论文研究-无线传感器网络四种拓扑控制算法比较研究 .pdf

所需积分/C币:9 2019-08-15 14:37:51 659KB .PDF
13
收藏 收藏
举报

无线传感器网络四种拓扑控制算法比较研究,段宝峰,杨凌,针对无线传感器网络提出的拓扑控制算法,通过确定簇头数目、选择最优簇头、降低每轮簇重构能耗和减少节点转发数据量等策略,优化
中国利技论文在线 hlp://www.paper.edu.cn 化的距离平方和来选择。例如,对于三个节点A,B和C,节点A经过节点B到达节点C的唯 条件是 (2) 与传统的平面型拓扑控制算法相比,如地址中心型(AC, Address c· entric)和数据中心型(DC, Data centric),MTE算法完成网络通信任务所需的跳数较少,如图3所示 源节 a 源节点 BS 源节点 P BS a) Address Centric b) Data Centric C)MTE 佟3半面型拓扑控制的三种算法 除感知监控区域并收集信息外,节点还要为其他节点进行数据转发,并利用-持续CSMA ( Carrier Sense Multiple Access波侦听多路访问)的方式侦听信道。当节点要转发数据时, 它首先侦听信道,判断是否有其他节点正在转发。如果信道忙,它就持续等待直到侦听到 信道空闲时,便将数据转发。若发生冲突,站点就等待个随机长的吋间,然后重新开始 侦听。如果节点一日发现下一跳邻居节点的路由空闲,其发送数据的慨率为1。 层次型拓扑控制算法 层次型拓扑控制算法利用分簇机制,让一些节点作为簇头节点,由簇头节点形成一个 处哩并转发数据的骨网络,其他非骨T网节点可以暂时关闭通信模块,进入休眠状态以 节省能量。例如,双层拓扑控制结构示意图如图4所示,将原本最少为6跳路由的通信变 为4跳路由。 在分簇机制中,一轮簇重构过程的能耗为 2× ××E (3) 十××E 十× 其中,表示监控区域的节点数目;表示簇头数目;表示节点到基站平均距离; 国科技论文在线 http://wwwpaper.edu.cn 表示监控区域面积:表示数据融合能耗。在能量受限的无线传感器网络中,通过分簇 机訇选举出的簇头数目应满足一轮簇重构的能耗最小。 第2层 第1层 (5 0 图4双层拓扑控制结构示意图 算法 LEACH( Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)算法是一种自适应分簇拓扑算法, 执行过程是周期性的,每轮循环分为簇结构建立和稳定数据通信两个阶段。在簇结构建立 阶段,相邻节点动态地形成簇,随机产生簇头;在数据通信阶段,簇内节点把数据发送给 簇头节点,簇头节点进行数据融合并把结果转发给BS。在簇以选举过程中,节点首先产生 个0~1之间的随机数,如果这个数小于阈值(),则发布自己是簇头节点的广播消息。 接着簇头节点产生一个TDMA定时消息,并广攆簇区内所有节点。为了避免附近簇的信号 干扰,簇头可以决定本簇中所有节点仗用的CDMA编码。用于当前阶段的CDMA编码连同 TDMA定时一起发送。当簇内节点收到这个消息后,就会在各自的slot(时隙)发送数据 给簇头节点。 算法 LEACE-C( LEACH- Centralized,集中化的 LEACE)算法,执行过程也是周期性的,每 轮循环的阶段与 LEACH相同。但在簇结构建立阶段,所有节点都将自己的位置(使用GPS 接收器)与能量信息传送给BS。BS计算出所有节点能量的平均值,只有能量大于平均值的 节点才有资柊成为簇头,最终将能量负载分布在所有节点上。然后利用模拟退火算法,解决 划分个最优簇区的NP-难题。最终向所有节点广播簇头节点的I信息,各个节点根据接 收的消息判断自己的身份。如果自己的ID信息包含在BS广择的簇头节点内,则成为簇头; 合则,则根据自己所在的簇决定自己的数据传输TDMA时隙,并进入“睡眠”状态,直到传 输数据的时隙到来才唤醒自己。数据通信阶段, LEACH-C与 LEACH相同。 算法 ST^TαIUS( Static clustering,静态成簇)算法利用固定簇头形成永久性的簇结构。 它相当」在网络初始化阶段,BS使用与 LEACH-C相同的方法划分监控区域。在网络的生 中国科技论文在线 http://wwwpaper.edu.cn 存时间内,簇区和簇头节点形成后保持不变。簇內节点使用TMDA时隙和DSSS扩展码避 免数据通信干扰,并将接收的数据融合后转发给BS。假如簇头节点的能量耗尽,那么该簇 区的所有节点都失去了与BS通信的能力,即局部网络死亡。 四种算法实验数据与结果分析 仿真环境与参数 100 90 EoEEoEoE 703 60 50 40 0Q+0与 20 0102030405060708090100 x direction of monitoring area/m 图5监控区域节点分布 在理想信道条件下,忽略干扰和信号冲突等因素影响,运用NS222网络仿真平台在 100m*10om的监控区域内随机部署100个小型传感器节点,如图5所示,仿真参数取值如 衣1所示,其中λ是加权系数,通过改变其大小可以调节距离和节点度这两个因素在簇头 选择中所占的比重。BS能量可持久供给。模拟仿真过稈强制结束的充分条件有两个,网终 剩4个存活节点和仿真过程达到800s。 