無線傳感器網絡中基于改進en協(xié)議的節(jié)能型改進算法

無線傳感器網絡中基于改進en協(xié)議的節(jié)能型改進算法

0ensorcd重金屬監(jiān)測網絡的特點基于傳感器技術、無線通信技術、嵌入式技術和微機電系統(tǒng)技術的無線傳感器網絡（wirelasesensor網絡）是一個分布在監(jiān)測區(qū)域的大量微傳感器節(jié)點，通過無線通信形成了一個多段自組織網絡。目標是合作感知、收集和處理網絡覆蓋區(qū)域內感知對象的信息，并將其發(fā)送給支持者。由于無線傳感器網絡具有低功耗、自組織等特點,其可廣泛應用于軍事、工業(yè)、交通、環(huán)境監(jiān)測、空間探索、醫(yī)療護理等領域。1分簇路由協(xié)議路由協(xié)議負責將數(shù)據(jù)由源節(jié)點傳送至目的節(jié)點,是無線傳感器網絡的重要核心技術之一,路由協(xié)議的性能和整個網絡的性能密切相關。依照網絡的拓撲結構,路由協(xié)議可以分為平面路由協(xié)議和分簇路由協(xié)議。平面路由協(xié)議中,節(jié)點間地位平等,通過局部操作和反饋信息來生成路由。典型的平面路由協(xié)議有:SPIN、DirectedDiffusion、Rumor等。分簇路由協(xié)議實際上是一種分層結構的路由協(xié)議,該協(xié)議中網絡通常被劃分為簇(cluster),每個簇由一個簇頭(clusterhead)和多個簇內節(jié)點組成,這些簇頭進一步形成高一級的網絡,低一級網絡的簇頭是高一級網絡的簇內成員。簇頭負責管理簇內節(jié)點,并完成簇內節(jié)點數(shù)據(jù)的收集和融合,然后將融合結果發(fā)送給基站。典型的分簇路由協(xié)議有:LEACH、TEEN、PEGASIS等。TEEN協(xié)議的拓撲結構如圖1。無線傳感器網絡多應用于布線和電源供給困難的區(qū)域(例如環(huán)境惡劣、受到污染或敵對的區(qū)域),且傳感器能量有限,因此降低能耗是無線傳感器網絡協(xié)議設計的重要目標。簇頭負責轉發(fā)全簇的數(shù)據(jù),且一般距離基站較遠,但是在TEEN協(xié)議中最高級簇頭與基站采用單跳通信方式,導致能耗較大,因此本文提出了一種新的節(jié)能型分簇路由算法R-TEEN,該算法使用平面路由機制建立全體簇頭與基站之間的多跳通信路徑,有效降低了能量消耗。2長遠間路由轉發(fā)分簇路由協(xié)議主要具有以下幾個優(yōu)點:(1)簇內節(jié)點大部分時間可以關閉通信模塊,由簇頭負責數(shù)據(jù)的長距離路由轉發(fā)。這樣既保證了覆蓋范圍內的數(shù)據(jù)通信,也在很大程度上節(jié)省了網絡能量;(2)簇頭融合了簇內節(jié)點的數(shù)據(jù)之后再進行轉發(fā),減少了數(shù)據(jù)通信量,從而節(jié)省了網絡能量;(3)分簇拓撲結構便于管理,有利于分布式算法的應用,可以對系統(tǒng)變化作出快速反應,具有較好的可擴展性,適合大規(guī)模網絡。2.1周期性地等概率虛擬簇TEEN(Threshold-sensitiveEnergyEfficientsensorNetworkprotocol)的基本思想是周期性地等概率隨機選取簇頭,其他非簇頭節(jié)點以就近原則加入相應的簇,形成虛擬簇,以將整個網絡的能量負載平均分配到每個傳感器節(jié)點,從而達到降低網絡能量消耗、延長網絡生命周期的目的。并且,在簇的建立過程中,簇頭向簇內節(jié)點廣播硬閾值(hardthreshold)和軟閾值(softthreshold),通過調整兩個閾值,TEEN協(xié)議可以在傳送數(shù)據(jù)的精度和網絡能耗之間取得合理的平衡。TEEN的每輪循環(huán)分為簇的建立階段和穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸階段。