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无线传感器网络路由协议的研究.pdf

无线传感器网络路由协议的研究

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2011-09-01 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《无线传感器网络路由协议的研究pdf》,可适用于人文社科领域

第卷第期牟月计算机应用研究ApplicationResearchofComputersV.No.Apr.无线传感器网络路由协议的研究王选政李腊元张伟华张留敏(武/g.理r大学计算机科学与技术学院武/g.)摘要:在分析层次LEACH协议的基础上提出了LEACH协议算法存在的问题并相应地修改了成簇算法增强了算法的健壮性。节点能量耗尽是导致无线传感嚣网络生命周期缩短的主要因素因此在选择簇首时根据剩余能量最大的节点优先成为簇首节点同时避免了因过多簇重组带来的巨大能量开销而这些操作的主要能量消耗是在能量不受限制的sink节点来完成的从而保证了整个网络的负载平衡使整个网络的生命周期达到最大化。经仿真和分析改进后的分簇路由协议不仅有较好的节能效果还具有较长的网络生命周期。关键词:无线传感器网络分簇路由协议Sink节点剩余能量链表中图分类号:TP.文献标志码:A文章编号:()ResearchonroutingprotocolforwirelesssensornetworksWANGXuanzhengLLayuanZHANGWeihuaZHANGLiumin(InstituteofComputerSdenee&TechnologyWuhanUniversityofTechnologyWuhan.Ch/na)Abstract:OnthebasisofanalyzingtheLEACHprotocolthispaperbroughtupproblemsoftheLEACHprotocolalgorithmandreviseditwhichmadethealgorithmicrobustnessstrengthened.ThenodewhichenergyugesupwagthemainreasoninWSNshortenlifecyclenodeprioritybecameclusterheadnodewhichhadmaximalsurplusenergyintheprocessofdividingclusterattheanletimehadavoidedtheenormousenergyexpenseofre·organizingthemainenergyconsumeofthesehandlecametosinknodewhoseenergywerefreethereforekeepingtheloadsofnetworkbalancemakingthelifecycleofnetworkmaximization.Bysimulationandanalysisimproveddivideclusterroutingprotocolisnotonlyhasgoodperformanceinenergyconsumptionbutalsomakesthelifeeycleofnetworklonger.Keywords:wirelesssensornetworksdivideclusterroutingprotocolSinknodesurplusenergychainlist无线传感器网络是当今国内外备受关注的有多学科高度交叉的新兴前沿研究领域。它综合了传感器技术、嵌入式计算机技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等能够通过各类集成化的微型传感器相互协作实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息并通过嵌入式系统对信息进行处理无线传感器网络可随机自组织网络且以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端。