表1仿真参数 =2000 100 50 E=00132=0.6 计算簇重构能耗最小的簇头数目 监控区域内节点与BS(0,0)的示意图如图6所示,节点至BS的最远距离为141m 中国科技论文在线 http://wwwpaper.edu.cn 在随机过程中,节点分布在区域1和2的概率分别是为0.5 (100,0) (100,100) S2 R BS(0,0) (0,100)xm 图6Sink节点与监控区域示意图 经分析得出,监控区域内节点与BS之间距离的期望,即节点与BS的平均距离为 列方程式 1=2=丌2/4 解得,≈7978846 0.0244 0,0242 0,024 0,0238 00236 00234 0,0232 0,023 00228 00226 0,0224 0,0222 0,022 0246g101214161g20 Number of clusters 图7簇头数目与簇重构能耙的关系 6 国科技论文在线 http://wwwpaper.edu.cn 实验表明,每轮簇重构的平均能耗与簇头数目有关。簇头数目依次在闭区间[1,20]内 取值,簇重构能耗先减小后增大。如图7所示,在100个节点的无线传感器网络中,最优 簇头数目取值为5至7之间时,算法是能量高效的。假如仅仅有一个簇头节点,那么很多 簇内节点传输数据给簇头节点时距离将很远:假如簇头节点远远多于5个,那么簇内的冗 余信息相对会减少,降低了数据融合的性能,以致增加BS接收的相关信息。充分证明了 最优化选择簇头数日是节约网络总能耗以及廷长网络生存时间的重要因素。为了测试算法 在网络中的性能,取=5,此时一轮簇重构消耗能量为0.02216J。 实验数据与结果分析 如图8所示,四种算法中 LEACH-C、 LEACH和 STAT-CLUS由于节点过度死广,模拟仿 真强制结束的时间分别在570s、490s和40s,MTE在800s时还有36个节点存活;在420s时, LEACH比 LEACH-O的存活节点多5个,而在430s时, LEACH和 LEACH-C的存活节点数目分 别是46和87,表明以此时间段为分界线, LEACH-C略显出优势。MTE以多跳的递进方式完 成数据传输,BS在单位时间内接收的数据量较少,因此监控区域内的存活节点多于其他三 种算法。轮换簇头节点只有较明显的优势,静态成簇使簇头节点固定,簇头死亡后,其他节 点停止工作,大大降低了网络生存时间 100 MTE 90 LEACH 80 上EACH-C STAT-CLUS 了0 60 50 右 q40 E 30 20 10 0100200300400500600700800 Time(s) 图8存活节点数目与时间的关系 如图9所示,在模拟仿真的时间内, LEACH转发至BS的数据比MTE多一个数量级 LEACH-C转发的数据比 LEACH多40%以上: STAT-CLUS在节点能量受限的条件下,转发数 据的性能较差,在40s时网终已经死亡。MTE利用多跳路由的递进方式转发数据至BS,耗费 在传输路径上的吋间较多,其他三种算法的数据发送均是单珧方式,并且要进行数据融合, 那么BS会接收到更多的有效数据,因此MIE转发至BS的数据量是最少的。在模拟仿真强制 结束时, LEACH、 LEACH-C和 STAT-CLUS转发至BS的数据量已不再增加,而MTE还有增 7 国科技论文在线 http://wwwpaper.edu.cn 长的趋势 90000 80000 EACH EACH-C 70000 STAT-CLUS 可60000 500o 40000 30000 d20000 100o0 0100200300400500500700800 Time(s) 图9基站接收的数据量与时间的关系 如图10所示, LEACH、 LEACH-C和MTE网络总耗能均超过200J,这与网络模拟仿真 环境的配置参数矛盾,因为监控区域内的100个节点在初始化时均只有2J的能量。这正是算 法代码的bug所在,因为在 check alive过程中对节点只是设置标志(0表示节点死亡,1表示节 点存活),但并没有终止死节点转发数据的动作,虽然死宀节点转发数据一直尖败,但是 400 350 LEACH LEACH-C 300上 STAT-C凵Js -+--- 250 200 d 150 100 50 0 0100200300400500600700800 Imes 图10网络能耗与时间的关系 转发数据的动作一直在发生,并且消耗能量,最终导致在模拟仿真过程强制结束时,这三种 算法的总能耗分别是328.17102J、370.02692J和218.56531J。由」 STAT-CLUS的簇头过早死 亡,无法充分利监控区域内节点的有效剩余能量,因此整个模拟仿真过程只消耗了18.05484J 8 国科技论文在线 http://wwwpaper.edu.cn 的能量 总结 拓扑控制算法是无线传感器网络硏究的热点问题,本文通过优化模拟仿真环境,对 LEACH、 LEACH-C、MTE以及STAT-CLUS四种算法进行了比较研究。在无线传感器网 终中,相邻节点之间忽略冗余数据,并且监控区域内感知的数据量很小,MTE算法在完成 BS极小的通信任务的情况下,网络的生存吋间最长;分簇机制和数据融合是节点密集型网 终节能思路的出发点, LEACH和 LEACH-C算法在均衡能量负载)面优于MTE算法;网络转 发的数据流量非常小,节点长时间处于休眠状态, STAT-CLUS算法较优与其他三种算法。 实验数据和结果分析给研究者进行创新提供了可靠的参考依据,并为新算法的形成提供∫理 论基础。总体来说,以四种算法为研究起点,寻求种折中的算法达到延长网路生存时间的 目的,是作者下一步研究工作的方同。 