(1)圍節(jié)點廣播的嚴格每個傳感器節(jié)點選擇之間的一個隨機數(shù),如果選定的值小于閾值T(n),則該節(jié)點向周圍節(jié)點廣播自己成為簇頭的消息以及硬閾值和軟閾值,網絡中的非簇頭節(jié)點根據(jù)接收信號的強度決定加入哪個簇,并通知相關簇頭。T(n)的計算公式為:其中,p是簇頭占所有節(jié)點的百分比,r是目前循環(huán)進行的輪數(shù),G是最近1/p輪中還未當選過簇頭的節(jié)點集合。(2)監(jiān)測數(shù)據(jù)的融合當節(jié)點首次檢測到數(shù)據(jù)超過硬閾值時,節(jié)點將該值存入內部變量SV中,并按照TDMA時隙將其發(fā)送給簇頭,然后簇頭對相關數(shù)據(jù)進行融合,最后將融合結果傳送給基站。如果當前監(jiān)測數(shù)據(jù)大于硬閾值且與SV的差異大于等于軟閾值時,節(jié)點才再次進行數(shù)據(jù)傳送。數(shù)據(jù)傳輸持續(xù)一段時間后,將重新進行下一輪的簇頭選取并重新成簇。TEEN協(xié)議的缺陷之一是在數(shù)據(jù)傳輸階段,最高級簇頭與基站之間采用單跳路由方式,消耗能量較大,同時也使網絡規(guī)模受限于簇頭節(jié)點的通信距離。2.2地理位置性鏈PEGASIS(Power-EfficientGAtheringinSensorInformationSystems)借鑒了LEACH協(xié)議的分簇思想,但在PEGASIS中簇是一條基于地理位置的鏈。其成簇的基本思想是:假設所有節(jié)點靜止,節(jié)點根據(jù)其地理位置形成一條相鄰節(jié)點之間距離最短的鏈,并在鏈上隨機選擇簇頭。節(jié)點可以通過定位裝置或者通過發(fā)送能量遞減的測試信號來發(fā)現(xiàn)距自己最近的鄰居節(jié)點,然后從距基站最遠的節(jié)點開始,采用貪婪算法構造整條鏈。數(shù)據(jù)傳輸時,鏈上的每個節(jié)點將上一個節(jié)點傳來的數(shù)據(jù)與自身采集的數(shù)據(jù)融合后,向下一個鄰居節(jié)點發(fā)送,直到數(shù)據(jù)到達簇頭,簇頭對鏈兩端的數(shù)據(jù)融合后,將融合結果發(fā)送給基站。3關于平面路由的協(xié)議平面路由協(xié)議的優(yōu)點是簡單、具有較好的健壯性,原則上不存在瓶頸問題,但擴展性較差,且缺乏對資源的優(yōu)化管理。3.1spin協(xié)議SPIN(SensorProtocolsforInformationviaNegotiation)協(xié)議是一種基于信息協(xié)商的自適應路由協(xié)議。其基本思想是:任何兩個節(jié)點在傳輸數(shù)據(jù)前都要進行協(xié)商,節(jié)點只傳送其他節(jié)點沒有的數(shù)據(jù)以減少冗余數(shù)據(jù),從而有效減少能量消耗。SPIN協(xié)議提出了元數(shù)據(jù)(meta-data)的概念,元數(shù)據(jù)包含了原始數(shù)據(jù)的一些關鍵信息,比原始數(shù)據(jù)要小。SPIN使用三種數(shù)據(jù)報文,即ADV、REQ和DATA。當某個節(jié)點有數(shù)據(jù)可以共享時,先發(fā)送包含元數(shù)據(jù)的ADV,鄰居節(jié)點根據(jù)其中的元數(shù)據(jù)判斷是否需要發(fā)送REQ請求原始數(shù)據(jù)包DATA。3.2數(shù)據(jù)傳輸融合Rumor協(xié)議借鑒了歐氏平面圖上任意兩條曲線交叉機率很大的思想,其基本思想是:傳感器節(jié)點監(jiān)測到事件后,產生一種稱為代理(agent)消息的包括事件和源節(jié)點信息的數(shù)據(jù)包,并將其沿著一條或多條隨機路徑在網絡中單播轉發(fā),同時基站發(fā)送的查詢消息也沿著一條隨機路徑在網絡中傳播,當代理消息和查詢消息的傳輸路徑交叉在一起時,將會形成一條從源節(jié)點到基站的完整數(shù)據(jù)傳輸融合路徑。