An Empirical Analysis Study on the Efficacy of a Rouating Algorithm for Saving Energy in Wireless Sensor Networks.pdf

1、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)是由大量節(jié)點(diǎn)部署組成的一項(xiàng)智能技術(shù)。對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)日益增長(zhǎng)的研究，給我們帶來(lái)了眾多的和多元化的應(yīng)用。在其早期，傳感器節(jié)點(diǎn)被用于軍事目的，觀察敵人的地理坐標(biāo)、軍事設(shè)備，從而定位到戰(zhàn)場(chǎng)中。它也用于環(huán)境中:森林火災(zāi)、自然災(zāi)害;災(zāi)難、地震、火山、洪水等等。出于環(huán)境目的使用傳感器節(jié)點(diǎn)的必要性是為了人類(lèi)的生存?，F(xiàn)在也在人類(lèi)日常生活中使用，例如智能學(xué)習(xí)、交通道路控制、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、管道監(jiān)測(cè)等。此外，在健康（在醫(yī)院監(jiān)測(cè)家中的病人、顯

2、微外科手術(shù)）、農(nóng)業(yè)、物業(yè)監(jiān)控（建筑、汽車(chē)等）和僅列舉幾個(gè)例子的工業(yè)方面有良好的聲譽(yù)。這些不同的應(yīng)用意味著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是人類(lèi)生活狀況現(xiàn)代化的一個(gè)組成部分。
　　 節(jié)點(diǎn)的運(yùn)轉(zhuǎn)主要依賴(lài)儲(chǔ)存在物理電池里的能源資源。節(jié)點(diǎn)的能量資源是有限的，其必須基于一個(gè)有效的路由算法以最優(yōu)的方式使用。在研究工作中，我們假定一個(gè)事實(shí)，一旦傳感器節(jié)點(diǎn)讓其組件以一個(gè)低效的路由協(xié)議去實(shí)現(xiàn)任何基本通信，這將對(duì)數(shù)據(jù)信息的傳輸過(guò)程產(chǎn)生不利影響。它將使節(jié)點(diǎn)迅速耗盡能量

3、且過(guò)早死亡。因此，某些節(jié)點(diǎn)由于缺乏能量動(dòng)力會(huì)停止通信活動(dòng)。這類(lèi)情況可能會(huì)導(dǎo)致具有兩種顯著不同的域:第一種，還有一些節(jié)點(diǎn)具有一些殘留的能量，這些被算作活節(jié)點(diǎn);第二種情況是死亡節(jié)點(diǎn)的域，這些節(jié)點(diǎn)沒(méi)有任何可以完成通信活動(dòng)的殘余能量。換句話說(shuō)，它們的能量水平低于閾值。特別是對(duì)于用于軍事目的和民事用途的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，第二種情況看起來(lái)很糟糕。
　　 除了能源問(wèn)題，還有其他問(wèn)題，這些被歸類(lèi)到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題的第二類(lèi)，也就是安全問(wèn)題—

4、—數(shù)據(jù)傳輸安全、少量?jī)?nèi)存存儲(chǔ)備份檢索到的數(shù)據(jù)、安裝在節(jié)點(diǎn)上的操作系統(tǒng)的更新問(wèn)題、節(jié)點(diǎn)開(kāi)始任何活動(dòng)前保持靜態(tài)和節(jié)點(diǎn)位置從一個(gè)地方到另一個(gè)地方的改變都仍然重要的拓?fù)鋯?wèn)題、編程問(wèn)題等。在所有提及的問(wèn)題中，能源仍然是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中毋庸置疑地最有挑戰(zhàn)性的概念，相對(duì)于以上提及的其他問(wèn)題，也一直是最吸引眾多研究者的領(lǐng)域。究其原因，自從無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究開(kāi)始以來(lái)，在能源演化方面沒(méi)有記錄足夠的進(jìn)步且它的圖示至今仍然停滯。在這項(xiàng)研究中，我們遇到能源問(wèn)題

5、，并提出了一個(gè)路由算法，稱(chēng)為簇間平方單元多跳路由算法，旨在減輕阻塞，以便應(yīng)用中任何節(jié)點(diǎn)之間的通信成本函數(shù)最小化。
　　 在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)能量利用問(wèn)題的研究依然是非常重要的，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下，更換電池是不可能的。因此，這就使得能量問(wèn)題變得棘手。這意味著，傳感器節(jié)點(diǎn)的壽命在很大程度上依賴(lài)于電池的能量。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳輸過(guò)程是非常耗能的，這就是為什么現(xiàn)在研究的重點(diǎn)是在緩解能源消耗的基礎(chǔ)上通過(guò)不同的路由算法來(lái)降低能源消耗，這些算法能

