论文研究-负载均衡的水声传感器网络多跳非均匀分簇路由协议.pdf

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针对现有水声传感器网络分簇路由协议在簇头选举阶段和数据传输阶段中的不足,设计一种负载均衡的多跳非均匀分簇路由协议(load-balanced multi-hop unequal clustering routing protocol,LBMUC)。该协议基于节点的剩余能量及相对距离,计算节点竞争半径和节点综合属性值,改进优化簇头选举,使得簇头节点分布更加合理,并得以随着剩余能量的变化自适应地调整簇的规模,有效均衡节点的能量消耗;在建立簇间多跳路由阶段,综合考虑节点剩余能量、位置及相邻簇的规模对路由选择的影响,引入中继节点代价函数选择最优中继节点,均衡节点能耗,延长网络生命周期,降低网络丢包率,
第3期 王鑫,等:负载均衡的水声传感器网络多跳非均匀分簇珞由协议 855 息,然后节点根据接牧到的信号强度计算与基站闰的距离。点,则候选簇头节点i竞争半径内的所有候选簇头节点均要退 2.1.1候选簇头选举 出簇头竞争。 1)节点综合属性值的计算 在 LBMUC算法屮,候选簇头节点讠的邻居节点集合N1定 根据节点剩余能量以及节点距离基站的距离计算节点的义8如下: 综合属性值U(i) N=|j是候选簇头,且d(i,)<mux(R,R;) (9) (i) d (i, BS) U(i)= m+(1-1(dm)Emn(i)≥En 2.1.3簇头选举 候选簇头选举完毕后,每个候选簇头节点随机生成一个 E。aat(i)<E (0,1)间的随机数,并与阈值函数r(n)进行比较。若小于,则 该节点当选为簇头;若大于,则退出此次竞选,成为普通节点 其中:Em()表示节点i的剩余能量;Eme表示当前网络中 阈值函数T(n)综合考虑了节点剩余能量。 所有存活节点的平均剩余能量:d(1,BS)表示节点i与基站间 的距离;d灬是网络中节点距离基站的最大距离;e(0,1),是 √2 E(i) G 加权系数。 T(n)=l-p(r mod) (10 节点综合属性值公式的设计主要基于以下考虑 n EG a)节点综合属性值公式中的第一项选择剩余能量较多的其中;p表示的是簇头数与网络中总节点数的百分比;7表示已 节点参加候选簇头选举。因为簇头节点需要转发成员节点数完成的轮数G是尚未当选为簇头的节点集合。在簇头选举 据,并且数据传输距离较远,需要较多的能量,所以能量因素需中,能量因素是首要因素,所以在原阙值函数后乘以能量参数 要首先被考虑到。 来权衡,而随着网络运行,节点能量越来越少,导致越来越少的 b)第二项选择距离基站较近的节点参加候选簇头选举。节点当选簇头,因此乘以来均衡。 因为水声环境下,数据传输能耗随着簇头与基站间距离的增大 在此过程中,成功当选为簇头的节点以R0为广播半径广 而急魍增加,所以簇头节点距离基站越近越好。 播此消息,以通知其邻居节点;接到此消息后,邻居节点退出本 c)临界值 lavEra是为了防止低能量节点成为侯选簇头。 次竞选,并同样以Rn为广播半径广播白身退出竞选的消息。 2)候选簇头的生成 簇头选举完成后,普通节点退出休眠模式,簇头向全网广 将节点i的综合属性值U(i)与U进行比较,其中,播自己克选成功的消息。根据接收到的信号强度,普通节点选 U。c是网络中所有综合属性值不为零节点的平均综合属性择加人距离最近的簇。 LBMUC非均匀分簇模型如图1所示。 值。若C(1)≥Um,节点i成为候选能头;若U()<Um,2.2簇间多跳路由的建立 则退出本次簇头选举,并进入休眠模式,直至簇头选举完成。 在 LBMUC协议中,簇内节点采用单跳的方式传输数据 由式(7)可知,利余能量越多,距离基站越近.节点的综合 而簇间采用多跳的方式传输数据。每个簇头节点从其候选屮 属性值就越大,成为候选簇头的慨率也就越大。通过候选簇头 继节点集合屮选择一个作为屮继节点,将数据转发至基站。本 选举,可以使一些低能量节点或距离基站较远节点提前退出簇 头竞争,提高高能量节点及距离基站较近节点成功当选簇头的 协议的屮继节点转发数据时不进行数据融合。 簇头s;的候选屮继节点集合定义如下 概率。 s:RN=s, I d(s;, bs)< d(si Bs 2.1.2计算节点竞争半径 在采用簇间多跳路由的分族网络中簇头节点距离基站越其中:d(s,BS)表示簇头。到堪站的距离;(,BS)表示簇头 近,需转发其他簇头节点的数据就越多,能耗就越大。为了平 到基站的距离。若s.RN是空集,则s:将数据直接单跳传输 衡簇头节点能耗,使靠近基站的簇几何尺寸较小,应在靠近基 至基站。 站的区域选举更多的簇头。因此,引入节点竞争半径函数R 山文献[1l]可知,若簇头成为簇头s的中继节点,并转 以控制簇头节点的分布 发簇头s的数据,则s和s的能量消耗由d(s1,s)+d2(s;, R,=(1-x(t-average-Ecarmn(i) dmax -d(i, BS) BS)决定。