非均匀网格协调路由在无线传感器网络中

文摘

非均匀网格协调提出了无线传感器网络路由设计。的条件导致网络分区,分析能源消耗,延长了网络的生命周期进行了研究。我们专注于实现路由在人口密集的传感器网络。通过保持常量值等参数的路径损耗指数,接收机灵敏度和传输能量,均匀和非均匀网格之间的不同,我们观察能源消费模式为每个网格从网络结构和推断一生适合网格均匀和随机部署的传感器节点。

1。介绍

无线传感器网络,特设网络的一种形式,是独立的传感器节点组成的无线网络,相互通信通过无线链接。在传感器网络中每个节点由一个中央处理器,内存,一个无线电频率(RF)收发器,和一个电源,通常一个电池。

传感器网络中高效路由协议可以帮助减少每个节点上的负载,并通过网络通信开销。传统的路由协议旨在寻找最优路线网络中的每台主机和不适合特设网络。移动ad hoc网络(MANET)工作组已经形成在因特网工程任务组(IETF)开发一个基于ip协议的路由框架特设网络(1]。这些特定的路由协议分为表驱动和按需协议。

表驱动协议,如Destination-Sequenced距离向量路由(DSDVR) Clusterhead网关切换路由(CGSR)和无线路由协议(WRP),需要使用路由表在每个节点跟踪路线不同的节点,利用周期性广播定期更新(1,2]。他们有利的路线可在需要时,这一事实,没有经历过推迟到可以确定的路线。然而,表驱动算法不适合自配置移动ad hoc网络的大多数网络容量消耗在维持当前的路由信息。另一方面,随需应变的算法,如临时按需距离矢量路由、动态源路由(域),暂时命令路由算法(托),Associativity-Based路由、和信号稳定路由,不维护路由表但使用程序来识别路线,需要传输的信息来源到目的地(1]。因此,按需路由协议更适合移动无线传感器网络自配置。

针对无线传感器网络的需求,提出了新的协议以满足无线传感器网络的需求,如洪水(3,闲聊4),传感器通过谈判协议信息(旋转)5,6],定向扩散[5- - - - - -7低能量的自适应聚类层次结构(LEACH) (5,8),功耗小聚集在传感器信息系统(pegasi) [9),地理和能源意识到路由(齿轮)10]。

在无线传感器网络中另一个重要方面是节点的电池寿命。无线传感器网络中能源效率是一个关键的挑战和能源消耗是由节点保持积极和运行所需要的能量。几种能源保护机制提出了延长网络的生命周期,如跨度(11),地理适应性富达(GAF) [12),稀疏的拓扑和能源管理(茎)13),自适应自配置的传感器网络拓扑(提升)14],基于集群的节能(CEC) [15),自适应富达节能算法(AFECA) [15]。也提出了几种拓扑结构节能在传感器网络包括集群,链接,电网和扩散,适应整个传感器网络路由数据包。这些拓扑的方法、基于网格的方法,在GAF算法,提出更适合传感器网络,由于网格拓扑可以动态地配置节点的配置。

在[16),作者探索基于网格协调路由在无线传感器网络中。底层的路由协议是基于洪水,但与洪水、基于网格的协调路由到达只有选定的节点。传感器节点随机部署在传感器领域,和整个领域分为平方形状的网格,由用户定义的大小。一个节点在每个网格是当选为协调器节点,实际上参与路由过程,而残余节点功率无线电来节约能源。源洪水网络查询信息协调员。当消息到达汇聚节点,汇聚节点将信息通过跟踪路线发送回源节点。这一过程持续进行直到一个协调器节点能量耗尽的路线。网络中的节点分配id。协调器节点当选基于id。网格中的最高的节点ID当选协调员。 If this node runs out of energy, the next highest node is elected as coordinator. New coordinators are elected to replace nodes that run out of energy. The process continues till the network is partitioned, and the connection between the source and sink is lost. This scheme employs load balancing to keep the nodes running for a long time. In [17),指导电网拓扑结构提出了从源节点到汇聚节点。这个网格构造的源和汇节点之间的对角线。在这里,网络中的节点可以移动,因此网格的拓扑变化根据源的位置和水槽节点。参数确定网格之间的距离是平均传输成本,与先前的计划。选择一个网格节点有两个标准:距离理想网格节点的位置和剩余功率。成本参数被定义作为选择一个网格节点的度规。下一跳是由节点和成本参数的最小值。有两个这个计划的贡献;即k最优网格距离来源于传输成本的观点。同时,路由方案可用于一个水槽和单个或多个来源。 In [18),提出了基于网格的路由的概念,基于网格的路由的不同,提出了不同的环境。作者认为,基于网格的路由需要尽可能少的网格参与同时确保网络连接。认为保持网络连接到一个节点每网格必须保持活跃。这是反驳的观点很大程度上降低了电网的子集仍然可以保持相同的覆盖程度。