6、夠很好的降低能量消耗。為了解決這個(gè)問(wèn)題，一般概念的節(jié)點(diǎn)通常設(shè)在有危險(xiǎn)的環(huán)境中，在其中真實(shí)存在的人類(lèi)不能如前所述的去探尋。對(duì)于這個(gè)特殊的方面，節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)必須遵循一個(gè)自我組織的概念。結(jié)點(diǎn)組件的概述表明，它配備了一個(gè)傳感器、微型計(jì)算機(jī)、收發(fā)器和電源，其組件的每個(gè)實(shí)體都扮演著不同的角色，使該節(jié)點(diǎn)可以正常運(yùn)行而沒(méi)有任何副作用。在節(jié)點(diǎn)開(kāi)始網(wǎng)絡(luò)通信活動(dòng)之前，它必須知道其鄰居節(jié)點(diǎn)和它本身之間每一個(gè)單一連接路由的成本函數(shù)的值。使用節(jié)點(diǎn)能量的成本函數(shù)來(lái)選擇

7、最佳目的節(jié)點(diǎn)的問(wèn)題是我們提出的解決方案的基石，基于最低成本函數(shù)，源節(jié)點(diǎn)選擇這個(gè)合適的目的節(jié)點(diǎn)。
　　 近年來(lái)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究工作給予成本函數(shù)更多關(guān)注，這與節(jié)點(diǎn)的能量消耗密切相關(guān)。為了避免傳感器節(jié)點(diǎn)消耗大量的電力資源，研究人員提出許多路由算法來(lái)減少能源損耗。
　　 在我們的研究工作中，正如我們前面所提到的，我們旨在使用成本函數(shù)去找到一條便捷的路徑，以致傳感器節(jié)點(diǎn)能夠?qū)⒌玫降臄?shù)據(jù)傳播到相應(yīng)的目的節(jié)點(diǎn)?？紤]普通節(jié)點(diǎn)到最后

8、的目的節(jié)點(diǎn)的中間成本函數(shù)的綜合，計(jì)算出成本函數(shù)值。為了實(shí)現(xiàn)這一有效成本函數(shù)的目標(biāo)，建立一個(gè)有效的高效路由算法是可取的，從通信過(guò)程中選擇最佳成本函數(shù)。這意味著，不選擇代價(jià)高的路徑，因此節(jié)點(diǎn)可以節(jié)省很多電力資源。至于成本函數(shù)方面，已有大量之前提出的方案來(lái)緩解傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)的能量利用方法。我們的研究工作或多或少的參考其中的一些方案。我們把一些路由算法的不足之處當(dāng)作靈感元素，而且也是我們研究工作的重點(diǎn)。我們首先觀察了低功耗自適應(yīng)集簇分層型協(xié)議

9、(LEACH)。LEACH協(xié)議是第一個(gè)提出來(lái)采用隨機(jī)分布式均勻成簇機(jī)制的分簇路由協(xié)議，該協(xié)議適合傳感器節(jié)點(diǎn)同質(zhì)且靜態(tài)分布的環(huán)境。在LEACH中，傳感器節(jié)點(diǎn)基于一些參數(shù)比如接受信號(hào)強(qiáng)度最大的簇頭選擇他們的主簇。在一定間隔后，一些節(jié)點(diǎn)被選為簇頭。LEACH協(xié)議通過(guò)簇頭輪轉(zhuǎn)的方式來(lái)維持節(jié)點(diǎn)的能量平衡，在網(wǎng)絡(luò)中均勻地分散能量負(fù)荷，且當(dāng)不需要時(shí)關(guān)閉普通節(jié)點(diǎn)。傳感器信息系統(tǒng)低功耗PEGASIS借鑒了LEACH中分簇算法的思想。PEGASIS形成了傳

10、感器節(jié)點(diǎn)鏈。傳感器節(jié)點(diǎn)從鄰居節(jié)點(diǎn)那傳輸或接收數(shù)據(jù)，這樣PEGASIS避免簇的形成且在鏈中只使用一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)交?。這增加了網(wǎng)絡(luò)的生命周期，混合節(jié)能分布式簇HEED。HEED是LEACH的一個(gè)改進(jìn)。HEED分簇隨機(jī)選擇簇頭且改善網(wǎng)絡(luò)壽命。WSN的節(jié)能同質(zhì)分簇算法EEHCA中，基于已存在簇頭的剩余能量、節(jié)點(diǎn)的最近跳距離和阻礙值選擇新簇頭。簇成員的均與分布延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。盡管提出了許多路由算法，就能量效用而言這些算法的性能是很有前途的，

