论文研究-无线传感器网络分簇拓扑控制算法的研究 .pdf

所需积分/C币:9 2019-08-20 13:53:48 298KB .PDF
38
收藏 收藏
举报

无线传感器网络分簇拓扑控制算法的研究,崔可想,李志华,无线传感器网络是一个密集部署且资源紧张的网络。拓扑控制是无线传感器网络的核心问题之一。良好的拓扑控制结构能够提高路由协议
国武技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 循坯中当选过簇头的节点个数,是这轮循环中未当选过簇头的节点集合。当节点当选 簇首以后,簇首就向网络中得所有节点宣布这一消息,通过接收信号的强度,节点选择所要 加入的簇并通知该簇首。簇首采用TDMA方式给簇内节点分配传输数据的吋隙(sot)簇内 节点根据分配给自己的时隙,进入各自的工作或休眠状态。在稳定阶段,节点向簇首传输数 80据,簇首将本节点传来的数据进行数据融合后发送到sink节点。经过一段时间后,整个网 终再次进入初始化阶段,开始新一轮的簇首选举。 算法分析 LEACH算法以循环方式随机选择簇头节点,将整个网终的能量负载平均分配到每个传 感器节点中,从而达到降低网终能量的消耗、提高网终整体的生存时间, LEACH的这种轮 85换簇首的思想,避免了—些簇首节点因过度消耗能量而提前退出网络。大量仿真以表明,与 般的平面拓扑控制算法和静态分层算法相比, LEACH可以将网络的生命周期延长15%左 右。但 LEACH算法也存在着些问题: 1)簇头选择问题 LEACH算法是让网终中的节点自组织的形成簇,簇头的选择是随机的,导致簇头分布 90不均匀在选取簇头时没有考虑节点的剩氽能量和节点已做过簇头的次数。在下一轮簇头选 择的中,如果选择剩余能量小的节点做为簇头,节点会过早死,降低了网终的生存时间; 当节点做簇头次数过多时,节点能量会消耗很快,离该节点较远的节点能耗较多,会出现节 点能耗不均衡的现象。 2)簇头之间的能量负载不均衡 簇头的能量消耗主要有两个方面:一是簇头和sink之间的距离,簇头距离sink越远, 消耗的能量越多,因为需要较大的功率发送数据;二是簇中的节点数目,簇中的节点数目越 多,簇头消耗的能量越少。 3)静态确定最优簇数目及簇头所占总节点数的比例 LEACH算法中,簇以在节点中所占的百分比是静态确定的,在整个网终运行阶段,不 100再改变。由于网终中节点数目随网终的运行而减少,比将严重影响网络的生命周期和稳健性 算法 算法思想 HELD算法是针对 LEACH算法簇头分布不均匀的问题进行了改进。HED算法使用 主、次两个参数,将能耗平均分布到整个网络。其中,主参数依赖于节点的剩余能量,节点 l05根据主参数随机选取初始簇头集合,具有较多猁余能量的节点将有较大机会暂时成为簇头; 次参数依赖于簇內通信代价,HED使用簇內平均可达能量(AMRP)作为衡量簇内通信代 价的标准,在簇重叠区域中的节点根据次参数选择最终加入哪个簇,HEED协议能产牛分布 更均匀的簇头,仝网能耗更加均衡 HEED算法成簇过程: 110 1)初始化阶段 算法首先设置网络中初始簇头比例, 网络中各个节点根据 maX /m’m),计算其成为簇头的概率其中为 节点当前剩佘能量,为节点初始能量,既节点所分配能量的最大值,规定的最 3 国武技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 小值为,防止簇头选举迭代收敛速度人慢。 115 2)迭代阶段 在该阶段,每个芍点重复迭代过程直到该节点找到能用最小传输能量进行通信的簇头节 点。在每个迭代过程结束之后,节点将自身 乘以2进入下一迭代过程,当 于1时终止迭代过程。在迭代过程中,竹点有以下两种状态: 备选簇头状态:当节点 l时,节点为备选簇头状态,若之后发现具有通信 120 代价更小的簇头节点,则其改变状态为普通节点,加入该候选簇头。 ●最终簇头状态:当节点 1时,节点作为最终簇头状态,并向其邻居节点 广播 3)中止阶段 在该阶段,每个节点决定其最终状态:选择簇头并加入该簇;若本节点没有接收到候选 125簇头消息,则申明本节点为簇头节点。 算法分析 HEFD算法针对 LEACH簇头分布不均匀进行了改进,并综合考虑到节点的剩余能量 生存时间、可扩展性以及负毂平衡,以主从关系引入多个约束条件作用于簇头的选择过程 使得分簇的速度更快,分簇的结构更加均匀,网络拓扑更合理。