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基于簇的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量平衡策略
論文關(guān)鍵詞:無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò);能量平衡;網(wǎng)絡(luò)壽命;驅(qū)逐;簇
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論文摘要:分簇被認(rèn)為是延長(zhǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命的最有效的方法之一。本文首先說(shuō)明根據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)目以及分布區(qū)域特征，確定合理的成簇?cái)?shù)目是分簇算法設(shè)計(jì)的核心;算法EBCO( Energy Balance Cluster Optimize)按照無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程中相郁簇簇頭能量消耗速度信息來(lái)調(diào)整簇的大小，并且從能耗大的簇“驅(qū)逐”一些節(jié)點(diǎn)到能耗低的簇，從而平衡簇頭之間的能量消耗。仿真結(jié)果表明，采用該能量平衡的傳輸策略時(shí)，能有效地平衡簇頭間的能量消耗，較好地解決“熱區(qū)”問(wèn)題，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network, WSN )是由具有計(jì)算、存儲(chǔ)和無(wú)線通信能力的小型智能設(shè)備組成的分布式感知網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)收集監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的聲音、電磁或地震信號(hào)等多種信息，通過(guò)無(wú)線信道將它們發(fā)送到Sink節(jié)點(diǎn)(或稱匯聚點(diǎn)、基站base station )。Sink節(jié)點(diǎn)具有更強(qiáng)的處理能力，能夠進(jìn)一步處理信息，或擁有更大的發(fā)送范圍，可以將信息送往某個(gè)大型網(wǎng)絡(luò)，使遠(yuǎn)程用戶能夠檢索到該信息。通常傳感器節(jié)點(diǎn)體積都非常小，只有有限的計(jì)算能力、有限的存儲(chǔ)能力、有限的無(wú)線通信能力和有限的電源供應(yīng)(電池供電)，而且在部署后難以二次補(bǔ)充能量，因此無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)存在嚴(yán)重的能量約束問(wèn)題，如何提高能量效率成為傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的重大問(wèn)題。
在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中分簇被認(rèn)為是延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命的最有效的方法之一。將傳感器節(jié)點(diǎn)劃分為一個(gè)個(gè)簇，傳感器節(jié)點(diǎn)的角色分為簇頭和簇成員兩種，簇成員監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)首先傳到簇頭，簇頭可以對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，然后再轉(zhuǎn)發(fā)到Sink節(jié)點(diǎn)，以減少網(wǎng)絡(luò)流量，由于各個(gè)簇頭與Sink節(jié)點(diǎn)的距離不同，離Sink節(jié)點(diǎn)距離較遠(yuǎn)的簇頭采取多跳的方式進(jìn)行通信。然而這種做法帶來(lái)了一個(gè)能量消耗不均衡的“熱區(qū)”問(wèn)題，即在傳感器網(wǎng)絡(luò)的多對(duì)一通信模式中，靠近Sink節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)需要大量轉(zhuǎn)發(fā)其它簇的數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)能量過(guò)快消耗至死亡，造成網(wǎng)絡(luò)分割，降低網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。
