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基于占空比的分布式能量中性分簇路由协议.docx
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基于占空比的分布式能量中性分簇路由协议.docx
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1. 引言
传统 WSN 中的传感器节点由电池供电,在电池供电的无线传感器网络设计中,能耗
仍然是关键挑战
[1]
.以延长网络生存期为目的的分簇路由协议仍是重点研究方向.能量收集是
一种针对网络生存期被引入无线传感器网络的技术.它为传感器节点配置环境能源收集装
置,节点可以将太阳能、风能等环境能源转化为电能供自身使用.该技术可以极大地延长无
线传感器网络的寿命并提升网络的吞吐量.
基于分簇的网络组织方式可有效延长网络寿命,LEACH 是一种最常用的节能分簇路
由协议.该协议中簇头创建 TDMA 帧,为成员节点分配时隙传递信息,节点轮流竞选簇头.
但是 LEACH 协议并没有考虑能量获取无线传感器网络(Energy Harvesting Wireless Sensor
Network,EH-WSN)
[2]
中能量获取的因素.不过 LEACH 协议启发了分簇路由协议的发展,
以 LEACH 为基础应用于 EH-WSN 中的协议也应运而生
[3-5]
.
当节点将收集的环境能量作为唯一供给时,为了获得无限长的网络生存期,节点或网
络在一段时间内消耗的能量必须少于其收获的能量,这种工作状态称为能量中性
[6][7]
.本文
提出一种基于占空比的分布式能量中性分簇路由协议(Distributed Energy Neutral Clustering
Protocol based on Duty Cycle,DENDC),适用于 EH-WSN.协议规定每个周期网络消耗的能
量都小于网络收获的能量,以此构建网络中性约束.DENDC 协议设计两个占空比平衡节点
能耗,保证能量中性.
2. 系统模型
2.1 网络模型
假设网络区域是边长为 M 的正方形,内部随机部署 N 个的传感器节点.本文的目标是
在网络区域中选出一组最佳簇头,并形成集群,保持网络的能量中性.成员节点必须能够单
跳与簇头节点通信.
2.2 能耗模型
在无线传感器网络中,数据传输的能耗与两个通信节点的距离成正比.本文采用文献
[8]提出的能耗模型,节点发送 l bit 数据需要消耗的能量为:
Etx(l,d)={lEelec+lεfsd2lEelec+lεampd4d<d0d≥d0Etx(l,d)={lEelec+lεfsd2d<d0lEelec+lεampd4d≥d0
(1)
式中,E
elec
是发送电路、接收电路发送或者接收 1 bit 数据所消耗的能量;d 是数据传
输的距离.ε
fs
和 ε
amp
分别是自由空间传播模型和多经衰落传播模型对应的放大特性常数.d
0
是
两种信道的距离阈值,计算公式如下:
d0=εfsεamp−−−−√d0=εfsεamp
(2)
节点接收 l bit 数据需要消耗的能量为:
Erx(l)=lEelec+l(1b−1)EDAErx(l)=lEelec+l(1b−1)EDA
(3)
式中,(1/b-1)E
DA
为融合 1 bit 数据消耗的能量;b 为融合系数.当 b=1 时,表示节点没
有融合数据.
2.3 能量收集模型
假设所有传感器节点均可获取太阳能供自身使用.在一天中,太阳辐照强度随时间变化
而变化,但是在半小时内可认为太阳辐照强度保持不变
[9]
.本文采用基于天气条件的移动加
权平均算法(Weather-Conditioned Moving Average,WCMA)预测未来给定时间内的平均太
阳辐照强度 I
O
.所有传感器节点都暴露在相同强度的太阳辐照下,但是每个传感器节点都有
不同的能量收获效率 e
i
∈[0, 1].为了创建一个更现实的场景,设定由物体(例如云、树木)产
生的阴影会通过均匀分布的随机不透明因子 φ
i
∈(0.5, 1]降低太阳辐照强度.因此,节点 i 能
量收获能力 η
i
表示为 η
i
=φ
i
ζ
i
e
i
I
o
.其中 ζ
i
表示节点 i 的太阳能电池板尺寸.在较长时间内,节点
i 平均能量收获能力为 η
i
=φ
i
ζ
i
e
i
I
O
.最后,网络中所有节点的平均能量收获能力为
η
total
=0.75ζeI
O
,其中 ζ 表示平均节点太阳能电池板尺寸,e 表示平均节点能量收获效率.
3. 占空比设计
基于占空比的任务循环可以让节点交替工作和睡眠,是传感器网络中一种主要的节能
方式.本节主要研究节点的占空比设计,通过占空比调节节点的工作状态,保证网络维持能
量中性状态.