但HEED对那些没有收到 130候选簇头信息的节氐直接申明为簇头节点,这样做会増加簇头的数日,降低了数据融合的效 率,在分簇过程中也可能出现簇内成员为空的“孤立簇头节点”,HEED算法的执行并不需 要依赖于同步,但是不同步却会严重影响分簇的质量 算法 算法思想 135 GAr( geographical adaptive fidelity)算法,是以节点地理位置为依据的分簇算法。该算把 检测区域划分为虚拟单元格,将节点按照位置信息划入相应的单元格;在每个单元格中 定期选礻产生一个簇头节点,只有簇头节点保持活动,其他节点进入睡眠状态。GAF是 ad hoc 网络中提出的一和路由算法,将其引入传感网络,是因为它的虚拟单元格思想为分簇机制提 供了新思路。 140 GAF算法的执行过程包括两个阶段。第一阶段是虚拟单元格的划分。根据节点的位置 信息和通讯半径,将网络区域划分成若干虚拟单元格,保证相邻单元格中得任意两个节点都 能够直接通信。假设节点已知整个检测区域的位置信息和本身的位置信息,节点可以通过计 算得知自己属于哪个单元格。在图3-1中,假设所有节点的通信半径为,网络区域划分为 边长为的正方形虚拟单元,为了保证相妤两个单元格内的任意两个节点能够直接通信 145需满足如下关系式 +( (3-2) 所以,从分组的转发的角度来看,属」同一单元格的节点可以认为是等价的,每个单元 格只需要选出一个节点保持活动状态 GAF算法的第阶段是虚拟单元柊中簇头节点的选择。节点周期性地进入睡眠和工作 150状态,从睡眠状态唤醒之后与本单元内其他节点交换信息,以确定自己是否需要成为簇头节 点。每个节点可以处于发现( discovery)、活动( activc)、以及睡珉( sleeping)=种状态, 4 国武技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 如图3-2所示。在网络初始化时,所有节点都处于发现状态,每个节点都通过发送消息通知 自己的位置、I、等信息,经过这个阶段,节点能得知同一单元格中其他节点的信息。然后, 每个节点将自身定时器设置为某个区间内的随机值。一旦定时器超时,节点发送消息声 155明它进入活动状态,成为簇头节点。节点如果在定时器超过之前收到来自同一单元格内其他 节点成为簇头的声明,说明它自己这次簇头竞争失败,从而进入睡眠状态。成为簇头的节点 设置定时器为,代表它处于活动状态的时间。在超时之前,簇头节点定期发送广播 包声明自己处于活动状态,以扣制其他处于发现状态的节点进入活动状态 超时后, 簇头节点重新回到发现状态。处于睡眠状态的节点设胃定时器为,并在超时后重新回 160到发现状态。处于活动状态或发现状态的节点如果发现木单元格中出现更合适成为簇头的节 点是,会自动进入睡眠状态 A 3 B 佟3-1GAF算法中的虚拟单元格划分 睡眠 时间后 簇头竞争失败 簇头竞争失败 时间后 发现 活动 时间后 图3-2GAF算法中得节点状态转换图 算法分析 l65 无线传感网络中的节点由于处于侦听状态也会消耗很多能量,让节点尽量处于睡眠状态 国武技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 称为传感器网络拓扑控制算法中经常釆用的方法。GAF是较早采用这种方法的算法。由于 传感器节点自身体积和资源受限,这种基于地理位置进行分簇的算法对传感器节点提出了更 高的要求。另外GAF算法基于平面模型,没有考虑到在实际网络中节点之间距离的邻进并 不能代表节点之间可以之间通信的问题,而且它没有考虑节点的剩余能量,随机选择节点作 170为簇头。虽然GAF算法存在一些不足,但是它提出的节点状态转换机制和按虚拟单元格划 分簇等思想具有一定的意义。 算法 算法思想 EACH算法的分析中可知,()没有考虑能量因素,故针对该公式的不足,DCHS 175( Deterministic cluster-Head selection)"将能量因素考虑进来,改进的()算法公式如 (3-3) (mod1/) 表示节点当前能量,灬表示节点的初始能量。公式(3-3)的改进,使得 能量消耗比例较低的节点当选簇头。但公式(3-3)可以看出:当网终运行较长时间后,所 l80有节点的当前能量都变低,每轮当选的簇头数目会减少,最终导致网络能耗不均,网络寿命 周期缩短。为此DCHS又改进了()得计算方法,如式(3-4): 1-(mod1/ (一)(1 (3-4) max max 其中,表示节点连续未当选簇头的轮次,一旦当选了簇头,再次设置为0.