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

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)是由大量節(jié)點部署組成的一項智能技術(shù)。對傳感器網(wǎng)絡(luò)日益增長的研究，給我們帶來了眾多的和多元化的應用。在其早期，傳感器節(jié)點被用于軍事目的，觀察敵人的地理坐標、軍事設(shè)備，從而定位到戰(zhàn)場中。它也用于環(huán)境中:森林火災、自然災害;災難、地震、火山、洪水等等。出于環(huán)境目的使用傳感器節(jié)點的必要性是為了人類的生存?，F(xiàn)在也在人類日常生活中使用，例如智能學習、交通道路控制、水質(zhì)監(jiān)測、管道監(jiān)測等。此外，在健康（在醫(yī)院監(jiān)測家中的病人、顯

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

3、且過早死亡。因此，某些節(jié)點由于缺乏能量動力會停止通信活動。這類情況可能會導致具有兩種顯著不同的域:第一種，還有一些節(jié)點具有一些殘留的能量，這些被算作活節(jié)點;第二種情況是死亡節(jié)點的域，這些節(jié)點沒有任何可以完成通信活動的殘余能量。換句話說，它們的能量水平低于閾值。特別是對于用于軍事目的和民事用途的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應用，第二種情況看起來很糟糕。
　　 除了能源問題，還有其他問題，這些被歸類到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)問題的第二類，也就是安全問題—

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

5、，并提出了一個路由算法，稱為簇間平方單元多跳路由算法，旨在減輕阻塞，以便應用中任何節(jié)點之間的通信成本函數(shù)最小化。
　　 在節(jié)點設(shè)計時能量利用問題的研究依然是非常重要的，因為在大多數(shù)情況下，更換電池是不可能的。因此，這就使得能量問題變得棘手。這意味著，傳感器節(jié)點的壽命在很大程度上依賴于電池的能量。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳輸過程是非常耗能的，這就是為什么現(xiàn)在研究的重點是在緩解能源消耗的基礎(chǔ)上通過不同的路由算法來降低能源消耗，這些算法能

6、夠很好的降低能量消耗。為了解決這個問題，一般概念的節(jié)點通常設(shè)在有危險的環(huán)境中，在其中真實存在的人類不能如前所述的去探尋。對于這個特殊的方面，節(jié)點的設(shè)計必須遵循一個自我組織的概念。結(jié)點組件的概述表明，它配備了一個傳感器、微型計算機、收發(fā)器和電源，其組件的每個實體都扮演著不同的角色，使該節(jié)點可以正常運行而沒有任何副作用。在節(jié)點開始網(wǎng)絡(luò)通信活動之前，它必須知道其鄰居節(jié)點和它本身之間每一個單一連接路由的成本函數(shù)的值。使用節(jié)點能量的成本函數(shù)來選擇

7、最佳目的節(jié)點的問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)點選擇這個合適的目的節(jié)點。
　　 近年來，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究工作給予成本函數(shù)更多關(guān)注，這與節(jié)點的能量消耗密切相關(guān)。為了避免傳感器節(jié)點消耗大量的電力資源，研究人員提出許多路由算法來減少能源損耗。
　　 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)點能夠?qū)⒌玫降臄?shù)據(jù)傳播到相應的目的節(jié)點?？紤]普通節(jié)點到最后

8、的目的節(jié)點的中間成本函數(shù)的綜合，計算出成本函數(shù)值。為了實現(xiàn)這一有效成本函數(shù)的目標，建立一個有效的高效路由算法是可取的，從通信過程中選擇最佳成本函數(shù)。這意味著，不選擇代價高的路徑，因此節(jié)點可以節(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緩解傳感器節(jié)點設(shè)計時的能量利用方法。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作靈感元素，而且也是我們研究工作的重點。我們首先觀察了低功耗自適應集簇分層型協(xié)議

9、(LEACH)。LEACH協(xié)議是第一個提出來采用隨機分布式均勻成簇機制的分簇路由協(xié)議，該協(xié)議適合傳感器節(jié)點同質(zhì)且靜態(tài)分布的環(huán)境。在LEACH中，傳感器節(jié)點基于一些參數(shù)比如接受信號強度最大的簇頭選擇他們的主簇。在一定間隔后，一些節(jié)點被選為簇頭。LEACH協(xié)議通過簇頭輪轉(zhuǎn)的方式來維持節(jié)點的能量平衡，在網(wǎng)絡(luò)中均勻地分散能量負荷，且當不需要時關(guān)閉普通節(jié)點。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)點鏈。傳感器節(jié)點從鄰居節(jié)點那傳輸或接收數(shù)據(jù)，這樣PEGASIS避免簇的形成且在鏈中只使用一個節(jié)點傳輸?shù)交尽＿@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的一個改進。HEED分簇隨機選擇簇頭且改善網(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，特別是對于一個簇間單跳通信。在本研究工作中，我們把這個簇間LEACH的弱點作為我們工作的出發(fā)點。因此我們提出了一個路由算法，稱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)點在路由階段的能耗，從而延長網(wǎng)絡(luò)的生命。ICSUMRA算法基于優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)壽命，也本質(zhì)上依賴于整個監(jiān)測

12、區(qū)域劃分為血多同心平方單元，這些節(jié)點均勻分布在一組集群中，基站位于應用區(qū)域的中心。
　　 在本研究工作中，我們默認節(jié)點以密度函數(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代表一個平方單元到另外一個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，一旦一個普通節(jié)點從它的感應范圍獲取數(shù)據(jù)，它必須將獲取到的數(shù)據(jù)傳播到主節(jié)點，主節(jié)點反過來將數(shù)據(jù)發(fā)送給基站。一旦主節(jié)點不能在簇中正確地履行其職責

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

14、題。
　　 在研究工作中，我們提出一個能量模型，其目的是增加節(jié)點的壽命，從而時網(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)簇數(shù)的節(jié)點通信能耗模型;通過分析整個網(wǎng)絡(luò)的能耗，決定選擇下一跳節(jié)點的成本，建立主節(jié)點之間到基站的一個最小能量路徑樹。仿真結(jié)果表明，該算法可以彌補LEACH算法里的單跳通信的不足，降低了能耗，延長了網(wǎng)絡(luò)壽命。為了實現(xiàn)這個想法，我們使用MATLAB作為仿真工具。在應用區(qū)域中，設(shè)置通過計算得到的16個節(jié)點作為主

15、節(jié)點，而且只占網(wǎng)絡(luò)中部署節(jié)點總數(shù)的8％，184個普通節(jié)點放置在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％。研究工作開發(fā)的這個算法主要是基于將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量利用最小化。我們的目的是以節(jié)點初始能量值來延長網(wǎng)絡(luò)壽命。然而，實施這一想法依賴于需要有一個合適的數(shù)據(jù)傳輸拓撲的目標分區(qū)。因此，這里就有個有趣的問題:是否可能在很短的足夠的時間里實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的時間同步？這個問