参考文献 [1孙利民,李建中,陈渝,等.无线传感器网终[M].北京:清华大学出版社,2008 [2- Estrin D, Govindan R, Hcidcmann J S, ct al. Ncxt century challenges: Scalable coordinate in sensor nctwork [AJ.In: Proc 5t h ACM/ IEEE Intl Conf on Mobile Computing and Networking. 1999. 263-270 3.任丰原,黄海宁,林闯.无线传感器网络LJ」.软件学报,2003,14(07):1282-1291 [4 Chao Song, Ming Liu, Jiannong Cao, et al. Maximizing network lifetime based on transmission range adjustment in wireless sensor nctworks Computcr Communications, 2009, 1-10 5 Narayanaswamy S, Kawadia V, Sreenivas R S, Kumar P R. Power control in ad-hoc networks: Theory, architecture algorithm and implementation of the CoMPOW protocol. In: Proc European Wireless Conf, Florence taly,202.156-162 [6 Ramanathan R, Rosalcs-Hain R. Topology control of multihop wireless nctworks using transmit powcr adjustment. In: Proc 9th Joint Conf on IEEE Computer and Communication Societies (INFOCOM), Tel-Aviv Israel. March 2000 [7 Kubisch M, Karl Il, Wolisz A, Zhong L, C, Rabaey JM. Distributed algorithms for transmission power control in wireless sensor networks, IEEE Wcnc 2003, New Orleans. Louisiana, March 2003. 16-20 [8 Li L, Hou J C, Bahl P, et al. Analysis of a cone-based distributed topology control algorithm for wireless multi-hop networks. In: Proc ACM Symp on Principles of Distributed Computing(PODC), Newport, RI, Aug 2001.264-273 [9] Li N, Hou J C Sha L. Design and analysis of an MST-based topology control algorithm. In: proc 12th Joint Conf on IEEE Computer and Communication Societies(INFOCOM 2003), San Francisco, CA. Apr 2003 [10]Li N, Hou J C. Topology control in heterogeneous wireless networks: Problems and solutions, In: Proc 13th Joint Conf on IEEe Computcr and Communications Socictics(INFOCOM), 2004 [l]王雪无线传感器网络测量系统「M.北京:机械工业出版社,2007.8 中国科技论文在线 http://wwwpaper.edu.cn [12 T. Shepard. A channel access scheme for large dense packet radio networks. In Proc ACM SIGCOMM, tanford, CA, Aug 1996, pp 219-230 [13] M. Ettus. System capacity, latency, and power consumption in multihop-routed SS-CDMA wireless networks In Proc Radio and Wireless Conf (RAWCON), Colorado Springs, CO, Aug 1998, pp 55-58 [14] Heinzelman WR, Chandrakasan A, Balakrishnan H. An application-specific protocol architecture for wireless microsensor networks. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2002, 1(4): 660-670 [15 Younis O, Fahmy s. Distributed clustering in ad-hoc sensor networks: A hybrid, energy-efficient approach. Ii Proc 13th Joint Conf on IEEE Computer and communications Societies (INFOCOM), March 2004 [16 Xu Y, Heidemann J, Estrin D, Geography-informed Communications Societies (INFOCOM), March 2004 energy conservation for ad hoc routing. In: Proc 7th Annual Int'l Conf on Mobile Computing and Networking (MobICOM), Rome, Italy. July 2001.70-84 [17 Santi P. Silence is golden with high probability: Maintaining a connected backbone in wireless sensor networks. In: 1st European Workshop on Wireless Sensor Networks, Berlin, Jan 2004 [18 Bao L, Garcia-Luna-Aceves JJ. Topology management in ad hoc networks. In: Proc 4th ACM Int'l Symp on Monbile Ad Hoc Networking Computing( MobiHoc 2003), Annapolis, Marylan. 2003. 129-140 [19 Deb B, Bhatnagar S, Nath 13. a topology discovery Algorithm for sensor networks with applications to network management. DCS Technical Report DCS-TR-44l, Rutgers University May 200 [201 Muruganathan S D, Ma DCF, Bhasin Pl, et al, A centralized energy-efficient routing protocol for wireless sensor networks, IEEE Communications Magazine, 2005, 43( 3): 8-13 [21] T. Shepard. A channel acccss schcmc for largc dcns packct radio nctworks. In Proc ACM SIGCOMM, Stanford, CA, Aug 1996, pp 219-230 「22]徐雷鸭,庞博,赵耀.NS与网络模拟「M.北京:人民电出版社,2003 [23]于斌,孙斌,温暖,等.NS2与网络模拟[.北京:人民邮电出版社,2007 Duan Baofeng, Yang Ling, Yang Zhiguo, Zhang Guosheng, Li Ming Zheng Gaotong, Ye Zhao, Tang Haiwei School of Information Science and Engineering, Lanzhou University, Lanzhou (730000) 2 School of Electrical and Information Engineering, Xihua University, Chengdou(610039) Through determining the number of cluster head, selecting the optimal cluster head, decreasing the data of nodes to deal with and forward, and cutting down energy consumption of cluster reconstruction, the simulation environment is optimized for topology control algorithms proposed in

...展开详情
试读 11P 论文研究-无线传感器网络四种拓扑控制算法比较研究 .pdf
立即下载 低至0.43元/次 身份认证VIP会员低至7折
一个资源只可评论一次,评论内容不能少于5个字
您会向同学/朋友/同事推荐我们的CSDN下载吗?
谢谢参与!您的真实评价是我们改进的动力~
关注 私信
上传资源赚钱or赚积分
最新推荐
论文研究-无线传感器网络四种拓扑控制算法比较研究 .pdf 9积分/C币 立即下载
1/11
论文研究-无线传感器网络四种拓扑控制算法比较研究 .pdf第1页
论文研究-无线传感器网络四种拓扑控制算法比较研究 .pdf第2页
论文研究-无线传感器网络四种拓扑控制算法比较研究 .pdf第3页

试读结束, 可继续读1页

9积分/C币 立即下载