无线传感器网络具有十分广阔的应用前景在军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多领域都有重要的理论价值和巨大的实用价值它已经引起了世界许多国家军事界、学术界和工业界的高度重视并且被公认为是对l世纪产生具有最大影响的十项技术之一⋯。分簇LEACH协议的分析.L卧CH协议的介绍LEACH协议算法每一轮循环可分为两个阶段在簇建立阶段相邻节点动态的形成簇随机产生簇首在数据通信阶段簇内节点把数据发送给簇首簇首再进行数据融合并将结果发给Sink节点。节点自组织成不同的簇每个簇只有~个簇首。所有非簇首节点将自己的数据发给所属的簇首节点为减少冗余数据的传输簇首节点在数据融合后将数据发送给远方的Sink节点。这样每个非簇首节点都只需要知道自己所属簇即可。在实际应用中还可以根据需要建立更多的层次。在LEACH算法中为了避免簇首能量消耗过快每个节点需轮流担任簇首。因此LEACH算法的实现分成一个个回合每个回合又可分成簇形成阶段和簇稳定阶段。为了减少分簇带来的额外能耗簇稳定阶段远远长于形成阶段(实际应用难以实现)。在簇形成阶段每个传感器节点先生成一l的随机数如果生成的随机数小于阈值那么该节点就被选为簇头。阈值的大小T(n)由下面公式来确定:m=∥叩“涮坳¨薯其中:P为网络中簇首所占比例尺为目前进行的轮次G为在最后/p轮中未成为簇首的节点集合。节点被选为簇首后就向外发送广播信息其他节点根据收到的广播信号的强弱决定要加入哪个簇并向簇首发送加入簇的请求此广播的过程节点能耗较大。簇首收到请求后将节点加入自己的路由表并为每个节点设定一个TDMA时间表再将该表发送给所有簇内节点。在此后的簇稳定阶段节点按照该路由表进行数据传输。每隔一定时间整个网络重新进入簇重组阶段开始新一轮的簇首选举过程旺。而重复的簇重组是急需改进的地方。收稿日期:·修回日期:基金项目:国寥自然科学基金资助项目()国家教育部博士点基金资助项目()作者简介:王选政(一).男。河南焦作人硕士研究生主要研究方向为无线传感嚣网络(w鲫铲u眦hengl.coin)李腊元()。男。湖北人教授博导.主要研究方向为无线传卷器网络张伟隼(.)男.河南驻马店人硕士研究生主要研究方向为高性能计算机网络张留敏(·)男河南巩叉人硕士研究生主要研究方向为高性能计算机网络.万方数据··计算机应用研究第卷.LEACH协议的优缺点WSN分簇路由协议设计的首要目标是通过高效的分簇算法生成合适的网络结构主动地通过能量管理去避免网络连通性下降延长网络的生命周期¨J。因此能量消耗成了通信连接性能好坏、网络运行周期长短的主要决定因素WSN的整体性能高度依赖于各种高能效的分簇路由算法。LEACH协议虽然极大地降低了网络的总体能耗提高了网络的扩展性但其仍有不足之处如每轮都要重新分簇和重新选择簇首而簇建立阶段的协议能量开销较大其次它要求传感器节点之间以及传感器节点与Sink点之间均可以直接通信所以网络的扩展性不是那么强不适用于大型网络。另外LEACH算法选举出的簇首分布不均匀、能量分布不均衡H。改进后的L郎CH.L路由算法的设计.初始化工作无线传感器网络根据网络的规模将整个网络划分为JI、r个区域”J每个区域中有多个无线传感器节点被划分的区域则被称为簇WSN中的Sink节点为每个初始状态的簇建立链表每个链表按能量从高到低的顺序存放自己所属簇的节点每个节点的能量级别值为每个链表则认命该链表中第一个节点为其初始状态的簇首节点初始状态各节点的能量级别值一般为不过也可以根据不同情况有所改变FLAG的值为。LEACH.L无线传感器网络结构图如图所示链表中每个节点域如图所示。一二匝≮谬种础滗耋指针ID能量级别n^C图改进后的无线传感器网络结构图图链表节点域其中:指针域指向存放下一个节点的指针ID表示该节点的身份标志能量级别表示节点剩余能量级别为FLAG表示节点是否可以担当簇头。.算法语言描述Sink节点在簇首认命及簇的维护可分为以下四种情况:a)簇内节点和簇首节点在进行数据传输时检查其节点的能量级别位是否发生变化。当簇内节点能量级别发生变化时则修改其能量级别值并将其以控制帧(包含ID和能鼍级别变化位)传送到簇首节点簇首将所有请求的控制帧经整理后将其发送到能量不受限的Sink节点。