囚此,从SRN中选择d2(s:,s)+d2(s,BS)值最 (1-t) dmax -d))No(8 小的两个节点,引入中继节点代价函数在这两个节点中选择具 其中dm、dm分别为网络中节点距离基站的最大、最小距离;有最小代价的中继节点BN。代价函数定义如下: R0是预先定义的最大竞争半径;z∈(0,1),是自适应系数。 N(s, 节点竞争半径两数的设计主要基于节点剩余能量和位置 ruI(S (s,)x(s,BS)≤R 因索的综合考虑。在网络运行初期,节点初始能量相同,此时 d(s:, BS)>Ro 节点竞争半径由节点位置决定,距离基站越远,节点竞争半径其中:Emn(s)表示簇首节点s的剩余能量;Emn(,)表示簇 越大。随着网络运行时间的增加,各节点剩余能量存在差异,首节点S的邻居簇首剩余能量均值;d(s,s:)表示簇头节点 此时节点竞争半径应考虑节点剩余能量的影响,由节点位置和写簇头S之间的距离;是预先定义的最大竞争半径;(s) 剩余能量综合决定,使节点竞争半径可以随着节点剩余能量的表小簇头节点S的成员节点数;N(s)表小簇头节点s,的邻居 变化而动态地改变,防止远离基站的簇头一直维持较大规模的簇头的成员节点均值;β∈(0,1),是加权系数。因此,cost 簇,簇内通信开销过大,能量消耗更快,从而均衡网络生命周期(RN)= min cosl(i,j)},具有最小代价的节点即为簇头s的 内的总体能耗,延长网络生命周期。 中继节点。 在簇头竞争过程中,如果候选簇头节点i宣告当选簇头节 由式(12)可知,节点剩余能量越多,成员节点越少,则代 856· 计算机应用研究 第34卷 价函数越小,成为中继节点的概率也就越大 的生命周期为161轮,而 LBMUC协议的生命周期则为186轮 当每一个簇头节点均找到中继节点时,则簇间多跳路山建比前两者分别延长89.8%、15.5%。 立成功,如图2所示。随后,网络进入数据传输阶段。 表2具休显小了三种协议节点存活数随着运行时问增加 监测区域 监测区域 的变化情况。其中, Fairstead表示第一个死亡节点出现的轮 数, Twentydead表示20%节点死亡的时间, Fiftvdead表示50% 节点死亡的时间, Eightydead表示8%节点死亡的时间,All dead表示所有节点死亡的时间。 基站 基站 表2网络生命周期 LEACH DEBLC LBMUC ●簇首节点○普通节点 ●簇首节点○普通节点 Firstdcad 图1 LBMUC协议非均匀分簇模型图2簇间多跳路由 Twenties 代价函数的设计主要基于以下考虑 Fiftvdead 16 281 a)代价函数中的第一项选择剩余能量较多的簇头作为中 Fighrydead 继节点。因为中继节点需要进行簇闫数据转发,需要更多的能 Alldead 236 500 量,因此能量因素需要首先被考虑到。 LEACH协议采用随机分簇策略,簇头随机产生,没有考虑 l第二项选择成员节点数较少的簇头作为中继节点。因到节点剩余能量以及节点位置等因素,并且簇头与基站间采用 为中继节点需要进行簇间数据转发,需要较多的能量,而成员单跳通信方式,使得距离基站较远的簇头节点能量消耗过快而 节点数较少的簇头,用丁簇内通信的能量就较少,从而可以剩过早死亡,缩短网络生命周期。 余较多的能量进行簇同数据转发。 DEBUG算法将网络节点非均匀分簇,改进簇头竞争机制, c)临界值/。是为了防上距离基站较远的簇头(与基站距并采用簇间多跳路由的通信方式,延长了网络的生命周期。但 离大于Ra)直接发送数据至基站。 是DBUC节点竞争半径算法忽祧∫节点刺余能量的影响,单 3仿真实验及结果分析 纯地考虑单一的位置因素,导致节点竞争半径随着节点与基站 间的距离増大而增大,并且各节点的竞争半径在网络牛命周期 仿真实验采用 MATLAB进行仿真,重点针对网络生命周内不再改变,使远离基站节点的簇一直维持着较大规模,簇内 期、网络的稳定性、节点的平均剩余能量以及网络的丢包率等通信开销过多,能量消耗更快,缩短了网络生命周期。 方面进行仿真实验,并与 LEACH和 DEBUC协议进行性能 LBMUC算法在 DEBUC算法非均匀分簇和簇间多跳路由 比较。 的思想基础上,综合考虑了节点能量和节点位置等因素,改进 本文针对水声传感器网络,因此在1000m×100m的网了头竞争机制,均衡∫簇间通信代价和簇内通信代价,有效 络区域内随机分布100个传感器节点,数据包长度1200bi,地均德了网络能耗,并且针对D上BUC竞争半径算法的不足 节点初始能量800J,其体仿真参数设置如表1所示。 引入节点剩余能量作为竞争半径算法新的参数。由式(8)可 表1仿真参数 知,在网络运行初期,节点能量充足,此时,E与E;近似相 参数名称 取值 等、所以节点竞争半径主要由节点位置决定,距离基站越远,节 基站位置 点竞争半径越大。