基于传输半径倍数的无线传感器网络交替路由

基于传输半径倍数的无线传感器网络交替路由

　　论文关键词:无线传感器网络;交替转发;能量有效性:网络寿命

   相关论文查阅：大学生论文、工商财务论文、经济论文、教育论文  热门毕业论文

    论文摘要:针对无线传感器网络能量有效性问题，提出一种基于传输半径倍数的交替路由算法(TSMAR).算法计算出节点与信宿之间的距离，确定距离与传输半径的下整数倍数，然后根据倍数的奇偶性交替转发数据，同时抑制远离信宿或与发送节点距离较近的节点转发数据.NS仿真验证表明，与BPS算法相比，TSMAR算法减少了转发节点数，提高了网络能量有效性，延长了网络寿命。

    作为一种新型的自组织无线网络，无线传感器网络(wireless sensor networks, WSN)以其无需基础设施，自组织，节点众多等特点成为沟通“物理世界和信息世界Internet之间的桥梁”.WSN在目标跟踪、环境监测、居室监控、野外探测，以及人员不可进入的危险区域和难以组建网络的环境中有着广泛的应用前景。然而，WSN网络节点由电池供电，不具备持续的能量供应，因此设计实现WSN路由算法时，能量有效性成为首要问题.

    针对WSN网络能量有效性问题，研究者们提出了许多路由算法，主要分为两类.一类是平面路由算法，利用数据的优先级，提出了冲突感知路由协议CAR;将贪婪转发和平面路由方法结合在一起，通过限制搜寻区域和计数方法，提出了GOAFR+路由算法.另一类是基于分簇的路由算法，通过收集邻居节点信息，根据网络局部拓扑信息进行分簇，提出了RDCA算法;根据用户要求的误差门限及节点数据的空间相关性马尔可夫模型，将事件感知区域划分成虚拟极坐标等价层，然后在等价层中选取剩余能量最大的节点作为簇头，提出了EDCA算法.

    然而己有的算法存在以下缺点:一是利用网络局部信息，需要收集、等待邻居信息，无形中增加了网络传输的代价和时延;二是需要先验知识，如数据的优先级、误差闽值或搜寻区域等，这在WSN实际使用过程中往往很难确定，从而限制了算法的适用性.

    节点可以通过安装定位系统或定位算法获得位置信息.由于位置的路由算法无需建立、维护和存储路由表，无需网络拓扑信息，算法实现简单，控制开销小等特点，在WSN网络中得到了广泛的关注和研究.提出的(optimized broadcast pro-tocol for sensor networks, BPS)算法，采用正六边形划分网络覆盖区域，根据节点的位置信息选取距离正六边形顶点较近的节点转发数据.但是BPS算法只抑制了与发送节点距离较近的节点转发数据，并采用延迟措施，这样既不能有效地减少转发节点数，又不能提高网络能量有效性，还增加了数据传输时延.

    因此，本文假设节点己知其自身和信宿的位置信息，提出基于传输半径倍数的交替路由算法(alternant routing algorithm based on transport semi-diameter multiple, TSMAR).算法计算出节点与信宿之间的距离，确定距离与传输半径的下整数倍数，然后根据倍数的奇偶性交替转发数据，同时抑制远离信宿或与发送节点距离较近的节点转发数据，从而减少转发节点数，提高网络能量有效性，延长网络寿命.

　　1、TSMAR算法

　　1.1网络模型

    无线传感器网络模型假设如下:

    1)节点同构，随机部署在检测区域.节点随机产生数据，并将数据传输到信宿((sink);

    2)所有节点都是静止的，节点自身和信宿的位置信息己知‘任意两节点。,n之间的距离定义为
  
  　式中，x和y表示节点的横、纵坐标值.

    3)节点用全向天线，最大传输距离为R，单位米.

    4)节点的初始能量相等.能量消耗模型如下:发送k位数据消耗的能量Et由电路能耗Eelec和发射功放能耗两部分组成，如式(2)所示.接收k位数据消耗的能量Er，如式(3)所示:

　　1.2  TSMAR算法描述

    TSMAR算法的核心是将网络视为以信宿为中心、R/2(传输半径)为半径的环形带状结构，信宿位于网络中心，当信宿位于网络其他位置时，该方法仍然适用，只是将网络划分为带状结构.在数据传输过程中，交替选取阴影区(或黑色区)内的节点作为转发节点.若数据包的序号为奇数，则选取距离信宿R/2下下整数奇数倍的节点转发数据;否则，选取距离信宿R/2整数偶数倍的节点转发数据.同时抑制远离信宿或与发送节点距离较近的节点转发数据.根据节点与信宿之间的距离是R/2下整数倍数的奇偶性来选取转发节点，则在一次数据传输过程中，至多只有一半的节点参与数据的传输.

    TSMAR算法的具体步骤如下:

    TSMAR算法采用的数据包结构如图2所示.目的是接收节点只需要保存其自身和信宿的位置信息，发送节点的位置信息可以通过数据包获得，从而节省节点的存储资源.

    步骤1　若节点m接收过该数据包，则丢弃数据包，否则执行步骤2.

    步骤2　计算节点二与发送节点n之间的距离dm.若dmn(0.358，则丢弃数据包[fill;否则执行步骤3.

    步骤3　计算节点二与信宿s之间的距离elms、发送节点n与信宿s之间的距离dns.若elms > dns，则丢弃数据包，否则执行步骤4.