该节点将收到的控制帧进行分解处理寻找每个节点所属簇对应的链表并在其簇所属的链表中找到该节点将其能量级别值减去l后该节点重新按能量级别高低的顺序插入到这个链表合适的位置能量级别值之所以减去l是因为节点能量消耗不可能在没有通信的情况下消耗两个能量级别。b)当簇内节点能量级别位没有发生变化时簇内节点直接向簇首传送数据包簇首将所有簇内节点传来的数据进行数据融合当簇首的能量级别位发生变化且能量级别值大于时首先簇首节点先将自己的能量级别值减去l并存储自己新的能量级别值然后将其他簇发来的控制帧(包含ID和能量级别变化位)进行整理再将整理后以新控制帧的形式发送到Sink节点。该节点根据收到的数据进行分解处理寻找每个节点所属簇对应的链表并在其簇所属的链表中找到该节点将其能量级别值减去后将节点重新按能量级别高低的顺序插入到该链表合适的位置。c)当簇首能量级别位没有变化且级别值大于时只传送数据包即可当簇首节点能量级别值等于且在数据传输时则簇首节点以控制帧的形式向Sink节点报告将其退出簇首信息以控制帧的形式传送到Sink节点。该节点判断该链表中的第一个节点的FLAG的值是否为。如果为则Sink节点将认命链表中第一个节点为新的簇首节点并要修改其对应链表中原簇首节点的FLAC值为且将原簇头节点的能量级别值作修改(链表中FLAG值为的节点不能担当新簇首)将原簇首节点按能量由高到低顺序重新插入到链表中合适的位置新认命的簇首节点被原簇首节点广播给簇内节点这时簇内节点就知道了该簇新的簇首节点其他节点向新簇首发送加入簇的请求簇首收到请求后将节点加入自己的路由表并为每个节点设定一个TDMA时间表再将该表发送给所有簇内节点。否则该簇退出工作(由于簇内所有节点能量已耗尽)。d)Sink节点为各个簇首节点分配CDMA。在此后的簇稳定阶段节点按照该路由表进行数据传输哺J。如果簇内节点向簇首节点发送数据首先发送控制帧(包含ID和能量级别变化位)簇首根据实际情况分配TI)MA【J进行重新优化分配给予发送数据量多的簇内节点分配适当时隙长度少量数据则分配较短的时隙长度未传输数据的簇内节点不分配时隙。如果存在某些簇内节点能量级别为时则立即向簇首发送请求退出工作簇首将此信息通过控制帧的形式传送给Sink节点该节点将其对应簇首的节点链表中节点删除。如果链表的第一个节点的FLAG的值是则说明该簇已成为弱簇该簇内的所有节点的能量马上就要耗尽此时簇管理到此终止。总之。簇首收到簇内节点的数据之后进行数据融合如果Sink节点附近有别的簇首节点也要向Sink节点发送数据则其与离Sink节点附近的簇首节点重新进行数据融合然后由离Sink节点较近的并且有数据将要发送的簇首节点传送到Sink节点如果Sink节点附近没有其他的簇首节点要发送数据则原来的簇首节点通过单跳或者多跳(尽量选择在原簇首节点和Sink节点直线上的簇首节点作为多跳的中继节点)的方式向Sink节点传送数据。.算法可靠性维护算法的可靠性维护主要涉及网络节点的增加、减少及簇重组等所带来的网络拓扑结构变化¨J。)节点的加入当有新的节点要加入到网络中时新的节点根据接收到周围其他簇首节点信号的强度来决定加入哪个簇。如果节点发现E簇的信号强度最大则说明新的节点离E簇最近新的节点将向E簇簇首节点发出请求加入信号(附带有该节点的能量级别值和ID)这时E簇簇首判断该节点是否可以让该节点加入该簇(主要依据能量是否充足)如果簇首同意加入则立即向新节点回复一个“yes”加入信息同时簇首节点将新节点加入簇的信息与附近簇的信息进行数据整理后通过附近其他的离Sink节点较近的簇首传递到Sink节点(或者直接通过单跳传递到Sink节点)。该节点找到E簇所对应的链表将新的节点按能量级别从大到小的顺序插入到该链表中合适的位置如果不同意加入其原因一般是新的节点的能量级别值没有达到能够担任节点的水平则簇首只新回复一个“no”拒绝信息.一旦节点收到该信息则该节点将永久万方数据第期王选政。等:无线传感器网络路由协议的研究··不能加入网络中。)节点的退出大部分节点由于工作而使其能量渐渐消耗殆尽这样会造成某些节点失去担当网络节点的能力。如果即将失效的是簇首节点当簇首节点能量级别值等于且在数据传输时则簇首节点以控制帧的形式向Sink节点报告将其退出簇首信息以控制帧的形式传送到Sink节点。