随着网络运行时间的增加,节点能量降低 (1050,500) 带宽kHz Eam与E的关系不停地发生变化,节点竞争半径则由节点位 数据能被接收的最低功率P(J/b)5×10-3 置和剩余能量共同决定。当Eama<F2吋,节点竞争半径减 接收功率P/(Jb) 小;反之,增大。这使得节点的竞争半径随着节点剩余能量的 融合功率E(J/b) 5×10-4 变化而动念地改变,网络中的簇得以自适应地调整,从而均衡 最大竞争半径R0/m 网络生命周期内的总体能耗,延长了网终的生命周期。 簇首比例P 3.2网络的稳定性 0.5,0.5,0.5 由图3可以看出,在节点全部死亡前,网络的规模大致不 0.6 变,表现出良好的稳定性。在拓扑结构固定的情况下,簇头节 3.1网络的生命周期 点个数的波动范围大小是影响网络稳定性的重要因素。 图4是三种协议簇头个数变化情况。 网终生命周期是影响水声传感器网络性能的一个重要指 标。图3是三种协议之间的生命周期比较。 1,[盟 从图3中可以看出, LBMUC协议第一个死上节点的出现= 8 轮数明显迟于 LEACH和 DEBUC协议。随着曲线的变化,在20 仿真时间相同的倩况下, LBMUC协议的节点存活数一直大于 LEACH和 DEBUC协议。当节点全部死亡时, LBMUC协议的 与母司 100200300400500 100200300400500 网络生命周期比 LEACH和 DEBUC协议的生命周期分别提高 仿真时间麾轮 仿真时间轮 了264轮和117轮。若以第一个死亡节点的出现轮数算作网图3三种协议的生命周期比较图4三种协议簇头个数变化范围 络的生命周期, LEACH协议的生命周期为98轮, DEBUC协议 从图4屮可看出,在第一个死亡节点出现前, LEACH协议 第3期 王鑫,等:负载均衡的水声传感器网络多跳非均匀分簇珞由协议 857 的簇头个数变化波动最大,变化为[4,12]; DEBUC协议的簇头路山机制,均衡了网络开销,降低了通信损耗,并且 LBMUC协 个数变化为[5,9],网络稳定性有了明显的提高; LBMUC协议议在簇头竞争阶段就优先排除了低能量节点当选为簇头的可 簇头个数变化较为稳定,变化为[3,9]。 LBMUC与 DEBUC协能性,进一步降低了网络的丢包率。 议在非均匀分簇的基础上,优化了簇头选举机制,均衡了簇头 的能量消耗,使簇头分布更加合理,因而网络的稳定性更好。4结束语 3.3节点的剩余能量 为了改善现有水声传感器网络中能耗不均衡的问题,本文 图5是三种协议节点平均剩余能量。从图5中明显可以设计了一种负载均銜的多眺非均匀分簇路由协议BMC。仿 看出, LBMUC协议节点剩余能量损耗得最慢,能量利用率最真实验证明,相比 LEACH和 DEBUC协议, LBMUC协议有效延 高;其次为 DEBUC协议,而 LEACH协议的能量利用率最低。长了网络生命周期,提高了能量利用率,降低了网络丢包率,达 LEACH协议采用随机分簇的策略,簇头随机产生,宁致簇到了设计的效果。但是在仿真实验中也出现了簇头节点到基 头分布不合理,增大了网络开销;同时,簇头采用单跳通信的方站间的丢包率提高的现象,且稳定性虽优于 LEACH协议,但 式向基站传输数据,使得远离基站的簇头节点消耗能量过快。相对于 DEBUC协议仍未有提高。针对上述问题,未来工作将 DEBUC协议虽然通过将网络节点非均匀分簇,建立簇间进一步改进 LBMUC协议,使其具有更好的效果。 多跳路由,均衡了簇头的能量消耗使其能量利用率与 LEACH参考文献 相比有了明显的提高,但是 DEBUC协议中,远离基站的簇头 直维持着较大规模的簇,簇内通信开销过大,能耗难以均衡。 T I Zhang Song, Li Deshi, Chen Jian. A link-state based adaptive feed back routing for underwater acoustic sensor networks[ J.IEEE Sen 而 LBMUC协议综合考虑了节点剩余能量和节点位置因 sors journa,2013,13(11):4402-4412 素对网终性能的影响优化竞争半径算法,均衡了网络开销,提「21 Yu haitao, Yao Jianmin, Liu jun. An adaptive routing protocol in 高了网终的能量利用率。 underwater sparse acoustic sensor networks[ J]. Ad Hoc Networks 800 2015,34:121-143 [3 Jannu S, Jana P K. Energy efficient unequal clustering and routin 把500 Igorithms for wireless sensor networks[C]//Proc of International 400 Conference on Advances in Computing, Communications and Infor 200 latics.2014:2091-2097. 