針對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)簇頭能量消耗平衡問(wèn)題，目前已經(jīng)提出了多種分簇策略和劃分子簇的方法來(lái)減少能耗，這些研究主要集中于均衡簇成員節(jié)點(diǎn)之間的能量消耗，沒(méi)有考慮到簇頭間的能量消耗均衡問(wèn)題。然而簇頭節(jié)點(diǎn)的輪換機(jī)制也可以均衡簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的能量消耗。LEACH協(xié)議就是利用隨機(jī)輪換簇頭均勻分布能量負(fù)擔(dān)。仿真表明，LEACH協(xié)議的能量消耗比傳統(tǒng)的路由協(xié)議減少了8倍。然而，為了達(dá)到更好的能量消耗平衡，簇頭選擇算法必須頻繁地執(zhí)行，而這又額外地增加了處理和通信的開(kāi)銷。為了減少這個(gè)額外開(kāi)銷，提出能量平衡的傳輸策略。
1、網(wǎng)絡(luò)模型與問(wèn)題描述
1.1網(wǎng)絡(luò)模型
考慮一種異構(gòu)的傳感器網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中有三種節(jié)點(diǎn)組成:簇頭(cluster head，簡(jiǎn)稱CH)、簇成員節(jié)點(diǎn)和匯聚(Sink)節(jié)點(diǎn)，CH節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)的配置相同，其發(fā)射功率以及節(jié)點(diǎn)的能量均有限，本文中認(rèn)為Sink節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率和能量是無(wú)限的。該網(wǎng)絡(luò)由N個(gè)隨機(jī)部署的傳感器節(jié)點(diǎn)形成，節(jié)點(diǎn)集合為，，其應(yīng)用場(chǎng)景為周期性的數(shù)據(jù)收集。本文假設(shè):
(1)該網(wǎng)絡(luò)中的簇頭節(jié)點(diǎn)和簇成員節(jié)點(diǎn)分布在邊長(zhǎng)為A*A的正方形區(qū)域內(nèi)，分布密度服從參數(shù)為的泊松分布;
(2)所有節(jié)點(diǎn)都是同構(gòu)的，具備數(shù)據(jù)融合的功能，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)(ID );
(3)根據(jù)接收者的距離遠(yuǎn)近，節(jié)點(diǎn)可以自由調(diào)整其發(fā)射功率以節(jié)約能量消耗，節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率有限，最大通信半徑為r;
(4)鏈路是對(duì)稱的。若已知對(duì)方發(fā)射功率，節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)接收信號(hào)的強(qiáng)度計(jì)算出發(fā)送者到自己的近似距離;
(5)理想的成簇概率為P，其中自愿簇頭的概率為P1，強(qiáng)迫簇頭的概率為P2。
1.2能量消耗模型
成簇是分簇算法的關(guān)鍵問(wèn)題，而如何在給定的網(wǎng)絡(luò)條件下，達(dá)到合適的成簇?cái)?shù)目并且滿足能量有效性的要求成為設(shè)計(jì)成簇的核心思想。成簇的數(shù)目不能太多也不能太少，如果太多將會(huì)引人大量的成簇開(kāi)銷，節(jié)點(diǎn)的能耗將增大，而且可允許復(fù)用的網(wǎng)絡(luò)資源有限;如果數(shù)目太少，每個(gè)簇內(nèi)的成員節(jié)點(diǎn)數(shù)增多，簇頭將承擔(dān)過(guò)重的收發(fā)負(fù)擔(dān)，能量消耗增加而導(dǎo)致過(guò)早死亡，因此合適的成簇?cái)?shù)目不僅可以均衡節(jié)點(diǎn)的能耗，延長(zhǎng)工作壽命，而且可以有效地提高鏈路的利用率。
確定合理的簇頭數(shù)目是建立在充分考慮能量消耗有效性的基礎(chǔ)之上，因此首先定義節(jié)點(diǎn)在通信過(guò)程中能量消耗模型。本文使用無(wú)線通信消耗模型進(jìn)行計(jì)算，該模型由發(fā)送電路、功率放大器和接收電路構(gòu)成，當(dāng)發(fā)送端傳輸k比特?cái)?shù)據(jù)到距離為d的接收端時(shí)，發(fā)送所消耗的能量為:
其中，為距離的臨界值，當(dāng)收發(fā)之間的距離小于該臨界值，則使用自由空間模型;如果大于該值，則使用雙路徑模型。各個(gè)參數(shù)的具體含義和取值如表1所示。
本文假設(shè)鄰近節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)具有較高的冗余度，簇首可以將其成員的數(shù)據(jù)融合成一個(gè)長(zhǎng)度固定的數(shù)據(jù)包，然后發(fā)送給匯聚點(diǎn)。數(shù)據(jù)融合也消耗一定的能量，但其能量消耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于通信的能量消耗。
2、構(gòu)建路由主干網(wǎng)
2. I網(wǎng)絡(luò)分簇