11、但是大部分不能保證良好的服務(wù)質(zhì)量。
　　 其中，LEACH仍然是最著名的算法。在WSNs中，由于其低性能，它不能滿足能源安全的要求，特別是對(duì)于一個(gè)簇間單跳通信。在本研究工作中，我們把這個(gè)簇間LEACH的弱點(diǎn)作為我們工作的出發(fā)點(diǎn)。因此我們提出了一個(gè)路由算法，稱(chēng)之多跳路由算法簇間同心平方單元ICSUMRA。我們的研究工作主要目的是減少節(jié)點(diǎn)在路由階段的能耗，從而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命。ICSUMRA算法基于優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)壽命，也本質(zhì)上依賴(lài)于整個(gè)監(jiān)測(cè)

12、區(qū)域劃分為血多同心平方單元，這些節(jié)點(diǎn)均勻分布在一組集群中，基站位于應(yīng)用區(qū)域的中心。
　　 在本研究工作中，我們默認(rèn)節(jié)點(diǎn)以密度函數(shù)φ(u，v)均勻分布，考慮到網(wǎng)絡(luò)的大小為C，且Co代表基站之后的初始平方單元值。Ho代表一個(gè)平方單元到另外一個(gè)其直接繼承的平方單元的跳躍值。根據(jù)我們的路由算法設(shè)計(jì)，一旦一個(gè)普通節(jié)點(diǎn)從它的感應(yīng)范圍獲取數(shù)據(jù)，它必須將獲取到的數(shù)據(jù)傳播到主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)反過(guò)來(lái)將數(shù)據(jù)發(fā)送給基站。一旦主節(jié)點(diǎn)不能在簇中正確地履行其職責(zé)

13、，必須用另外一個(gè)有最高值的普通節(jié)點(diǎn)來(lái)替換它，考慮簇中的能量，這個(gè)普通節(jié)點(diǎn)會(huì)最終作為新的主節(jié)點(diǎn)。與LEACH相比較我們提出的方案作用明顯。網(wǎng)絡(luò)區(qū)域分為多個(gè)平方單位。出于簡(jiǎn)單原因，我們首先優(yōu)先計(jì)算網(wǎng)絡(luò)內(nèi)可能的簇?cái)?shù)，然后我們假設(shè)所有的節(jié)點(diǎn)都有相同的初始生命能量，且均勻分布在應(yīng)用領(lǐng)域中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)表明，ICSUMRA算法在減少延遲和能量控制方面具有更好的性能。ICSUMRA算法還考慮整個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間的同步性，這樣可以避免任何相鄰平方單元之間的沖突問(wèn)

14、題。
　　 在研究工作中，我們提出一個(gè)能量模型，其目的是增加節(jié)點(diǎn)的壽命，從而時(shí)網(wǎng)絡(luò)性能最大化。該算法利用多跳通信下每輪網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)簇?cái)?shù)的節(jié)點(diǎn)通信能耗模型;通過(guò)分析整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能耗，決定選擇下一跳節(jié)點(diǎn)的成本，建立主節(jié)點(diǎn)之間到基站的一個(gè)最小能量路徑樹(shù)。仿真結(jié)果表明，該算法可以彌補(bǔ)LEACH算法里的單跳通信的不足，降低了能耗，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)壽命。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)想法，我們使用MATLAB作為仿真工具。在應(yīng)用區(qū)域中，設(shè)置通過(guò)計(jì)算得到的16個(gè)節(jié)點(diǎn)作為主

15、節(jié)點(diǎn)，而且只占網(wǎng)絡(luò)中部署節(jié)點(diǎn)總數(shù)的8％，184個(gè)普通節(jié)點(diǎn)放置在100*100平方米的區(qū)域內(nèi)。ICSUMRA與LEACH比較結(jié)果表明，ICSUMRA算法優(yōu)于LEACH算法112％。研究工作開(kāi)發(fā)的這個(gè)算法主要是基于將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量利用最小化。我們的目的是以節(jié)點(diǎn)初始能量值來(lái)延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。然而，實(shí)施這一想法依賴(lài)于需要有一個(gè)合適的數(shù)據(jù)傳輸拓?fù)涞哪繕?biāo)分區(qū)。因此，這里就有個(gè)有趣的問(wèn)題:是否可能在很短的足夠的時(shí)間里實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步？這個(gè)問(wèn)