论文研究-无线传感器网络中基于簇的混合式路由协议 .pdf

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无线传感器网络中基于簇的混合式路由协议,谢利强,张宇,提出一种以数据为中心的路由协议算法 THRL,在OMNeT 上进行仿真验证,并将其与传统路由协议进行比较。通过比较得出,在相同条件下,
山国武技论文在线 100m//bti1m。 Radio在没有数据发送或接收时可以关掉。我们还假设信道传输过程中的能量损失与严成正 比(其中〃为天线发射半径)。因此, Radio将kbit信息传输距离ad处的能耗为: (k,=E(1)+E(,a) Er (k, a)=eel *k+em*h*f 接收这一信息的能耗为: Ee (k)=ERreecck) Er (=eolo.sk 从上式可以看岀,接收所消耗的能量也是不小的开销,因此我们在计算整个网络能耗时 应该把接收能耗计算在内 4. TERL 4.1由于在 LEACH中所有簇头节点要与Sik直接通信,因此,距离Sink较远的簇头会 很快耗尽它们的能量。同时,簇建立完成后,簇成员要定期在属」自凵的时隙中发送数据给 簇头,而不管节点本身是不是有数据要发送,这会造成不必要的浪费,同时,大量数据定期 的发送会造成能量的浪费,而有些数据并不一定是用户所关心和需要的! 对」TEEN,尽管增加了硬门限和软门限,较好的减少了网络中数据传送的数量,但同 时又产生了另外一个问题:即有节点在失效后并不被网络中其他节点知道。 而 Directed diffusion是在用户需要时,通过sink发出一个“兴趣”消息。这种路由协 议参与路由的节点数目多,且在广播“兴趣”时,需要全网参与,反而耗费了额外的能量、 另外,数据的发送取决于Sink发送“兴趣”的频度。对」吋间要求比较严格的应用, Directed Diffusion并不适合! 4.2在综合 LEACH和 Directed diffusion两种协议的优缺点并吸收TEFN的优点,我们提 出了一种基于簇的先验混合式路由协议:THRL。它主要分为三个阶段: ◆成簇阶段 ◆“兴趣”广播阶段 ◆数据发送阶段 下面将详细介绍。 ■成簇阶段 在成簇阶段,首先运行传统的 LEACH协议:节点检查自身在过去的1/p-1轮是否成为 过窾头,没有的话产生随机数并与T()比较,参见等式(1)。簇头选举完成后,簇头厂播 ADV信息给邻居节点,邻居节点以RQ信息回复簇头并加入该簇。同时,每个非簇头节点 维护一个定时器,超时后,如果仍没有收到ADⅴ信息,将选举自己为簇头。 成簇完成后,将进入“兴趣”广播阶段。 ■“兴趣”丿播阶段 网络成簇阶段完成后,Sink节点广播一个 Interest-ADV信息,此信息仅在簇头间传递 网络中的每个簇头都会维护一个“兴趣缓存”( interest buffer),在接收到一个 interest-ADV 信息时,首先检査是否曾经收到同一信息、,是的话丢弃,否则转发这一消息,并更新“兴趣 缓存”。簇头间的洪泛完成后,每个簇头都有至少一条到达Sink的路径 每个簇头从自己保存的梯度信息中选择梯度最人的一条,回复一个 interest-REQ信息给 Sink,Sik在接收到网络中各个簇头发送回来的 interest-REQ信息后,就掌握了当前轮 ( round)中全网的信息。由于 nterest-ADⅤ和 mterest-REQ信息都很短,且参与传输发送的 节点仅限于簇头,而簇头数目与网终中节点总数比起来要小得多,因此,这一过稈消耗的能 量很少。 数据发送阶段 路径建立亢成后,网络进入数据发送阶段。这时,Sik节点可以定期或者不定期(根 据用户需要而定)的发送 interest-DATA杏询信息。这一消息含有日标任务,任务持续时间, 目的区域等信息。如卜图所示: 叩国翻技记文在线 temperature nstance 1001 location =[125, 200 timestamp- 01: 06: 10 山于此前Sink掌握全网信息,因此,这一消息可以单播出去,而非像 Directed diffusion 中那样每次査询都要广播。目的区域的簇头在接收到 interest-DATA消息后,将木簇中产生 的数据融合,并发送给Sink。这样,由于查询信息的发送频度与用户需求有关,可以大大 减少网络中不必要数据的传送。减少了能量的消耗 同时,为了保让网络在监测区域有突发性事件发生时,能够及时的将这一信息反馈给远 端的用户,我们在每一个节点的传感模块增加了两个门限值:硬门限(I)和软门限(ST) 阳。如果监测对象感知值变化人于硬门限或者其相对变化值人于软门限,节点就会被触发。 廾始向上一级发送数据,直至Sink,这样乂保让了数据的及时性。另外,由于簇头处拥有 到达Sink的条梯度最大的路径,因此避免了新·轮的广播,有助于节能。 5.网络仿真和分析 网络仿真基」 OMNET++平台,它是一个面向对象的模块化离散事件网络仿真工具 OMNeT t仿真环境主要冇CH和NED两种分工不同的开发语言,C+语言实现简单模块的 功能,NED语言则用来定义网络模型的结构。 仿貞场景设置如图1所示:假设网终中有100个节点,随机的部署在个1000×1000 的场景中,Sink节点位于场景外,距场景的距离为100。所有节点初始吋能量相同 仿真启动后,开始执行选举簇头及成簇过程,结果如下图所示 93 350 5 14 300 9 50 移3 33 9 2 13—54 4 150 -45 3 100 423 3 7下 2 78 85 73 42 8 4 图2网络成簇情形 成簇完成后,廾始进入数据发送阶段。在此,对」我们的仿真,我们假设监测对象为不同区 域中环境温度的随机变化,温度被设计为在0F到200F间随机变化。并且,硬门限(HI) 取变化区域的中间值,即100F。而软门限(ST)则设为2F。Sik周期性地发送 interest data 查询消息(实际应用时并不一定如此,在此这样设置只是为了更好地与 LEACH和 Directed Diffusion在相同条件卜比较)。 