基于簇的无线传感器网络能量平衡策略

基于簇的无线传感器网络能量平衡策略

　　论文关键词:无线传感器网络;能量平衡;网络寿命;驱逐;簇

    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:分簇被认为是延长无线传感器网络寿命的最有效的方法之一。本文首先说明根据节点数目以及分布区域特征，确定合理的成簇数目是分簇算法设计的核心;算法EBCO( Energy Balance Cluster Optimize)按照无线传感器网络运行过程中相郁簇簇头能量消耗速度信息来调整簇的大小，并且从能耗大的簇“驱逐”一些节点到能耗低的簇，从而平衡簇头之间的能量消耗。仿真结果表明，采用该能量平衡的传输策略时，能有效地平衡簇头间的能量消耗，较好地解决“热区”问题，延长网络生存时间。

    无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN )是由具有计算、存储和无线通信能力的小型智能设备组成的分布式感知网络。传感器节点负责收集监测区域内的声音、电磁或地震信号等多种信息，通过无线信道将它们发送到Sink节点(或称汇聚点、基站base station )。Sink节点具有更强的处理能力，能够进一步处理信息，或拥有更大的发送范围，可以将信息送往某个大型网络，使远程用户能够检索到该信息。通常传感器节点体积都非常小，只有有限的计算能力、有限的存储能力、有限的无线通信能力和有限的电源供应(电池供电)，而且在部署后难以二次补充能量，因此无线传感器网络存在严重的能量约束问题，如何提高能量效率成为传感器网络研究的重大问题。

    在无线传感器网络中分簇被认为是延长网络寿命的最有效的方法之一。将传感器节点划分为一个个簇，传感器节点的角色分为簇头和簇成员两种，簇成员监测到的数据首先传到簇头，簇头可以对采样数据进行融合，然后再转发到Sink节点，以减少网络流量，由于各个簇头与Sink节点的距离不同，离Sink节点距离较远的簇头采取多跳的方式进行通信。然而这种做法带来了一个能量消耗不均衡的“热区”问题，即在传感器网络的多对一通信模式中，靠近Sink节点的网络节点需要大量转发其它簇的数据，节点能量过快消耗至死亡，造成网络分割，降低网络生存时间。

    针对传感器网络簇头能量消耗平衡问题，目前已经提出了多种分簇策略和划分子簇的方法来减少能耗，这些研究主要集中于均衡簇成员节点之间的能量消耗，没有考虑到簇头间的能量消耗均衡问题。然而簇头节点的轮换机制也可以均衡簇内节点的能量消耗。LEACH协议就是利用随机轮换簇头均匀分布能量负担。仿真表明，LEACH协议的能量消耗比传统的路由协议减少了8倍。然而，为了达到更好的能量消耗平衡，簇头选择算法必须频繁地执行，而这又额外地增加了处理和通信的开销。为了减少这个额外开销，提出能量平衡的传输策略。

　　1、网络模型与问题描述

　　1.1网络模型

    考虑一种异构的传感器网络，网络中有三种节点组成:簇头(cluster head，简称CH)、簇成员节点和汇聚(Sink)节点，CH节点和普通节点的配置相同，其发射功率以及节点的能量均有限，本文中认为Sink节点发射功率和能量是无限的。该网络由N个随机部署的传感器节点形成，节点集合为，，其应用场景为周期性的数据收集。本文假设:

    (1)该网络中的簇头节点和簇成员节点分布在边长为A*A的正方形区域内，分布密度服从参数为的泊松分布;

    (2)所有节点都是同构的，具备数据融合的功能，每个节点都有一个唯一的标识(ID );

    (3)根据接收者的距离远近，节点可以自由调整其发射功率以节约能量消耗，节点的发射功率有限，最大通信半径为r;

    (4)链路是对称的。若已知对方发射功率，节点可以根据接收信号的强度计算出发送者到自己的近似距离;

    (5)理想的成簇概率为P，其中自愿簇头的概率为P1，强迫簇头的概率为P2。

　　1.2能量消耗模型

    成簇是分簇算法的关键问题，而如何在给定的网络条件下，达到合适的成簇数目并且满足能量有效性的要求成为设计成簇的核心思想。成簇的数目不能太多也不能太少，如果太多将会引人大量的成簇开销，节点的能耗将增大，而且可允许复用的网络资源有限;如果数目太少，每个簇内的成员节点数增多，簇头将承担过重的收发负担，能量消耗增加而导致过早死亡，因此合适的成簇数目不仅可以均衡节点的能耗，延长工作寿命，而且可以有效地提高链路的利用率。

    确定合理的簇头数目是建立在充分考虑能量消耗有效性的基础之上，因此首先定义节点在通信过程中能量消耗模型。本文使用无线通信消耗模型进行计算，该模型由发送电路、功率放大器和接收电路构成，当发送端传输k比特数据到距离为d的接收端时，发送所消耗的能量为:

其中，为距离的临界值，当收发之间的距离小于该临界值，则使用自由空间模型;如果大于该值，则使用双路径模型。各个参数的具体含义和取值如表1所示。

    本文假设邻近节点采集的数据具有较高的冗余度，簇首可以将其成员的数据融合成一个长度固定的数据包，然后发送给汇聚点。数据融合也消耗一定的能量，但其能量消耗远远小于通信的能量消耗。

　　2、构建路由主干网

　　2. I网络分簇

    在网络部署阶段，初始化状态网络中节点具有相同的能量，簇头的产生一般有两种情况，首先节点以广播的形式向邻居节点发送成簇信息，相邻节点根据收到信号的强弱选择准备加人的簇，并向发送节点返回确认消息，则发送节点成为自愿簇头(volunteer cluster head );如果节点没有收到其它节点的消息，则节点成为强迫簇头(forced cluster head )，最终成簇数目为两种簇头数目之和。

