節(jié)點和簇首通信所需的能耗增大,但由上文的分析可以知道這里增大的能量消耗是遠遠小于簇首節(jié)點所減少的能量消耗。利用這種方法生成的簇,減小了自身剩余能量小的簇首節(jié)點的負載,增大剩余能量大的簇首節(jié)點的負載,使整個網(wǎng)絡能量消耗趨于平衡,從而延長網(wǎng)絡的生存周期。并且當簇首節(jié)點在網(wǎng)絡內(nèi)分布很不均勻時,這種算法可以在一定程度上避免原始LEACH算法單純考慮距離因素而導致的簇內(nèi)節(jié)點個數(shù)分配很不均勻的情況。本文的算法流程如圖2所示。3網(wǎng)絡性能仿真我們利用ns2網(wǎng)絡仿真工具對本文中提出的多判據(jù)路由算法與LEACH算法進行仿真比較,實驗結(jié)果取多次仿真的平均值。由于無線傳感器網(wǎng)絡的生存周期根據(jù)其提供的服務類型的不同有不同的定義,本文提供了三種比較網(wǎng)絡壽命的方法。某些情況下要求網(wǎng)絡中所有的節(jié)點都盡可能長時間地存活,一個節(jié)點死亡就會使網(wǎng)絡提供的服務的性能急劇下降,對于這種特殊的網(wǎng)絡我們用第一個節(jié)點的死亡時間(FND,FirstNodeDies)來近似網(wǎng)絡的生存周期。而在有些場景中,由于網(wǎng)絡覆蓋冗余度的存在,相鄰節(jié)點的信息相近,因此死亡一部分節(jié)點對網(wǎng)絡性能影響不大,對應這種情況我們用網(wǎng)絡中50%節(jié)點死亡的時間(HNA,HalfoftheNodesAlive)來近似網(wǎng)絡的生命周期。最后,我們還比較了兩種算法下網(wǎng)絡中100%的節(jié)點死亡的時間(LND,LastNodeDies)。通過這三個衡量標準來驗證我們提出的算法的有效性。在100m×100m的網(wǎng)絡中隨機分布了100個節(jié)點,每個節(jié)點的初始能量energy_initial為2焦耳,基站的坐標為(175,50),dmax=139.0m,節(jié)點每隔20s的時間更換一輪簇首。我們分別對a取0.5,1.0,1.5三種情況進行仿真比較。圖3顯示了在100m×100m的網(wǎng)絡中死亡1%,50%,100%節(jié)點所持續(xù)的時間。從圖中可以看出,無論以哪種標準來衡量網(wǎng)絡壽命,改進后的算法的性能都要比原LEACH的性能優(yōu)越,而其中又以a取1.0的算法性能最佳。以a取1.0為例,采用LEACH算法的網(wǎng)絡第一個節(jié)點死亡的平均時間為220秒左右,而采用多判據(jù)路由算法的網(wǎng)絡第一個節(jié)點死亡的平均時間為360s左右,性能提高了約64%,同時50%節(jié)點死亡的時間也比LEACH算法延長了52%。并且可以看出,雖然多判據(jù)路由算法會使部分節(jié)點選擇了離它較遠的簇首而使發(fā)送數(shù)據(jù)的能量消耗增大,但是全部節(jié)點死亡的時間卻仍然比原LEACH延長近150s。這是因為本文的算法使整個網(wǎng)絡能量消耗更加均衡,節(jié)點死亡的速度減慢,在相同的時間內(nèi)本文這種算法下存活的節(jié)點個數(shù)多于原LEACH算法,大部分節(jié)點只需將數(shù)據(jù)傳送給簇首而不需直接發(fā)送給基站從而節(jié)省大量能量,而LEACH算法下因為存活節(jié)點減少,當選為簇首的個數(shù)占存活節(jié)點個數(shù)的比例增大,這使得節(jié)點能耗大大增加。另外,我們對網(wǎng)絡中每個節(jié)點的初始能量不同的情況也進行了比較,a取1.0,energy-initial為1～2焦耳的一個隨機數(shù)。仿真結(jié)果如圖4所示,可見本文的多判據(jù)路