如不交叉,基站可將查詢請求洪泛廣播出去。Rumor協(xié)議的網絡拓撲如圖2。4信息傳遞的能量根據(jù)文獻,在無線通信中傳感器節(jié)點向距離d的鄰居節(jié)點發(fā)送kbit數(shù)據(jù)的能耗為:傳感器節(jié)點接收kbit數(shù)據(jù)的能耗為:其中,Eelec為發(fā)射器對1bit信息進行編碼調制等處理消耗的能量;εamp為在傳送階段消耗的能量系數(shù);εampdn是發(fā)送1bit信息時放大器消耗的能量,由通信距離和誤碼率等共同決定。n與傳感器網絡的應用環(huán)境密切相關,通常在2到4之間,但由于傳感器網絡中節(jié)點通常貼近地面,應用環(huán)境中可能有較多的障礙物,接收天線的能力也有限,因此n常常接近4。所以,在無線傳感器網絡中要減少單跳通信距離,使用多跳短距離無線通信方式。5建立餡料/設施聯(lián)通如前所述,協(xié)議的節(jié)能性能對無線傳感器網絡非常重要,而根據(jù)無線通信能量模型,TEEN協(xié)議中最高級簇頭與基站之間采用單跳通信的方式是較為浪費能量的,而且網絡范圍也受限于簇頭節(jié)點的通信半徑。因此,成簇后應繼續(xù)建立所有簇頭與基站之間的多跳傳輸路徑。平面路由協(xié)議可以建立無等級節(jié)點到基站之間的多跳路徑,同樣可以用于建立簇頭與基站之間的多跳路由,所以,在分簇路由協(xié)議中可以借鑒平面路由協(xié)議的設計思想?；谝陨戏治?本文提出了R-TEEN算法。該算法依據(jù)Rumor協(xié)議的工作機制對TEEN協(xié)議進行了改進,有效延長了網絡生存時間。該算法主要分為選取簇頭、建立簇頭與基站之間的傳輸路徑、數(shù)據(jù)傳輸三個階段。5.1成簇算法R-TEEN算法先采用TEEN協(xié)議的工作機制周期性地選取簇頭,廣播成簇消息,并最終建立簇。5.2基于數(shù)據(jù)路徑的算法在每個成簇周期中,R-TEEN算法分兩個階段建立簇頭與基站之間數(shù)據(jù)傳輸路徑,即“路由代理”消息單播轉發(fā)階段、路徑建立階段。(1)站內節(jié)點不轉發(fā)或轉發(fā)路由代理成簇后,簇頭將帶有簇頭節(jié)點ID的“簇頭路由代理”消息沿著一條隨機路徑單播轉發(fā),同時基站也將“基站路由代理”消息沿著一條隨機路徑發(fā)送到網絡中,但是這兩個“路由代理”消息只有簇頭接收后進行轉發(fā),簇內節(jié)點并不轉發(fā)該消息以節(jié)省網絡能量。在轉發(fā)過程中,簇頭節(jié)點記錄發(fā)來該消息的節(jié)點ID和自身轉發(fā)的下一跳節(jié)點ID。(2)打造從引領方案到傳播路徑和一般路徑的交叉在“路由代理”消息的傳播過程中,當“簇頭路由代理”消息(含有的簇頭ID記為A)和“基站路由代理”消息在某個節(jié)點相遇時,相遇節(jié)點不再轉發(fā)該消息,同時分別向發(fā)來該消息的兩個節(jié)點發(fā)送含有簇頭ID為A的反饋信息。反饋信息沿著之前代理消息的傳播路徑反向地向簇頭A和基站傳播,最終,算法逐跳地在每個簇頭節(jié)點上建立了從簇頭到基站之間的數(shù)據(jù)傳輸路徑。如果兩種代理消息沒有交叉,基站可將“基站路由代理”消息洪泛廣播出去。在每個成簇循環(huán)周期中,該路徑建立后都是穩(wěn)定的,而不像Rumor一樣每次都隨機選擇數(shù)據(jù)發(fā)送路徑。因為TEEN協(xié)議適用于響應型網絡,響應型網絡中節(jié)點監(jiān)測到數(shù)據(jù)后會主動發(fā)送給基站,基站并不會主動發(fā)送查詢信息。5.3多跳路徑發(fā)送數(shù)據(jù)簇頭與基站之間的數(shù)據(jù)傳輸路徑建立之后,簇內節(jié)點采集數(shù)據(jù)并發(fā)送給各自的簇頭,簇頭對收集的信息進行融合,并將融合結果沿著之前建立的多跳路徑發(fā)送給基站。5.4集群管理維護R-TEEN算法采用TEEN協(xié)議的工作機制維護簇的結