该式有 效地解决的(3-3)式的缺陷 185 算法分析 DCHS算法主要对 LEACH算法簇头选择的改进,考虑了剩余能量,该算法的最后改进 公式(3-4综合考虑了节点的能量和阈值大小对簇头选取的影响,使得算法更公平合理。 无线传感网络分簇拓扑控制算法研究现状 以上几个典型的无线传感网终分簇拓扑控制算法,可以知道,目前针对分簇算法拓扑控 190制研究的主要内容是关于减少网络能耗2,延长网络牛存期,为了达到这个目的,人多数 分簇算法都是基于以下思路的: 1)通信能量消耗 在分簇的无线传感网网络系统中,能量消耗包括两部分,一部分是传感器节点木消耗的 能量,另—部分是传感器用」数据通信时消耗的能量,一般认为后一和能量消耗要远远大于 195前·种能量消耗。在定的范围内,传输数据所需要的能量与距离基站的距离成平分比;但 当距离增大到一定程度时,所需要的能量将与距离的四次方成正比。基于此,很多分簇拓扑 控制算法都尽量不让较多的簇首节点与基站之间通信,或者采取簇首多跳的方式与基站 通信。 (2)簇首的选取 国武技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 200 因为分簇算法中离基站较近的簇首节点以及在单跳方式卜离基站较远的簇头节点容易 较快的消耗能量,由此簇首的选择对分簇算法的影响很重要。关于簇首的选择主要考虑 传感器节点的位置信息、无线传感网络节点的剩余能量、无线传感网络节点的邻居节点 的剩余能量、无线传感网络节点的度数等因素。如 LEACH-C就是通过节点把自身的地区位 置和能量报告给基站,基站棖据所有成员到簇首的距离平方和最小的原则进行簇和簇首的选 205择。HED是根据无线传感网络节点的剩余能量来进行簇首的选择 (3)负载平衡 在分簇的无线传感网络中,为了避免网络中部分簇首因为太多的参与数据转发而过早死 亡,在现阶段研究中,有的算法通过在网络中形成大小不等的簇来达到这一目的,一般会是 远离基站的簇的规模较大,离基站较近的簇的規模较小。 210 (4)区域覆盖 在无线传感网络中,并不是任何区域都需要一直进行监控的;同时在一些大规模的无线 传感网络中,由于传感器分布密集,会形成监控区域的相互重叠;这样一来就不需要让所有 节点一直工作,让一些节点处于休眠状态,以达到节约能量的目的。 结论 215 基于分簇的无线传感器网络拓扑控制算法6,不仪大大降低了WSN网络的整体耗 能,而且使得网络各个部分的耗能更加的均衡,同时为分簇的路由算法提供了重要的基础。 近年米,不少关于该方面的硏究取得了一些成就,提出了一些改进的算法和新的协议。但总 体而言,该方面的研究还处于初级阶段。本文对无线传感器网终中基于分簇思想的拓扑控制 算法进行了研究,介绍了一些典型的算法,在无线传感网终分簇拓扑控制算法研究现状里, 220重点介绍了 LEACH。但是目前的硏究还普谝存在着樸型过于理想化,对网络性能的综合考 虑较少,硏究结果没有足够的说服丿等问题。总之,拓扑控制尤其是基于分簇算法的已经取 待了初步的硏究成耒,但是大多数的拓扑控制算法还只是停留在理论硏究阶段,没有考虑实 际应用的很多困难。拓扑控制还有许多问题需要进一步研究,特别是需要探索更加实用的拓 扑控制技术。以实际应用为背景、多种机制相、综合考虑网络性能将是拓扑控制研究的发展 225趋势。 参考文献 [1] Sunil Jardosh, Prof Prabhat Ranjan. A Survey: Topolgy Control For Wireless Sensor. IEEE. 2008. 422-427 [2 Chen B, Jamieson K, Balakrishnan H, Morris R SPAN: An energy efficient coordination algorithm for 230 topology maintenance in ad hoc wireless nctworks. ACM Wireless Nctworks, 2002.481-494 Xin Xie, Heng Zhang Topology Algorithm Research Based on Energy and Power Control for TopDisc Algorithm Sccond International Confcrcncc on Computcr Modcling and Simulation. 2010.37-40 [4] Mina Shirali, Mohammad Reza meybod, Nasrin Shirali. Sleep based Topology ControL. 