在網(wǎng)絡(luò)部署階段，初始化狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)具有相同的能量，簇頭的產(chǎn)生一般有兩種情況，首先節(jié)點(diǎn)以廣播的形式向鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送成簇信息，相鄰節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到信號(hào)的強(qiáng)弱選擇準(zhǔn)備加人的簇，并向發(fā)送節(jié)點(diǎn)返回確認(rèn)消息，則發(fā)送節(jié)點(diǎn)成為自愿簇頭(volunteer cluster head );如果節(jié)點(diǎn)沒(méi)有收到其它節(jié)點(diǎn)的消息，則節(jié)點(diǎn)成為強(qiáng)迫簇頭(forced cluster head )，最終成簇?cái)?shù)目為兩種簇頭數(shù)目之和。
假設(shè)理想的成簇概率為P，其中自愿簇頭的概率為P1，強(qiáng)迫簇首的概率為P2，最終成簇的數(shù)目為K=NP，簇頭節(jié)點(diǎn)的分布密度為，普通節(jié)點(diǎn)的分布密度為。
那么，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)所消耗的總能量就為K個(gè)簇的能量之和，即:
將式(1)和式(2)代人式(4)中，令P=K/N，并將轉(zhuǎn)換為以K為自變量的函數(shù)，得到消耗總能量的表達(dá)式:
從式(6)可知，在給定分布區(qū)域大小A和節(jié)點(diǎn)數(shù)目N的條件下，代人相一關(guān)能量參數(shù)可以得到理想的分簇?cái)?shù)目K。
當(dāng)確定簇頭數(shù)目以后，可求得成簇概率p = K/N，則節(jié)點(diǎn)成為自愿簇頭概率P}和強(qiáng)迫簇頭概率Pz滿足:
證明隨機(jī)變量X表示網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生簇頭數(shù)目，節(jié)點(diǎn)1成為簇頭，則，設(shè)分別表示節(jié)點(diǎn)1成為自愿簇頭或是強(qiáng)迫簇頭，兩者相互獨(dú)立。
所以式(7)成立。
2.2簇的優(yōu)化調(diào)整
6在簇頭競(jìng)選結(jié)束后，網(wǎng)絡(luò)根據(jù)需要可以定期進(jìn)行簇結(jié)構(gòu)調(diào)整，簇頭與其相鄰簇的簇頭根據(jù)能量消耗速度來(lái)調(diào)整簇的大小，能量消耗速度快的簇“驅(qū)逐”一部分簇成員攜大量能量消耗速度小的簇中來(lái)平衡簇頭的能量消耗速度。
定義1 每個(gè)數(shù)據(jù)收集周期內(nèi)，簇頭節(jié)點(diǎn)Si的能量消耗值為。
在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行后兩個(gè)相鄰簇的簇頭節(jié)點(diǎn)Si與Sj之間的能量消耗速度分別為和，接收一個(gè)數(shù)據(jù)的能量消耗為，Si與Sj的能量消耗速度差為:
兩簇間需調(diào)整節(jié)點(diǎn)數(shù)為:
如果Si節(jié)點(diǎn)能量消耗快，從簇Si中找出個(gè)最靠近Sj簇的成員節(jié)點(diǎn)，“驅(qū)逐”到Sj簇中。若Si簇中所有節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)小于，則把Si簇中所有的節(jié)點(diǎn)“驅(qū)逐”到Sj簇中，反之亦然。
2. 3簇結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整分析
假設(shè)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中有m個(gè)簇頭，平均每個(gè)簇中要調(diào)整的簇成員個(gè)數(shù)為n，每個(gè)簇頭要向n個(gè)簇成員發(fā)送一個(gè)“驅(qū)逐”消息包，簇成員收到“驅(qū)逐”消息包后要向相鄰簇頭發(fā)送一個(gè)加人簇的請(qǐng)求包。因此，簇結(jié)構(gòu)調(diào)整需要發(fā)送m×n個(gè)“驅(qū)逐”數(shù)據(jù)包和n×m個(gè)加人簇的請(qǐng)求包，網(wǎng)絡(luò)總開(kāi)銷為:
網(wǎng)絡(luò)中簇結(jié)構(gòu)調(diào)整消息發(fā)送量是由n決定的。在最好的情況下，網(wǎng)絡(luò)中需要調(diào)整的簇成員個(gè)數(shù)為0，則整個(gè)網(wǎng)絡(luò)不需要額外發(fā)送數(shù)據(jù)包;在最差的情況下，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要進(jìn)行簇調(diào)節(jié)，此時(shí):
m×n=N (9)
在最差情況下，網(wǎng)絡(luò)的總開(kāi)銷為2N，消息復(fù)雜度為0(N)，故本策略的消息開(kāi)銷小，能量高效。