因此,本文提出基于网格的路由方案的变体,减少网格的数量,需要支持路由同时支持网络连接。同时,作者证明对角路由与不同的网格边长优于直线路由。上述基于网格的计划是很常见的,他们提出的路由方案,统一的网格结构。在[19),提出了一种非均匀网格结构的GAF协议,通过推导最优之间的关系网络中广播范围和交通。最低能源消耗特性范围不是一个常数,而是随流量的数量。最佳射程增加随着加载流量减少。节约能源通过无线电范围调整,网络分为大小不同的部分根据派生的交通关系。网格部分的数量不是一个自由参数的的功能大体评定量表的协议。作者表明,降低能源消耗是通过非均匀网格虚拟路由,而值均匀网格。

本文的其余部分组织如下。部分2定义问题和目标追求。部分3描述我们的非均匀网格的路由协议。部分4提供模拟和结果对各种非均匀网格结构,统一的网格结构,算法和传统的洪水。最后,部分5总结了纸。

2。问题定义

2.1。问题陈述

传感器网络很容易部署和使我们能够远程监控难以接近的区域。传感器网络构成的主要挑战是资源的浪费使用。一旦部署,传感器节点仅电池操作和自我组织和处理信息。重要的是要保持节点尽可能长时间地启动和运行。因此,在传感器网络能耗成为一个严重的问题。在[20.),作者承认网络分区是传感器网络的一个主要问题。在[16),网络分区被定义为一个事件时,源节点和汇聚节点相连。因此,我们定义了网络分区之间没有建立通信链路时,源节点和汇聚节点。损失的源和汇节点之间的通信是筋疲力尽的结果网络中传感器节点的电池寿命(16]。因此,网络分区直接影响网络中节点的能量消耗。

2.2。动机

无线传感器网络是无线网络的空间分布式传感器,应对任何物理或环境条件的变化。传感器节点收集信息对其周围环境的变化,过程中收集的信息,与它的邻居。能源消耗是一个非常重要的问题为每个节点部署无线传感器网络的生命周期经营能力有限,节点无线传感器网络的生命周期的影响。如果每个节点直接传输到目的地,它消耗的电量为每个传输会完全剥夺了节点的能量。因此,直接传输时有益的目的地是在一个有限的覆盖范围。

多次反射的方式传输数据包,其中消费的权力可以共享到网络中的所有节点,提高了网络的生命周期。每个节点控制的传动功率和自组织网络拓扑控制它的覆盖范围。网络拓扑因此可以动态地改变按照相邻节点。在多次反射传输中,中间节点的选择不仅是通过考虑最短路径可能还考虑到潜在的中间节点的残余力量。这是很重要的,因为选择相同的中间节点通常会导致消耗的中间节点能量,导致节点死亡,反过来,减少网络的生命周期。因此,关注网络寿命,已研制出许多拓扑路由数据包从源节点到目标节点。

各种拓扑采用传感器网络路由数据包的网格,集群中,链接,扩散。其中,网格方法是最有益的,因为网格的拓扑可以动态配置的源和汇节点。同时,源和目的地之间存在多条路径,使的选择转发路径和中间节点灵活。网格方法是为了实现网络中节点等效和实现最初在GAF和跨协议(17]。

2.3。客观的

本文研究了条件导致网络分区并分析能耗延长网络生命周期。我们专注于实现在一个人口密集的传感器网络路由。通过保持常量值等参数的路径损耗指数,接收机灵敏度,传输能量,均匀和非均匀网格之间的不同,我们观察能源消费模式为每个网格从网络结构和推断一生适合网格均匀和随机部署的传感器节点。

2.4。贡献

本文的主要贡献有:

(我)设计和实现一个非均匀网格与不同类型的非均匀网格的路由;(2)保持传感器节点之间的负载平衡;(3)确定更好的适合均匀的网格类型和随机部署在不同的节点密度。

3所示。非均匀网格的路由

3.1。Gird-Based协调路由

基于网格的主要焦点协调路由(GBCR)分区网络成方形网格延长网络的生命周期。整个网络分成同样形状的网格,每个网格中一个活跃的节点,协调当选,像在算法。

网格协调路由信息达到只选择节点的网格是让每个网格节点只有一个活着,而其余的节点网格睡觉,以节省电池寿命。在每一个网格,协调参与路由的能量在协调员超过一定的阈值。能量低于阈值时,一个新的协调员每网格。源传输信息通过活跃的协调人,水槽和水池路线回源痕迹。洪水的过程就会持续下去,直到节点参与路由的能量耗尽,当新协调员选举和新路线回源计算从水槽里。源开始的洪水通过发送一个查询消息的所有邻居协调员,洪水其他协调员网络直到信息到达汇聚节点。网格中的每个协调者节点路由有三种状态,即路由、警告和枯竭的状态。当死,协调器节点在一个特定的路线或耗尽能量,新的协调员选出来取代旧的节点。网络中的所有节点随机分配id。在每个网格中,最高的节点ID成为协调员。 When the node with the highest ID runs out of energy, the node with the next highest ID becomes the coordinator for that grid. Each time the coordinator node changes the sink node traces back a route to the source node. Grid-based coordinated routing adopts a grid structure as shown in Figure1。

每个网格是一个200平方的,例如。不同的结果已经观察到不同网格大小从50米到200米。当选择网格协调者,特别必须考虑那些能够连接到相邻的网格协调者。因此,网格大小是非常重要的保持整个网络连通性是一个非常大的网格大小导致的损失中的节点网络的连通性。网络中连接取决于网格大小,传播范围,节点的敏感性。GBCR GAF一样保持负载平衡。协调器节点的功能是分布在网络中的节点根据每个网格节点的排名。GBCR观察传输能量的影响,接收机灵敏度和网格大小对网络寿命和决定了传输能量,提高了网络的生命周期。

3.2。非均匀Gird-Based协调路由

统一的基于网格的路由时有效节点的分布在传感器领域是统一的。不同网格大小的网络扩展了网络的生命周期。整个传感器领域分为非均匀大小的网格。在[19),最佳广播范围之间的关系和交通是用来定义一个非均匀网格的GAF协议。本文基于网格的非均匀网格大小协调路由协议的应用和分析结果。

在这篇文章中,三种不同的非均匀网格。数据3来5显示不同类型的网格结构考虑模拟。在图2,交流不均匀网格结构描述100传感器节点是整个研究区域统一部署。交错网格是100每平方(小网格)和200米广场(大电网)。图3显示了源非均匀结构100传感器节点部署统一的研究领域。包含源节点的区域(左上)分为100米的小方格里每个而区域包含水槽节点(右下角)分为网格广场200米。最后,沉非均匀网格结构与100年传感器节点部署统一穿过田野呈现在图4。在源节点分为附近200米平方网格而区域附近的水槽节点分为100平方网格。

在每个网格,在统一的基于网格的路由,所有节点的协调者节点当选的网格参与路由过程在网格中的其他节点节省电池,让自己睡觉。新协调员当选时,节点能量耗尽或低于一个阈值。

3.3。网格大小

来保证任何两个协调器节点之间的连接相邻的网格,必须确定适当的网格大小。网格大小等因素影响的传播范围发射机(或传输能量)和节点的敏感性。如果网格大小太大或协调器节点相互远离,这将导致早期的网络分区。因此,节点之间的联系甚至不能形成,即使在每个网格节点还活着。

图5(12显示了一边的最大限度r可以估计如下:

通过评估的价值和赋值,和n的价值,r和网格大小可以确定;因此,相邻的两个协调器节点网格可以成功地相互通信。重要的是不要有一个非常小的网格大小、传输功率和接收机灵敏度允许节点之间的最小距离。因此,有非常小的网格大小将导致资源浪费。

3.4。网格协调员选举

如前所述,基于网格的协作路由需要有协调器节点在每个网格保持活跃,同时网格中的其他节点是睡觉。最初,所有节点的能量等于100%的电池寿命和标记绿色的模拟。的节点当选和路由信息从源发生作为一个持续的过程,随着时间的推移,节点能量耗尽。当节点的能量等于或低于25%的电池寿命,节点标记为黄色,,最后,当节点的能量(死亡节点),用红色标注的,如图6。

在基于网格协调路由,网络中所有节点随机分配id。在每个网格中,最高的节点ID成为协调者节点。当这个协调员的能量,第二高的节点ID是选择它的位置等等,直到所有网络中的节点的能量或不再可以建立通信链路从源到水槽,从而网络分区。即使没有网络中的节点死了,如果无法建立一个成功的路线从源节点到汇聚节点,网络分区。