    步骤4　若数据包序号为奇数，则根据式(4)计算dodd，如果doaa~1，则转发数据，否则丢弃数据包:若数据包序号为偶数，则根据式(5)计算eleven，如果deven=1，则转发数据，否则丢弃数据包.

式中，R表示传输距离，d表示节点与信宿之间的距离.TSMAR算法通过步骤1，避免了数据的冗余传输;通过步骤2，避免了与发送节点距离较近的节点转发数据:通过步骤3.避免了远离信宿的节点转发数据;通过步骤4，根据节点与信宿之间的距离确定距离与R/2的下整数倍数，再根据倍数的奇偶性来选取转发节点.从而大大地减少了数据转发节点数，提高网络能量有效性，延长网络寿命.

　　2、NS2仿真验证

    为了验证TSMAR算法的有效性，在NS-2.29仿真环境中设计了两种网络场景，并分析比较TSMAR和BPS算法在转发节点数、能量有效性和网络寿命上的性能.节点随机部署在100 m x 100 m的平面监测区域，MAC层协议采用IEEE 802.11，数据包大小为512 bits(针对区域温度一时间等数据的测量)，初始能量为100)，仿真时间为100 s.

    网络场景1节点最大传输距离为40 m.网络节点数为10. 20.40，对应于低密度网络:网络节点数为50. 60，80. 100，对应于中等密度网络;网络节点数为120. 150.200，对应于高密度网络.

    网络场景2随机部署100个网络节点，节点的传输距离以5m的增量在!20 m,65 m}范围之内变化.定义网络寿命为网络中出现第1个死亡节点(即耗尽能量的节点)的网络生存时间.再定义能量效率叮，如式(6)所示:
   通过能量效率刀来验证TSMAR算法的能量有效性，其中ETSMAR和Ears分别表示TSMAR算法和BPS算法在综合情况下(网络冲突、信道竞争、控制开销等)消耗的总能量.

　　2.1转发节点数

    转发节点数是指网络中发送数据的总节点数，包括产生数据的源节点.

    图3表示转发节点数随着网络节点数的变化情况.由图3可知，BPS算法的转发节点数多于TSMAR算法，尤其在高密度网络中，BPS算法的转发节点数远多于TSMAR算法.这是由于BPS算法只抑制了与发送节点距离较近的节点转发数据，TSMAR算法则抑制了远离信宿或与发送节点距离较近的节点转发数据，并根据节点与信宿之间的距离确定距离与R/2的下整数倍数，再根据倍数的奇偶性来选取转发节点，从而减少了转发节点数.

    图4表示转发节点数随着传输距离的变化情况.由图4可知，传输距离的变化对BPS算法影响不大，这是因为BPS算法依据传输距离计算节点偏离策略位置的程度.TSMAR算法则有明显的变化，这是因为对节点数固定、传输距离不同的网络，TSMAR算法选取转发节点的范围不同.与图3分析类似，BPS算法的转发节点数远多于TSMAR算法.

　　2.2能量有效性

    图5是能量效率随网络节点数的变化情况.由图5可知，与BPS算法相比，TSMAR算法的能量效率约提高15% ～40%.随着节点数的增加，TSMAR算法的能量效率提高得更多，表明TSMAR算法比BPS算法消耗的能量更低，提高了能量有效性.

   图6是能量效率随传输距离的变化情况.由图6可知，在传输距离超过30 m时，TSMAR算法的能量效率约提高了30%;在传输距离较小的情况下(如20 m). TSMAR算法的能量效率约提高了70%，表明TSMAR算法的能量有效性比BPS算法更高.

　　2.3网络寿命

    图7是网络节点数为150、传输距离为40 m的仿真结果.由图7可知，与BPS算法相比，TSMAR算法的网络寿命延长了约30%. TSMAR算法出现死亡节点的时间和全部节点死亡的时间都很晚，两个时间差也较短，表明TSMAR算法不仅延长了网络寿命，而且均衡了能量消耗.

　　3、结语

    在资源受限WSN网络中，能量有效性是首先要解决的问题.位置路由算法因其无需路由表，无需网络拓扑信息，算法实现简单，控制开销小等特点，在WSN网络中得到了广泛的关注和研究.本文在假设节点位置信息已知的基础上，提出基于传输半径倍数的交替路由算法TSMAR.根据节点与信宿之间的距离确定距离与R/2的下整数倍数，根据倍数的奇偶性来选取转发节点，节点交替转发数据，使得至多只有一半的节点转发数据;同时抑制远离信宿或与发送节点距离较近的节点转发数据，以进一步减少转发节点数.NS2仿真验证表明，与BPS算法相比，TSMAR算法减少了转发节点数，提高了网络能量有效性，延长了网络寿命.如何避免TSMAR算法中的冲突节点，并将TSMAR算法与睡眠唤醒机制结合在一起，同时考虑有效的数据融合算法，是下一步研究要解决的问题.

相关论文查阅：大学生论文、工商财务论文、经济论文、教育论文  热门毕业论文

【基于传输半径倍数的无线传感器网络交替路由】相关文章：

移动网络中OTN传输技术的应用论文05-27

在船舶交通量观测系统中激光传感器数据传输方式的探讨06-09

论述基于高校网络环境的入侵检测方案的思考08-25

短距离无线网络通信技术初探08-02

谈谈高校无线网络安全部署和应用05-23

基于高校网络环境下个性化信息技术服务研究08-24

试析无线定位技术论文04-14

信息资源数字化传输中的权利形态08-03

学交替模式下校企文化对接的研究与实践08-07

利用光缆解决音频信号传输问题的论文04-25