    假设理想的成簇概率为P，其中自愿簇头的概率为P1，强迫簇首的概率为P2，最终成簇的数目为K=NP，簇头节点的分布密度为，普通节点的分布密度为。

  那么，整个网络所消耗的总能量就为K个簇的能量之和，即:

 

    将式(1)和式(2)代人式(4)中，令P=K/N，并将转换为以K为自变量的函数，得到消耗总能量的表达式:

 

    从式(6)可知，在给定分布区域大小A和节点数目N的条件下，代人相一关能量参数可以得到理想的分簇数目K。

    当确定簇头数目以后，可求得成簇概率p = K/N，则节点成为自愿簇头概率P}和强迫簇头概率Pz满足:

 

    证明随机变量X表示网络中产生簇头数目，节点1成为簇头，则，设分别表示节点1成为自愿簇头或是强迫簇头，两者相互独立。

 

    所以式(7)成立。

　　2.2簇的优化调整

    6在簇头竞选结束后，网络根据需要可以定期进行簇结构调整，簇头与其相邻簇的簇头根据能量消耗速度来调整簇的大小，能量消耗速度快的簇“驱逐”一部分簇成员携大量能量消耗速度小的簇中来平衡簇头的能量消耗速度。

    定义1　每个数据收集周期内，簇头节点Si的能量消耗值为。

    在网络运行后两个相邻簇的簇头节点Si与Sj之间的能量消耗速度分别为和，接收一个数据的能量消耗为，Si与Sj的能量消耗速度差为:

 

　　两簇间需调整节点数为:

 

    如果Si节点能量消耗快，从簇Si中找出个最靠近Sj簇的成员节点，“驱逐”到Sj簇中。若Si簇中所有节点个数小于，则把Si簇中所有的节点“驱逐”到Sj簇中，反之亦然。

　　2. 3簇结构优化调整分析
  假设整个网络中有m个簇头，平均每个簇中要调整的簇成员个数为n，每个簇头要向n个簇成员发送一个“驱逐”消息包，簇成员收到“驱逐”消息包后要向相邻簇头发送一个加人簇的请求包。因此，簇结构调整需要发送m×n个“驱逐”数据包和n×m个加人簇的请求包，网络总开销为:

 

    网络中簇结构调整消息发送量是由n决定的。在最好的情况下，网络中需要调整的簇成员个数为0，则整个网络不需要额外发送数据包;在最差的情况下，网络中的每个节点都需要进行簇调节，此时:

    m×n=N                              (9)

    在最差情况下，网络的总开销为2N，消息复杂度为0(N)，故本策略的消息开销小，能量高效。

　　3、仿真及分析

    仿真系统采用Visual C ++ 6. 0开发，初始化网络是在500 x 500的范围内随机产生1000个节点，每个节点都赋予相同的初始能量和相同的最大通信半径r，两节点之间的距离小于r才可互相通信。仿真参数如表2所示，如果网络中的簇头节点死亡而又没有簇头轮换就会造成一片区域数据无法采集，这时则认为网络死亡。数据收集周期采用T表示，网络中簇头节点轮换一次称为一轮(round )。

 

    由于EEUC策略对降低网络能耗有效性方面优于LEACH } LEACH-C、HEED策略，为了验证EB-CO对延长网络生存时间的有效性，本文将EEUC与EBCO进行比较。

    图1为网络运行随机选取10轮计算簇头能量消耗方差，从图1中可以看出EBCO策略比EEUC策略簇头能量消耗方差更小，EBCO策略中簇头节点的能耗更均衡，这是由于EBCO策略是在网络非均匀分簇后根据各个簇的能量消耗速度不同对网络的簇结构进行优化调整，使网络中簇头节点能耗更加平均，从而延长网络的生存时间。

 

    图2为网络运行中随机选取10轮计算关键节点的能量与网络中所有节点平均能量的比值，其中关键节点是指每轮运行结束时剩余能量最小的簇头节点。减少关键节点的能量消耗是延长网络生存时间的关键。从图2可以知道，EBCO策略比EEUC更能减少关键节点的能量消耗，更能平衡簇头节点的能量消耗，从而延长网络的生存时间。

 

　　4、结束语

    分簇算法是实现层次路由的核心机制，其基本思想是通过簇头对簇内节点之间的相关信息融合及转发机制减少数据的传输量和距离，进而降低通信能量，达到网络节能的目的。本文通过对单层分簇中如何根据节点的数目以及分布特征，选择合适的成簇数目进行能量优化分析，并提出了一种分簇优化策略，其主要思想是先将网络分成大小不同的簇，再利用相邻簇之间的能量消耗速度差来调整优化簇结构，从而更好地平衡网络簇头的能量消耗。该方法兼顾了簇头与簇成员节点、簇头与簇头之间的能耗，较好地解决了“热区”问题，仿真表明与已有的分簇策略相比，本文提出的这种策略能更好地平衡网络簇头能耗，延长网络生存时间。

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

【基于簇的无线传感器网络能量平衡策略】相关文章：

浅谈基于营销新形势的电话营销策略研究08-28

论基于中学生英语交际学习策略指导05-16

浅谈我国网络广告的策略09-19

论述基于高校网络环境的入侵检测方案的思考08-25

网络经济与企业核心竞争力提升策略08-09

短距离无线网络通信技术初探08-02

网络经济市场营销策略论文（精选8篇）12-03

中小企业网络营销策略探讨论文04-24

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