穿越电网的信息协调员,和其他网络中的节点睡眠为了节省电池寿命。一旦路径从源到目的地已经建立,数据从源到汇和只通过这条路线。其他协调器节点也清醒和倾听而协调员在接收和传递信息的途径。因此,协调员在那个特定的路线往往失去能量迅速超过了协调器节点不传送。

3.5。负载平衡

利用节点的最大生命周期,基于网格的路由协议应采用负载平衡。协调员角色中的所有节点共享的网络,以确保公平的使用节点资源。一开始,网络中的每个节点分配一个等级。等级最低的节点当选协调员。确保负载平衡、节点id并不认为选举协调器节点。最初,因为所有的节点有相同的等级,每一个节点网格随机选为协调器节点的网格。一旦传输和从源开始,节点的能量逐渐耗尽。如果节点的能量大于25%的电池寿命,增加节点的等级,如果能量下降或少于25%的电池寿命,该节点是增加了两个,和节点必须睡觉。当这样一个节点检测到的路线,源和目的地之间的联系中断的协调器节点现在死了。因此,源节点必须reflood网络一旦当选新协调器节点的节点的能量等于或小于25%的电池寿命。 The dead nodes are removed from the network and are no more ranked. The new coordinator nodes are the nodes that have a lower rank, more energy, and can handle routing for a longer time. Therefore, maintaining load balancing, grid-based routing protocol increases network lifetime. The process of node re-election continues till the network is partitioned and no link can be established between the source and the sink.

4所示。仿真和结果

本节介绍了实时模拟非均匀网格协调路由协议。结果比较协调统一的基于网格的路由和三种不同类型的非均匀网格算法和传统的洪水。所有结果进行了使用MATLAB仿真工具。

4.1。假设

在模拟非均匀网格协调路由协议,考虑以下假设:

以下4.4.1。能量模型

传感器节点消耗能量而在空闲模式(听力模式)。能源消耗有时有用,有时则不需要。所以,的一个主要限制无线特设传感器网络是能源消耗过度,导致削弱了网络的生命周期。重要的是要注意,花了一个节点的传输能量,接收、和空闲模式可能不是相同的。空闲:接收:传输能量的比例显示在[21),在[22),而在[11]。在我们的示例中,所花费的能量由一个节点空闲听1.0单元,接收1.5个单位,传播是2.0单位。一个计数器数组记录每个节点的能量。如果节点当选为一个协调器节点,它就失去了1.0单元的能量。然后,如果使用相同的节点之间传输数据的节点,它就失去了另一个单元的能量(即。,a total of 2 units), but if it is a coordinator and only receives the information from a node and does not transmit the information to another coordinator, then, the node loses only 0.5 units of energy (for a total of 1.5 units). If a unit is not a coordinator but still is idle listening, it uses 1.0 unit of energy every one time-unit of simulation time.

4.1.2。模拟传感器领域和部署的节点

一个传感器领域是接近实际的传感器领域。传感器领域的大小限制在一个二维空间,在x轴和1000年1000的轴。这个领域没有任何障碍。传感器节点是假定为实际的传感器节点。一个图形用户界面(GUI)观察洪水模拟和均匀和非均匀的路由协议的行为已经实现。字段可以部署的传感器节点均匀或随机散落在这个领域

网络中传感器节点的数量可以是100年和1000年的节点之间的不同。网络包括两个固定节点的无限能量,源节点和汇聚节点。这种假设适用于无论部署的节点的类型,统一的或随机的。从而观察模拟不同节点密度分析非均匀网格的可伸缩性协调路由协议。

4.2。参数影响路由网络中

有许多参数影响无线传感器网络的性能,其中包括类型的节点,节点的电池寿命,应用网络,等等。属于我们的研究,以下参数影响传感器网络的性能:

(我)节点部署:统一的和随机的,(2)节点密度:100、200、400和1000个传感器,(3)网格大小:随正在使用的网格类型,(iv)接收机灵敏度:90−dBm,(v)传播的力量:−2 dBm,(vi)路径损耗指数:3.5,(七)节点能量:50个单位。

以下参数(节点部署、节点密度、接收机灵敏度、传播范围和节点能量)影响网络的生命周期。网格大小参数仅用于统一的网格大小,和延迟参数用于延迟路由过程,这使得它更容易观察路由过程遍历从源到目的地的信息。如果延迟参数不是介绍,路由过程发生瞬间和难以观察。因此,延迟参数不影响网络效率。默认参数值影响网络中的路由图所示7。