该节点判断该链表中的第一个节点的FLAC值是否为若为l则Sink节点将认命链表中第一个节点为新的簇首节点并要修改原簇首对应链表中的FLAG值为且将原簇首节点的能量级别值作修改(链表中FLAG值为的节点不能担当新簇首)将原簇首节点按能量由高到低顺序重新插入到链表中合适的位置否则该簇声明退出工作如果即将失效是簇内节点节点的能量级别发生变化且能量级别值如果为则该节点会立刻向所属的簇首发送请求退出工作控制帧簇首会将附近其他簇的信息与此信息进行整理单跳或通过多跳的方式传递到Sink节点。该节点会找到该节点所属的簇对应的链表将链表中的该节点删除即可。如果簇内节点长时间没有对簇首响应则采用上面同样的方法将没有响应的节点从链表中删除。.算法理论分析理论分析可知由于LEACH协议的簇内节点以广播的形式相互竞争簇头节点不仅消耗了自己的节点的能量还消耗了簇内其他节点的能量而改进后真正的通信次数为l(次广播)另外与其他人改进的能量分簇算法相比所传输的控制消息帧长度较短(能量级别变化位而不是能量级别值)其每个能量级别值至少位而笔者改进的能量变化位只需位即可(其中表示能量级别发生了变化表示能量级别值没有发生变化)簇首的选取是由能量不受限的Sink节点根据其链表来选择的只需要Sink节点向原簇首节点发送一个控制帧(只包括新簇首的IO)即可。因此可以大大地减少整个簇节点的能量肖耗。LEACH.L算法簇重组频率有了较大的降低节点的能量得到了最大化的利用节点负载平衡性有很大的提高成簇过程中避免了LEACH算法簇内节点互相竞争簇首过多能量开销此外改进后算法簇重组及管理的主要能量消耗来自Sink节点而恰恰该节点的能量不受限制。因此改进后的LEACHL算法使网络的能效性得到较大的提升网络生命周期有较好的延长。仿真实验本文使用bi离散事件模拟器来构建无线传感器网络的模拟环境。仿真实验中的环境参数配置如下:环境区域为mx网络节点初始数量且以递增(其中网络中只有个Sink节点)网络节点随机分布节点通信传输半径为Illl采用IEEE..VIAC层协议。设定节点初始能量为J发送数据包能耗为.(J/packet)接收数据包能耗为.OOl(J/packet)传输数据包大小为bit发送一个控制帧的能耗为.(J/frame)接收一个控制帧的能耗为.(J/frame)控制帧大小为lObit实验次数为lO次实验结果取各项指标的平均值。网络总的能量消耗情况如图所示。从图可以看出改进后的路由算法(LEACHL)网络总的能量消耗优于LEACH算法刚开始能量消耗与LEACH算法没有较大的差别但随着时间的增加LEACH.L算法能耗优势体现出来了原因是刚开始由于Sink节点要占用时间来为每个簇建立链表同时初始状态的簇首剩余能量还比较大不会进行簇重组但是在链表建成后和网络时间的增长LEACH.L优势更加明显这是因为大部分簇的簇首能量即将耗尽要进行新的簇首选择而本文设计的算法的簇首节点剩余的能量还相对较多不会马上进行簇重组另外簇重组的能耗也小于LEACH算法并且该算法会随着时间的增长优越性会体现得更好。网络的生命周期情况如图所示。穹.§}i蟊gtIsnode图网络总的能量消耗情况图网络的生命周期情况从图可以看出当节点数较少时该算法较优于LEACH算法但是伴随着节点数目的增加当网络节点数超过以后LEACH算法的生命周期急速下降而LEACHL受到较大的影响这是因为过多的网络节点会造成LEACH算法更大的分簇开销和网络通信的复杂度从而导致网络节点能量急剧消耗缩短网络的生命周期这也充分验证了笔者理论所分析的LEACH不适合于大型网络这一点而LEACHL算法由于簇重组的主要开销来自能量不受限的Sink节点因此才不会出现以上情况所以LEACHL算法适合比较大的网络。结束语本文通过能量不受限的Sink节点对wSN中各个簇的链表进行管理选择剩余能量最大的节点担任新一轮簇重组的簇首簇首节点选择是基于节点最大能量的而这些操作也都是由能量不受限的Sink节点来完成所以此过程使簇的簇蕈组频率大大减少节约簇节点不必要的能量消耗而LEACH算法有很多的能量开销主要是来自过多的簇重组改进后的LEACHL算法簇首选举只需要Sink节点来认命通过控制帧的方式传递到原簇首节点。由原簇首节点以广播的形式告知簇内的各个节点而这整个过程的能最开销是相当小的因此也就意味着整个簇的生命周期可以达到最大化同时也是该算法比较适合大型网络的主要原因。