论文研究-基于节点剩余能量的WSN分簇路由协议的研究 .pdf

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基于节点剩余能量的WSN分簇路由协议的研究,王选政,张伟华,在无线传感器网络的路由技术中,基于簇的路由算法在拓扑管理,能耗利用,数据融合等方面都有较强的优势。在分析层次LEACH协议的基�
中国科技论又在线 图:链表域 指针 能量级别 其中指针域指向存放下一个节点的指针,表示该节点的身份,能量级别表示节点剩余的 能量级别 表示节点是否能担当簇头在簇内节点和簇首节点在进行数据传输时 检査其能量级别是不是发生变化,当簇内节点能量级别发生变化时,则侈改其级别值,)将 其以控制帧(包含和能量级别变化位)传送到簇首节点,经簇首将所有请求的数据融合 成报文后将其发送到能量不受限的节点,节点寻找其所属的簇对应的链表,并在 其簇的链表中找到该节点,将其能量级别佰减去后,重新按能量级别高低的顺序将该节点 插入到链表合适的位置,能量级别值之所以减去是因为节点能量消耗不可能过快:当簇内 节点能量级别没有发生变化吋,直接传送数据包;当簇首的能量级别变化且能量级别值大于 吋,首先簇首节点先将自己的能量级别值减去,并修改自己存储的能量级别值,然后在 控制帧(包含和能量级别变化位)发送到节点,节点根据收到的簇头节点的级 别变化来将其对应的链表中的能量级别值减去后,并重新能量级别从高到低将其插入到链 表中合适的位置;当簇首能量级別没有变化且级别值大于时,只传送数据包就行了;当簇 首节点能量级别值等于且在数据传输时,则以塎制帧的形式向节点报告,将其退岀 簇首信息以控制报文的形式传送到节点,节点链表中第一个节点选举为新的簇首 节点,并要修改其对应链表中该节点的 值为且将原簇头节点的能量级别值做修改 (链表中值为的节点不能担当新簇头),将其节点以能量由高到低顺序重新插入到 链中合适的位置,新选举的簇头节点的信息被原簇首节点广播给簇内节点,这时簇内节点 就知道了新簇的簇首节点,其它节点向新簇首发送加入簇的请求,簇首收到请求后将节点加 入自己的路由表并为每个节点设定一个 时间表,再将该表发送给所有簇内节点。簇 头负责 时刻表在每个簇内节点之间的同步。可以通过写成简码有让所有簇内节点听 到的码片序列来实现。节点为各种簇头节点分配 ,在此后的簇稳定阶段,节点 按照该路由表进行数据传输;如果簇内节点向簇首节点发送数据,首先发送控制帧(包含 和能量级别变化位),簇头根据实际情况分酤 进行重新优化分配,给予发送数 据量多的簇内节点,分配适当时隙长度,少量数据则分配较短的时獄长度,未传输数据的簇 内节点不分配时隙。如果存在某些簇内节点能量级别为吋,则立即向簇首发送请求退出 工作,簇首将此信息通过控制帧的形式传送给节点,节点将其对应簇首的节点的 链表中节点 值设置为(表示该节点能量马上就耗尽)。如果链表的第一个节点的 的值是,则说明该簇已经成为弱簇,该簇内的所有节点的能量马上就要耗尽,此时 簇重组到此终止 协议在簇建立阶段:在这个阶段,每个节点根据随机算法选择簇头。簇的半 径大小由应用的需要(感应的半径)或者是节点的传输范围来决定。改进后的算法是通过能 量不受限的节点将其对应的链表中第一个节点,认命为新的簇首,该节点在其簇中拥 有最高能量级别。接下来,原簇首在原簇内广播这一消息,没有当选簇首的节点通过发送加 入信息给簇头加入簇。在簇内部,簇头负责 时刻衣在每个簇内节点之间的同步。可 以通过定期发送能让所有簇内节点听到的码片序列米实现。由于 协议的簇内节点以 广播的形式相互竞争簇头节点,不仅消耗了自己的节点的能量还消耗了簇內其它节点的能 量,而且真正的竞争次数为次(包括次广播, 次接收),另外还有所传输的控 中国科技论又在线 制消息帧长度较长(包括和能量级别值),其每个能量级别置至少位,而本人改进的能 量变化位只有位即可(其中表示能量级别发生了变化,表示能量级别值没有发生变化) 而且簇头的选取是由能量不受限的节点根据其链表来选择的,只需要节点向原簇 首节点一个发送控制帧(只包括新族首的)即可。因此可以大大地减少整个簇节点的能 量消耗,从而解决了 协议重复簇首节点选取的过多的能量消耗这一难题。 改进后,首先簇重簇的次数有很大的降低,节点的能量得到了最大化的利用,节点负载 平衡性有很大的提高,在成簇过程中,避免了 协议簇内节点互相竞争簇首过大能量 开销,此外改进后方法窾重组和管理的主要能量消耗来自节点,而恰恰该节点的能量 不受限制。因此改进后的方法使网络的能效性得到很好提升,网络生命周期有很好的延长ε 簇一旦建立,系统进入稳定状态。健立自适应会话长度(争用周期和数据窗口是自适应 的),这是为了避免系统长时间没有数据要发送时不必要的能量消耗,当簇内如果有很少 节点需要发送数据的时候,我们采用随机争用方式,每个需要发送数据的节点在争用周期的 窗口内通过非持续 发送一个兴趣分组给簇首。稳定状态由若干定长会话组成,每个 会话争用周期、数据传输周期和空闲周期组成。在争用周期使用一个类似 的机制, 簇内每个节氐被分配给一个时隙,如果任一节点有数据要发送就在其所分配的这个时隙内发 送一个比特的控制信息给窾首,要是没有数据要发送的话,就让该时隙空着。