节点密度是最初是100,从100年到1000年逐渐变化的节点。网格的大小随所使用的网格类型,从统一的网格三种不同类型的非均匀网格。节点的能量是固定50单位参与,逐步减少节点的路由。传输能量的传输范围或节点的范围内可以传输信息。超出这个范围,该节点的信号丢失。接收机的灵敏度是固定的dBm,路径损耗指数(通常2至5)设置为3.5,我们考虑传感器网络的部署在一个相对有损环境。洪水可以观察到构造或分级。

4.3。分析结果

为了分析协议的效率,我们必须确定多久网络保持活着,同时允许传输从源到目的地。两个变量被认为是:(我)归一化能量,总时间的网络启动并运行,和(2)计算的总传输源和水槽之间的网络允许。总传输允许网络中是重要的,以确保网络实际上允许大量的信息交换,只要网络还活着。归一化能量被定义为所有节点的总电流比能量的总能量,所有节点的模拟。网络时间由一个计时器记录,一旦网络开始洪水开始和停止当没有源和水槽节点之间的通信链路。定时器设置一次路由时,才开始和停止网络分区,从而计算总时间的网络还活着。图8显示了一个示例总在网络传输时间的100个节点随机部署的传感器领域和交替非均匀网格结构。

4.4。统一的节点部署

数据9,10,11,12显示均匀和非均匀网格模拟的结果。

从这些模拟,观察到统一的基于网格的节点路由协议更适合统一协调部署。

4.5。随机节点部署

我们考虑一个非均匀节点部署250个节点在本节中。对于一个给定的节点密度、不同的网格结构的效率进行了分析通过比较网络存活时间以及每个结构的总传输。最长的网络结构并不一定拥有最大传输,但它仍然应该支持大量的源和水槽之间的传输。因此,三个累积图提供:

(我)网络的网络生命周期为每个网格结构,(2)为每个网格结构的总传输,(3)能源消耗图。

图13显示总的传输允许100个节点的网络节点密度的网格结构。图14介绍了网络的生命周期与100年不同的网格结构节点随机部署。

可以看出非均匀网格结构的生命周期超过总传输所允许的均匀网格结构。图15显示了100年的能量块不同的网格结构节点导致网络中能量随时间逐渐下降。

最大网络寿命将近900时间单位为交替非均匀网格结构,这个结构更好的利用整个网络中的能量,因为能源逐渐减少从1.0单位近0.28个单位。对两个图的分析模拟:支持的图块总传输网络(图13)和情节能源消耗(图的图15)。

图16,17,18,19显示图形代表网络寿命和不同的节点密度的能源消耗。

4.6。与传统的洪水算法进行比较

传统的洪水算法的主要缺点是,在整个信息传播网络,才能到达目的地。洪水不选择一个特定的路线发送信息从源到水槽里。相反,一个节点还活着,不断传送和接收数据。因此,根据我们的能量模型,一个节点几乎花每秒钟2.5单位的能量,因为你还活着。因此,如果该节点有50个单位的能量,节点只能维持20传输之前死亡。如果我们考虑图的洪水1,信息耗时约5单元100个节点的网络旅游从源到汇的最大网络生命周期是100时间单位,这是非常低的比均匀和非均匀网格协调路由协议。

4.7。总结的结果

在不同的节点密度从数百到一千年,我们已经分析了网络的生命周期随机节点的部署。它已经表明,非均匀网格协调路由协议是更有效的比均匀。比较不同的网格结构的网络生命周期不同节点密度如表所示1。

从表1,结果表明,交替非均匀网格结构是更好的非均匀网格结构随机部署的无线传感器网络。

5。结论

能量守恒是一个主要的研究领域在无线传感器网络的路由。大部分的路由协议设计旨在保护传感器节点的电池寿命,支持可伸缩性和扩展网络分区。基于网格的协议也被用来保持相同的观点。我们的非均匀网格的路由协议是源自于基于网格的路由协议。它遵循基于网格的路由协议在节约电力和超过均匀网格在密集的无线传感器网络路由。如果网络中的节点不睡觉为了节省能源,网络中所有节点的节点能量消耗随着时间的推移,从而会导致早期网络分区。通过使用非均匀网格协调路由协议网络的生命周期是提高1.5倍倍相比,协议,不要让节点进入睡眠模式。可能未来的扩展可以列为我们的工作

(我)实现对微粒。非均匀网格的路由协议是在Matlab模拟。这可以扩展到实际微粒和观察到的结果。(2)移动的节点。网络中的节点是静止的。移动性可以添加到网络中节点和可以观察到的工作协议。(3)不规则分布的节点。协议只是模拟节点密度均匀地分布在网络。没有明显的密集网络中区和稀疏区。协议的工作可以扩展到观察的结果通过网络密度和人烟稀少的地区。

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