一種多傳感器網絡生存時間的能量平衡方法

無線傳感器網絡可以通過集成的小型傳感器合作實時監控、感知和收集環境或監測對象的信息，并隨機擴展生成系統的信息。它特別適用于環境監控、救援和危險區域的遠程控制。在工作面、掘進面和采空區、硐室等煤礦安全監測的關鍵地帶,利用無線傳感器網絡的特點則可以克服現有的安全監測系統部署和進行實時監測的困難,實現煤礦采煤、掘進工作面、采空區等區域的有效監測。在類似的環境條件下,具有區域受限的特點。由于傳感器節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域進行研究,而沒有專門針對特殊環境限定區域進行研究。在限定區域的實際應用中,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Crossbow開發的IRIS節點的無線通信能力,對特定的限定區域,節點有足夠的能力進行單跳通信,實現有效覆蓋。因此,對限定區域單跳通信時的分簇進行研究更具有實際意義。根據EEUC算法的研究,采用非均勻分簇解決多跳路由中“熱區”問題,使簇首能耗更均勻,從而有效延長網絡的生存期。對特定的限定區域而言,我們的思路是:基于節點的剩余能量與網絡中所有節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,只要讓所有的節點更均衡地擔任簇首,可以避免單個節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“熱區”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點,節點根據當前的剩余能量與網絡中所有節點的總能量的比例獨立地決定是否成為簇首還是成員節點。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選擇簇首,在數據傳輸階段,簇首以單跳通信的方式將融合后的數據發送給sink節點。PEGASIS也由LEACH發展而來,其思想是進一步減少直接與基站通信的節點。PEGASIS將網絡中的所有節點連成一條鏈,數據在鏈上進行融合處理,最后傳輸至sink節點。算法需要知道每個節點的位置信息。HEED算法首先根據節點的剩余能量來概率性地選取一些后選簇首,然后以簇內通信代價的高低來競爭產生最終的簇首。與LEACH不同的是,它的簇生成算法需要在簇內半徑內進行多次消息迭代,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,發射功率的衰減隨著傳輸距離的增大而呈指數衰減。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,當發送節點和接收節點之間的距離d小于某個值d0時,采用自由空間模型,發射功率呈d2衰減;否則采用多路徑衰減模型,發射功率呈d4衰減。本文采用與文獻相同的無線能量模型,式(1)為發射kbit數據損耗的能量,由發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發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數據的能量損耗,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,對數據信號進行融合等處理時也將損耗能量,由EDA表示融合單個數據信號所損耗的能量。3網絡異構性時的初始能量LEACH-ED算法分為三個階段:簇首選舉,簇的形成和數據傳輸階段。LEACH-ED算法中,在限定區域的實際應用時,我們分別考慮了網絡同構和異構的情況。即網絡同構時,所有節點的初始能量均相同;網絡異構時,隨機設定一定比例節點(以下稱spec節點)的能量較高,其它節點的能量相對較低。如圖1,LEACH-ED協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,由簇首給簇成員節點分配TDMA時隙,在給定的時隙內,簇成員節點加入合適的簇。在穩定工作階段即數據傳輸階段,簇首將數據融合后,將數據直接發給sink節點;經過一輪數據收集后,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協議流程圖所示,當網絡剛開始運行時,需要計算當前節點的剩余能量Ei(t)和整個網絡總能量Etotal(t),距離閾值Dd。Dd=S√N*p√(3)Dd=SΝ*p(3)其中:S是限定區域的面積;N為網絡節點數目;p為簇首占所有節點的百分比。根據式(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點當選為簇首節點,使得網絡中的節點能耗更加均衡。每個節點隨機生成0到1之間的數,如果節點產生的隨機數Random(n)小于閾值T(n),并且該節點與現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域中;改進的T(n),使得每個節點更均衡地擔任簇首,有效地利用網絡中的能量,從而在一定程度上延長了網絡的生存時間。引入的距離約束Dd,避免了LEACH中可能會出現的問題:簇首之間的距離太近而導致的由于電磁波互相干擾,使得數據重發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是目前循環進行的輪數;G是最近1/p輪中還未當選為簇首節點的集合。3.2節點的adv消息當簇首選定之后,每個簇首用非持續CSMA(carrier-sensemultipleaccess)MAC協議向全網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,根據接收到的ADV消息強度來決定加入離自己最近的那個簇。節點用非持續CSMAMAC協議發送加入請求信息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,基于成員節點的數目,以TDMA方式為每個簇成員分配一定的時隙,并用廣播的形式發送到簇內所有的節點,這就可以保證簇內每個節點只在相應的時隙內進行數據傳輸,而在其它時間內進入休眠狀態,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絡節點成簇以后,節點需要與sink節點進行通信。針對文中的特定限定區域,簇內節點之間的通信和簇首與sink節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,可以使得每個節點更加均衡地擔任簇首,避免了單個節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協議的穩定階段,簇首匯集簇內成員節點的數據后,并進行簡單的融合處理,將匯聚后的數據匯報給sink節點,而其它的成員節點在所分配的時隙內將數據上報給簇首。4基于同構和異構的網絡仿真在Linux平臺下,利用NS-2軟件對LEACH、LEACH-ED協議進行仿真、分析和比較。考慮在實際監測應用中,通常需要靈活地選擇網絡類型即同構或異構,本文對提出的算法,基于同構和異構網絡分別進行了仿真測試和比較。仿真中的參數選擇為:節點數目100,200;仿真時間:3500s。仿真實驗的其它參數見表1所示。4.1網絡生存周期在異構網絡的情況下,設普通節點的初始能量2J,spec節點的初始能量200J。對LEACH,LEACH-ED協議進行仿真時,采用基于存活節點比例的網絡生存周期定義。圖2分別為100,200個節點時LEACH協議與LEACH-ED協議存活節點數的比較。圖2中隨著節點密度的增加,LEACH-ED和LEACH協議曲線之間的差距增加,這表示LEACH-ED協議考慮了節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,以此優化分簇方案,使得負載平衡,能量消耗均衡,延長網絡的生存時間。4.2letch-ed生存期的仿真本文針對限定區域的實際場景,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點數,仿真結果如圖3所示。圖中曲線表明:無論是第一個節點死亡時間還是最后一個節點死亡的時間,都顯示了LEACH-ED的優勢。如果以20%節點死亡作為觀察點,可以發現隨著節點的增多,LEACH-ED的網絡存活時間顯著增長,說明該約束條件進一步均衡了網絡中所有節點能量消耗。4.3網絡生存節點數的確定考慮到實際應用,對同構節點情況下LEACH-ED和LEACH的生存時間也進行仿真比較。保持其他參數不變,所有節點的初始能量均設為2J。圖中的LEACH-ED(equal)表示同構時的網絡生存節點數。從圖4可以看出,在100、200個節點的情況下,LEACH-ED(equal)的生存時間均比LEACH長,而且隨著節點數增加生存時間增加的更多。值得注意的是,與圖3比較,在節點同構的情況下,仿真得到的曲線更平滑,說明網絡節點能量的消耗更均勻;而圖3曲線的情況正好與網絡中存在異構節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絡中節點的剩余能量和簇首之間的距離的約束條件,使得網絡中剩余能量較多