在争用周期 完成之后,簇首获得了发送数据节点的完整信息,利用此信息簇首建立并向簇內节点广播数 据发送调度策略,每个需要发送的节点获得一个确定的发送时间。节点只在自凵的发送时 之内打开射频模块,向簇首发送数据,其余时间进入休眠状态。如果在一个会话内没有节 需要发送数据,所冇节点关闭它们的射频模块等待下一个会话到来。簇首收到簇内节点的数 据之后,进行数据融合,如果节点附近有别的簇首节点也要向节点发送数据,则 其与离节点附近的簇首节点重新进行数据融合,然后由离节点较近的并且有数据 将要发送的簇首节点传送到节点;如果节点附近没有其它的簇首节点要发送数据, 则原来的簇首节点通过单跳或者多垗(尽量选择在原簇首节点和节点直线上的簇首节 点作为多垗的中绻节点)的方式向节点传送数据。 当传感器布置好形成簇后的首个争用周期使用时隙争用方式时。卜图是争用时隙方式。因 会话过程 族头数据数据数据 播时隙时隙时隙 争用周期 数据传输周期 空闲周期 佟:争用时隙方式 为我们需要给簇内毎个节点分配相应的争用时隙,且我们不知道当吋的环境及使用情况,有 可能当传感器布置好后马上需要大量的数据传送。通过第一次的时隙争用,我们对网络的数 据量有了初步的认识,可以根据争用节点数目的多少选择下一个会话是继续采用时争用方 式还是采用随机争用方式。当采用随机争用方式时,每个节点有一个竞争指数,用来表示失 败的争用次数,初始值为。下图是随机争用方式。如果一个节点在整个争用窗口内都无 法成功的发送兴趣信息,则竞争指数的值增加。簇首节点可以根据接收到的兴趣消息中带有 的竞争指数的值获知网络的流量情况,由每个竟争指薮的值通过计算得出平均竞争指数值 中国科技论又在线 自适应争用口 会话过程 自這簇 应主 数据时隙据时踪|… 播 争用周期 数据传翰周期 空闲周期 图:随机争用方式 的大小来调整争用窗凵的大小。簇首在广播信息中把更新的争用窗凵大小广播出去,簇内所 有节点收到后会在下一会话中启用新的争用周期。 着眼于争用周期,中采用的是为簇内每一个节点分配一个时隙,如果仟一节点有 数据要发送就在其所分配的这个时隙内发送一个比特的控制信息给簇首,要是没有数据要 发送的话,就让该时隙空着,而我们采用的是自适应随机接入机制,而且我们考虑以下这 两种情形。 很多节点需要发送数据 只有很少部分节点需要发送数据 当簇内很多节点需要发送数据的时候,我们采用时隙争用,给每个争用节点分配一个时 隙,需要发送数据节点以单播的形式发送一个兴趣分组给簇首。如果非簇首节点想离开簇, 在其分配的时隙也可以不发送兴趣分组,转而发送一个离开信息给簇首,簇首会将这些消息 通过控制帧的方式传送到节点,节点会在其簇所在的链表中将该节点删除;当簇 内有很少节氐需要发送数据的时候,我们采用谁请求给谁分配争用方式,这和方式要比其它 竽用方式要好,因为固定时隙能够保证每个节点都可以成功的让簇首知道其有数据要发送, 而由于每个节点都分配了时隙,导致没有数据发送的节点也分配了时隙,从某种意义上来说 浪费了节点的不必要的资源(主要节点能量),采用固定时隙,当有很少的节点需要发送数 据时,在争用周期很多节点处于空闲侦听状态,浪费了节点的能量以及会使争用方式加大延 迟。请求预定分配方式使用的是随机接入,如果较多的节点要发送请求预定分组,由于冲突 的存在,势必有很多请求预定分组没有成功发送出去,而自适应调整请求预定分配,也只能 在随后的帧中逐渐改变争用周期的大小,增加了网终的延迟并且由于冲突的发生增大了能量 消耗。因此只有自适应随机接入适当的请求预定窗口才可以满足节点发送数据的需要。 结束语 本文通过能量不受限的节点对中各个簇的链衣进行管理,选择剩余能量最大 的节点担仼新·轮簇重组的簇首,由于簇首先择是基于最大能量的,而这些操作也是由能量 不受限的节点来做的,所以此过程使簇的簇重组次数大大减少,节约簇节点不必要的 能量消耗,而 协议有很大的能量开销主要是来自过多的簇重组,本人改进的簇首选 举只需要节点来指派,通过控制帧的方式传递到原簇首节点,由原簇首节点以广的 形式告知簇内的冬个节点,而这整个过稈的能量开销是相当小的,因此也貮意味着整个簇的 生命周期可以达到最大化;另外,通过根据不同的请求来自适应调整会话中的数据传输周期 的长度实现資源最优化,节省不必要网络的能量廾销,达到了网络生命周期的延长的目的。 中国科技论又在线 参考文献 宋文王兵周应宾无线传感器网络技术与应用北京电子工业出版社 彭静刘光祜谢世欢无线传感器络路由协议硏究现状与趋势计算机应用硏究 任代蓉雷霖易勇无线传感器网络的网协议与能量问题综述成都大学学报 孙勇景博等无线传感器网络分簇路由的能量冇效性研究计算机工程 作者简介王选政 男河南焦作人硕士硏究生主要研究方向为无线传感器网络张伟 男河南驻马店人硕十研究生辶要硏究方向为髙性能计算机网终张留敏 男河南巩义人硕士研究生主要硏究方向为髙性能计算机网络

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2019-08-16
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