0100-203004050 [4 Kumar D, Aseri T C, Patel R B. EEHC: energy effic ient heterogene 仿真时间/轮 ous clustered scheme for wireless sensor networks[ J]. Computer 图5三种协议节点剩余能量 Communications,2009,32(4):662-667 34网络的丢包率 5 lleinzelman W R, Chandrakasan A, Balakrishnan ll. Energy-effi cient communication protocol for wireless microsensor networks[C// 随着网络运行时间的增加,网络中开始出现死亡节点或能 Proc of the 33 rd Annual Hawaii International Conference on System 量较低的节点,此时,该节点无法接收成员节点已绎向其发送 ScIence=.2000:1-10 的数摒包,或无法将接收到的数据包传输到基站,导致数据包[6]HaiU, Ramachandran B, Johnson L. An unequally clustered multi 夭失。而当网络中存在大量能量过低的点时,丢包率就会急 hop routing protocol for wireless sensor networks[ C//Proc of Inter- 剧上升,降低网络的性能 national Conference on Advances in Computing, Communications and 图6是种协议网络丢包半对比和种协议网络运行期 Informatics 2013: 1007-I01 间接收到数据包息数对比。从图6中可以看出, LBMUC协议7 Aierken N, Gagliardi R, Mostarda l, el al. RUHEED-rotated une 的网络丢包率明显低于 LEACH和 DEBUG协议的丢包率。 qual clustering algorithm for wireless sensor networks [C]//Proc of LBMUC协议的丢包率为0.71, DEBUC协议的丢包率为1.01 the 29th International Conference on Advanced Information Networ king and Applications Workshops. 2015: 170-174 LEACH协议的丢包率为2.45,相比于 LEACH和 DEBLO,LB- [8〗蒋畅江,石为人,唐贤伦,等.能量均衡的无线传感器网络非均匀 MLC协议的丢包率分别降低了71.0%、29.7%。 分簇路由协议[J].欤件学报,2012,34(5):1222-1232 [9 Afsar MM, Younis M. An energy-and proximity-based unequal clus- tering algorithm for wireless sensor networks C]//Proc of IEEE Con ference on Local Computer Networks. 2014: 262-269 [10 Selvi G V, Manoharan R. Unequal clustering algorithm for WSN Lo prolong the network lifetime UCAPN)[C]//Proe of International Conference on Intelligent Systems. 2013: 456-461 100 00400500 100200300400500 仿真时间轮 仿直时间轮 [11]李成汏,陈贵海,叶懋,等,一种基于非均匀分簇的无线传惑器网 (a)网络丢包率对比 b)接收到的数据包总数对比 络路由协议[J].计算机学报,207,30(1):27-36. 图6三种协议的网络丢包率和接收到的数据包总数对比 [12]沙娓娓.基于能量优化的永下元线传感器(浮漂式)冈络的路由 LEACH协议的随机分簇策略,使具冇低能量的节点能够 选择研究LD」.昆明:昆明理工大学,2014 当选为簇头,并且单跳的路由机制,加大了簇头的能量开销,导「13]肖扬.水下声传感諾闷络「M].颜冰,刘忠,罗亚松,等译.北京:国 致网络丢包率的提高。 DEBUC和 LBMUC协议使用簇间多跳 防工业出版社,2012

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