山国技文在线 最后的输出文件通过 Matlab画图进行分析,如下图所示: Directed Diffusion ---.-THRL 70 DIITINioI L卫ACT 0 003004 500600700800 1000 Ime 图3THRL与 LEACH和 Directed diffusion协议在不同时间刈终中节点生存数量情况比较 6.结束语 本文首先分析了无线传感器网络路由协议的研究现状,进而提出了一种基于分簇结构的 混合式路由协议,并通过仿真验证了它较之传统的路由协议所带来的能耗有效性的改善。 IHRL是一种可以对网络应用变化迅速做出反应同时又能根据用户需求而减少网络中数据 的传递的协议。同时,可以根据网终拓扑在节点密度较高时周期性关掉部分节点以延长网络 寿命 但是THRL对于节点移动较频繁的网络并不适应,在节点频繁移动情况下,网络拓扑 会随时改变,因此,如何在网络拓扑频繁变化情况下实现较高的能耗有效性成为下一步的硏 宄课题。 参考文献 Communication Protocol for Wireless MicroSensor Networks [J]. IEEE Proc. Hawaii Int(+ l1 W Rabiner Heinze I man, Anantha Chandrakasan, and Hari Balakri shnan. Energy-Etficier Conf. Sys. Sci, Jan. 2000, pp 1-10 L2 C Intanagonwiwat, R Govindan, and D. Estrin. Directed Diffusion: A Scalable and Robust Communication Paradigm for Sensor Networks []. Proc. ACM MobilCom 00, Boston, MA, 2000 pp,56-67 [3]I Akyildiz, W. Su, Y. Sankarasubramaniam, and E. Cayirci. A Survey on Sensor Networks U]. IEEE Communicati [4]A. Manjeshwar and D. P. Agrawal. TEEN: A Routing Protocol for Enhanced Efficiency in Wireless Sensor Networks [J]. IEEE 0-7695-0990-8/01/$10. 00(C)2001 [5] C Intanagonwiwat, R. Govindan, D. Estrin, J. Heidemann and F. Silva. Directed Diffusion for Wireless Sensor Networking [J]. IEEE/ ACM Transactions on networking, vol, ll, NO, 1, February 200 [6]A Manjeshwar and D. P. Agrawal. APTEEN: A Hybrid Protocol for Efficient Routing and 山国羁技论又在线 Comprehensive Information Retrieval in Wireless Sensor Networks [J]. IELE 1530-2075/02 $17.00,2002 [7 A Varga. OMNeT++ Discrete Event Simulation System Version 3.2 User Manual [M wW omnetpp. org. 2005. a Transcendent Hybrid Routing protocol in Wireless Sensor Networks Xie Liqiang, Zhang Yir, Wu muqing I School of Telecommunication Engineering, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing, PRC,(100876) 2 France Telecom research development-Beijing, (100080) 3 Beijing University of Posts and Telecommunications, Bejjing, PRC, (100876) Abstract In this paper, a data-centric routing protocol model is built, then the model is verified and analyzed on the OMNeT++ simm lat ion platform, and the performence of our new model is compared with the traditional routing protocols such as LEACH and Directed Diffusion. It can be shown that the new routing protocol can save energy and prolong the lifetime of large-s caled, when meetting the time request ofusero Key words: Wireless sensor network( Sw); hybrid routing protocol OMNeT++; cluster: threshold 作着筒介ε谢利强,男,1982年生,硕士生,研究领域为宽带接入与宽带交换技术。

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