3、仿真及分析
仿真系統(tǒng)采用Visual C ++ 6. 0開(kāi)發(fā)，初始化網(wǎng)絡(luò)是在500 x 500的范圍內(nèi)隨機(jī)產(chǎn)生1000個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都賦予相同的初始能量和相同的最大通信半徑r，兩節(jié)點(diǎn)之間的距離小于r才可互相通信。仿真參數(shù)如表2所示，如果網(wǎng)絡(luò)中的簇頭節(jié)點(diǎn)死亡而又沒(méi)有簇頭輪換就會(huì)造成一片區(qū)域數(shù)據(jù)無(wú)法采集，這時(shí)則認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)死亡。數(shù)據(jù)收集周期采用T表示，網(wǎng)絡(luò)中簇頭節(jié)點(diǎn)輪換一次稱為一輪(round )。
由于EEUC策略對(duì)降低網(wǎng)絡(luò)能耗有效性方面優(yōu)于LEACH } LEACH-C、HEED策略，為了驗(yàn)證EB-CO對(duì)延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間的有效性，本文將EEUC與EBCO進(jìn)行比較。
圖1為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行隨機(jī)選取10輪計(jì)算簇頭能量消耗方差，從圖1中可以看出EBCO策略比EEUC策略簇頭能量消耗方差更小，EBCO策略中簇頭節(jié)點(diǎn)的能耗更均衡，這是由于EBCO策略是在網(wǎng)絡(luò)非均勻分簇后根據(jù)各個(gè)簇的能量消耗速度不同對(duì)網(wǎng)絡(luò)的簇結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，使網(wǎng)絡(luò)中簇頭節(jié)點(diǎn)能耗更加平均，從而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。
圖2為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中隨機(jī)選取10輪計(jì)算關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的能量與網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)平均能量的比值，其中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)是指每輪運(yùn)行結(jié)束時(shí)剩余能量最小的簇頭節(jié)點(diǎn)。減少關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的能量消耗是延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間的關(guān)鍵。從圖2可以知道，EBCO策略比EEUC更能減少關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的能量消耗，更能平衡簇頭節(jié)點(diǎn)的能量消耗，從而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。
4、結(jié)束語(yǔ)
分簇算法是實(shí)現(xiàn)層次路由的核心機(jī)制，其基本思想是通過(guò)簇頭對(duì)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)之間的相關(guān)信息融合及轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制減少數(shù)據(jù)的傳輸量和距離，進(jìn)而降低通信能量，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)節(jié)能的目的。本文通過(guò)對(duì)單層分簇中如何根據(jù)節(jié)點(diǎn)的數(shù)目以及分布特征，選擇合適的成簇?cái)?shù)目進(jìn)行能量?jī)?yōu)化分析，并提出了一種分簇優(yōu)化策略，其主要思想是先將網(wǎng)絡(luò)分成大小不同的簇，再利用相鄰簇之間的能量消耗速度差來(lái)調(diào)整優(yōu)化簇結(jié)構(gòu)，從而更好地平衡網(wǎng)絡(luò)簇頭的能量消耗。該方法兼顧了簇頭與簇成員節(jié)點(diǎn)、簇頭與簇頭之間的能耗，較好地解決了“熱區(qū)”問(wèn)題，仿真表明與已有的分簇策略相比，本文提出的這種策略能更好地平衡網(wǎng)絡(luò)簇頭能耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。
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