参考文献:】宋文王兵。周应宾.无线传感器网络技术与应用M.北京:电子工业出版社..彭静刘光祜谢世欢.无线传感器网络路由协议研究现状与趋势J.计算机应用研究():..孙勇景博。张宗辟.等.无线传感器网络分簇路由的能量有效性研究J.计算机工程..():.任代蓉雷霖易勇.无线传感器网络的网络协议与能量问题综述J.成都大学学报()..UJ.LAZAROIJG.AbitmapassistedenergyeffieientMACflchl!lneforwirelesseflOl"networksC//ProeoftIlerdInternatiorudSymposiumOnlnformatiOilProee%inginserigorNetworks.Berkeley.Carlfomia:Is.n.}。.UUJun.HONGXiao.yah.Atrat五e·awal'eenergyefficientroutingprotoedforwireless咖∞rnetworksC//ProcofIEEEInternationalWorkshopOnComputerArchitectureforMachinePerceptionandSensing.Montreal:fs.n.:.CHOS。KAI、jUltlKCHOJeta/.Dyn∞aieenergyeffieient"I'I)IVIA·basedMACprotocolforwirele∞flCIlflOl"networksc//ProeofJointInternationConferenceNetworkandServie,es..MANJESHWARA。AGRAWALDP.TEEN:aroutingprotocolfor蜘.I岫cedefllcieneyinwireless∞哪rnetworks】//PineofthetharallelandDistilbutedProce.singSympim.SanFrancisco:IEEEComputerSociety..jJJJJ心口Hb№口竺万方数据无线传感器网络路由协议的研究作者:王选政李腊元张伟华张留敏WANGXuanzhengLILayuanZHANGWeihuaZHANGLiumin作者单位:武汉理工大学,计算机科学与技术学院,武汉,刊名:计算机应用研究英文刊名:APPLICATIONRESEARCHOFCOMPUTERS年卷(期):,()被引用次数:次参考文献(条)宋文王兵周应宾无线传感器网络技术与应用孙勇景博张宗麟无线传感器网络分簇路由的能量有效性研究期刊论文计算机工程()彭静刘光祜谢世欢无线传感器网络路由协议研究现状与趋势期刊论文计算机应用研究()MANJESHWARAAGRAWALDPTEEN:aroutingprotocolforenhancedefficiencyinwirelesssensornetworksCHOSKANURIKCHOJDynamicenergyefficientTDMAbasedMACprotocolforwirelesssensornetworksLIUJunHONGXiaoyanAtrafficawareenergyefficientroutingprotocolforwirelesssensornetworksLIJLAZAROUGAbitmapassistedenergyefficientMACschemeforwirelesssensornetworks任代蓉雷霖易勇无线传感器网络的网络协议与能量问题综述期刊论文成都大学学报(自然科学版)()引证文献(条)范书平高巍马宝英一种无线温度传感器网络中节能的路由协议期刊论文安徽农业科学()基于无线传感器网络的SPIN路由协议改进方法期刊论文传感器与微系统()邹少军一种改进的无线传感器网络ACE分簇路由协议期刊论文长江大学学报(自科版)理工卷()范书平高巍马宝英一种无线温度传感器网络中节能的路由协议期刊论文安徽农业科学()本文链接:http:dgwanfangdatacomcnPeriodicaljsjyyyjaspx

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