2010 235 [5] Xuehai Hu, Dai Rong Ren, Houjun Adaptive Clustering Algorithm Based on Energy Restriction.IEEE2011.949-951 [6]胡刚,谢冬梅等无线传感器网终路由协议 LEACH的研究与改进传感技术学报.2007.206).1391-1396 [门]胡君,王雷.传感器网络中一种基于节点平均能耗的分布式簇首选举算法计算机应用.2007.(12.2979 2981 [8]张伟华,李腊元等无线传感网终 LEACH协议能耗均衡改进传感技术学报.2008.21(1).1918-1922 240[9]李岩,张曦煌等 LEACH-EE基于 LEACH协议的高效聚类路由算法计算机应用.2007.27(5).1103-1105 [10 Younis O, Fahmy S I IEED: A hybrid, energy-efticient, didtributed clustering approach for ad hoc sensor networks. IEEE Trans on Moblile Computing, 2004, 3(4): 660-669 「11沈波,张世永,钟亦平,《无线传感网络分簇路由协议》 Journal of software,vol17,2006,7,1590-1591 [12] Miguel A Labrador, Pedro M. Wightman. Topology Control in Wireless Sensor Networks- with a companion 245 simulation tool for tcaching and rescarch. ISBN. 2009 国武技论文在线 http:/www.paper.edu.cn [13] Dongmei Yan and Jinkuan Wang Li liu, Bin Wang and Peng XuTopology Control Algorithm Based on Overlapping Clustering. IEEE. 2010.737-741 [14]江涛,杨庚,陈生寿基于最优簇头数的无线传感网络安伞 LEACH路由协议南京邮电大学学报(自 然科学版,20086Vo128 250[15]张伟华,李腊元,张留敏,王选政无线传感器网络 LEACH协议能耗均衡改进传感技术学 报2008,11Vol21 [16JJang J -S, Sun, C -T and Mazutani, Ncuro-Fuzzy and Soft Computing a computational approach to learning and machine intelligence, ISBN 0-13-261066-3, Prentice Hall, Upper Sanddle river, NJ, USA, 1997 [17Ilassaan Khaliq Qureshi, Sajjad rizvi. Poly: A reliabale and energy efficient topology control protocol for 255 wirless sensor networks. Computer Communications(34).2011. 1235-1242.): 660-6 [18 Heinzeiman WR, Chandrakasan A, Balakrishnan H An application-specific protocol. Archiitecture for wireles microsensor network. IEEE Transacion on Wireless Cmmunication. 202-194 8

...展开详情
试读 8P 论文研究-无线传感器网络分簇拓扑控制算法的研究 .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-无线传感器网络分簇拓扑控制算法的研究 .pdf 9积分/C币 立即下载
1/8
论文研究-无线传感器网络分簇拓扑控制算法的研究 .pdf第1页
论文研究-无线传感器网络分簇拓扑控制算法的研究 .pdf第2页

试读结束, 可继续读1页

9积分/C币 立即下载