3.1 簇头占空比设计
与 LEACH 协议每轮随机选择簇头节点的方式不同,在本文中,节点竞选簇头遵循簇
头占空比(Cluster head Duty Cycl).网络运行一个周期称为一轮,DC
CH
(i)是节点 i 的簇头占空
比,表示该节点在未来 L
T
轮内成为簇头的频率.L
T
定义为可预测节点平均收获能量的最大轮
数,L
T
轮称为一个回合,T 为无线传感器网络一轮的时长,即 L
T
T=30 min.例如,如果
DC
CH
(i)=3,表示节点 i 每三轮当选一次簇头节点.为了最大程度体现节点能量收集效率,节
点在簇头占空比开始时认为自身的剩余能量为 0,经过每轮积累能量,达到簇头占空比时
竞选簇头.如果节点没有当选簇头,则占空比计数值保持不变,下一轮可以继续竞争簇头节
点.平均能量收获能力改变后,节点将重新计算未来 L
T
轮内当选簇头节点的频率,计算公式
如(4)所示:
DCCH(i)=⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪ceil(EmCHLTηi¯¯¯¯TαCHLT)1EmCHLTηi¯¯¯¯TαCHLT≥1EmCHLTηi¯¯¯¯TαCHLT<1DCCH(i)={ceil(ECHmLTηi¯TαCHLT)ECHmLTηi¯TαCHLT≥11ECHmLTηi¯TαCHLT<1
(4)
式中:
αCH=EmCHkη¯totalTNαCH=ECHmkη¯totalTN
(5)
式中,E
CH
m
是簇头节点一轮消耗的平均能量;α
CH
是节点每轮分配给簇头的能量占每
轮收集能量的比例,α
CH
∈[0, 1];k 是网络中簇头节点的数量.k/N 表示网络中簇头节点的比
例;η
i
Tα
CH
表示成员节点一轮结束时的剩余能量.集群中,簇头节点将每轮平分为 L
r
个时隙
供成员节点向其传输数据,T
s
为一个时隙的时长,则 T=L
r
T
s
.如果每轮 η
i
Tα
CH
>E
CH
m
,则该
节点的 DC
CH
取最小值 1,表示该节点每轮都有足够的能量争当簇头节点.ceil(x)表示返回不
小于 x 的最小整数.每个回合开始时,节点使用簇头占空比计数器来确定其占空比是否到
来,该计数器在一轮结束后自动加 1,直到计数值 DC 为 DC
CH
.此时节点满足簇头占空比,
可以参与竞选簇头.如果节点满足簇头占空比却并未成为簇头节点时,簇头占空比计数值
DC 保持不变,该节点下一轮仍可继续竞选簇头.节点在担任簇头一轮后将 DC 重置为 1.如
果节点没有足够的能量争当簇头,则本轮继续成为成员节点,因此,节点在给定周期没有
成为簇头的可能性为 DC/DC
CH
.
3.2 网络能量中性约束
对于单个节点,DC
CH
轮中节点可以保持能量中性.在无线传感器网络中,集群数量对
网络的吞吐量和生存期都有不同影响.设定每个集群只有一个簇头节点,即集群数量等于簇
头节点数量.假设数据包在传输的过程中没有丢失,定义数据包到达速率为
ρ (packet/second),数据包长度用 h 表示,则 TDMA 帧最大持续时间为 T
f
max
=1/ρ,簇头节点
最小数量为 k
min
=ceil(NT
S
/T
f
max
).另外,基站可分配的正交信道的数量定义了群集的最大数量
k
max
.集群数量超过 k
max
时,簇头节点向基站发送信息会发生冲突.因此,簇头节点最佳的数
目 k
opt
∈[k
min
, k
max
].协议需要保持每轮网络能耗 E
net
m
小于所有节点一轮收集的总能量 E
net
har
.首
先需要计算一轮中簇头节点消耗的平均能量,如公式(6)所示:
EmCH=Nf(EBStx+(Lc−1)ECHrx)ECHm=Nf(EtxBS+(Lc−1)ErxCH)
(6)
式中,L
c
是集群平均节点数量,也是一个 TDMA 帧中的时隙数,L
c
=N/k.N
f
是一个周
期中 TDMA 帧的平均数量,N
f
=L
r
k/N.E
rx
CH
是簇头节点在一个时隙中接收数据消耗的能量,
E
rx
CH
=E
rx
(ρT
s
h).E
tx
BS
是簇头节点在一个时隙中发送数据消耗的能量,表示为:
EBStx=Etx(ρa(Lc−1)Tsh,dCH−BS)EtxBS=Etx(ρa(Lc−1)Tsh,dCH−BS)
(7)
式中,d
CH-BS
是网络中簇头节点到基站的平均距离.在 TDMA 帧中,簇头节点将前 L
c
-1
个时隙分配给成员节点用于向自己发送数据,最后一个时隙用于其向基站传递信息.根据文
献[1],网络中节点分布均匀时,d
CH-BS
=M2/2π−−−−−−√M2/2π,簇内成员节点到簇头节点
的平均距离为 d
CM-CH
=M2/2πk−−−−−−−√M2/2πk.其次需要计算每轮集群中所有成员节点消
耗的能量 E
CMS
m
,如公式(8)所示:
EmCMS=Nf(Lc−1)ECHtxECMSm=Nf(Lc−1)EtxCH
(8)
式中,E
tx
CH
是成员节点一个时隙向簇头节点发送数据消耗的平均能量,
E
tx
CH
=E
tx
(ρT
s
h, d
CM-CH
).假设每个成员节点都充分利用分配的时隙传输数据.公式(9)给出了一个
周期的网络能耗:
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