文摘
考虑到有限的资源和能源在无线传感器网络中,一个有效的数据收集协议名叫ESCDD采用多次反射路由技术和单节点选择提出了协同通信的通信协议更简单,更容易实现大规模的多次反射无线传感器网络。ESCDD使用贪心策略和控制信息基于RTS / CTS选择转发节点。然后,在多次反射数据传输减少啤酒花。基于功率控制在物理层和MAC层的控制框架称为CoTS, ESCDD选择一个合作节点执行合作传播。接收节点采用最大比合并(MRC)恢复原始数据。每跳降低能耗。此外,能源消费总量在数据收集过程是由多个节点共享和延长网络的生命周期。与GeRaF相比,EERNFS REEFG协议,仿真结果表明,ESCDD可以有效地减少多次反射数据传输的平均延迟,提高数据包的成功交付率,大大节省网络节点的能量消耗,并使能源消耗更加平衡。
1。介绍
多次反射路由和合作的多输入多输出(MIMO)已成为关键技术来提高无线传感器网络的能量效率(轮)1,2]。有效多次反射路由协议是一个重要的方法来提高网络能量效率。由于效率高、能耗低和良好的可伸缩性、多次反射路由协议基于地理信息网络已广泛应用于(3,4]。因此,基于地理信息的多次反射路由主要研究。
为了减少能源消耗的多次反射无线传感器网络,目前的研究工作是减少控制开销和啤酒花的数量来提高能源效率的路由。此外,多次反射数据收集的性能取决于继电器选择规则和环境状态。由于固有的空间分集增益特性,合作那,一个虚拟的多天线技术,可以显著降低节点的发射功率在固定网络吞吐量利用分布式时空编码(DSTC)。因此,网络节点的能量消耗是保存和延长网络的生命周期。合作那是一个可行的方案来提高无线传感器网络的能量效率。由于多个节点和无线传感器网络分布式特征的基础上,合作那是适合应用程序。因此,协作MIMO在无线传感器网络的应用吸引了越来越多的注意力从学术界(5- - - - - -7]。在协作MIMO无线传感器网络,合作沟通和米姆的组合,被认为是一个关键技术来提高传输链路的可靠性,减少能源消耗。
考虑到有限的资源和能源在无线传感器网络中,一个有效的数据收集协议名叫ESCDD采用多次反射路由和合作提出了天线系统使数据收集更简单和易于实现大规模网络多次反射。ESCDD协议的特点如下。一个节能节点睡眠控制策略基于拓扑控制是用来控制节点连接,减少闲置听。类似于GeRaF协议,选择转发节点根据地理信息为数据传输的基础上减少啤酒花文献[8]。源节点选择只有一个合作节点每跳通过功率控制执行合作再分配,有效地降低能耗的每个跳数据传输和延长了网络的生命周期。否则,ESCDD不需要波束形成和DSTC,这使它容易实现。
2。相关工作
有很多研究高效多次反射无线传感器网络的数据收集协议(1,3,6,9,10),其中涉及到通信协议栈的每一层。因为本文侧重于物理,MAC和路由层,本文详细讨论了相关的工作。
GeRaF提出(3,4)是一个贪婪的多次反射隐式基于地理信息的路由协议。每一跳的数据传输是基于对于单输入(输出)。GeRaF特点是动态、分布式的特点,简单,容易实现。然而,GeRaF的性能是影响网络的密度,因为节点及其邻居节点之间的信息越少。与此同时,合作那是不被认为是在数据传输。贪婪地理路由算法使用基于两跳邻居信息,进一步提高路由效率(11]。但是它增加了复杂性,因为选择下一跳节点两跳邻居使用信息。
它可以有效地提高通信信道的容量或显著降低能源消耗的数据传输通过应用了网络协作MIMO技术。崔等人提出了一个基于Alamouti编码协作MIMO通信模型的单跳网络(12]。能源消耗和数据传输延迟进行了分析。协作MIMO技术的能源消费总量传输一个比特是讨论相同的比特误码率(BER)。仿真结果表明,能源消耗的比例输出系统协作MIMO系统是随着传输距离的增加逐渐增加。因此,针对能源效率和传输延迟,合作那是比输出更适合长距离数据传输。的基础上(12),合作MIMO的影响下参数的传输距离,大小节点物理层的调制星座路径衰减指数和控制开销增加引起的训练序列分析(6]。进一步证明了合作的沟通模式天线系统可以节省更多的能量比输出技术,通过选择适当的参数。同时,合作那可以显著减少传输延迟。网络集群基于LEACH协议,分布式虚拟MIMO多次反射合作通信协议方式编码提出了在13]。它采用跨层方法的组合合作那,敌手多次反射路由和数据恢复机制。为了进一步减少控制开销和协议的复杂性,一个方法实现远程集群头节点之间的通信通过味噌技术一直在提到[14]。在发送端传输节点的多数是用来实现合作传播,但是,在接收端,只有一个节点接收。一样(6),合作传输节点还采用分布式方式编码。一个能量平衡路由算法被引入协作MIMO通信结构(15]。因此有效地降低能源消耗和延长网络生命周期。钟等人已经比较合作天线系统和传统的多次反射之间的能源消耗了网络数据传输模式(16]。仿真结果表明,这两种数据传输模式的能源效率取决于网络节点的密度,无线信道的状态,通信距离。当参数在某些范围是有限的,合作那是更有效的比传统的多次反射传输模式。然而,这种合作那是单跳模式。多次反射合作那还不分析。通过简化复杂的协作MIMO技术应用在了网络,网络的通信方式使用单节点合作机制提出了在8]。与传统的多个节点合作机制相比,单节点合作机制不需要合作波束形成或分布式时空编码和选择合作节点通过动态选举的过程中数据传输。单节点合作机制很容易实现和控制开销更少。然而,这项研究工作8)主要采用功率控制技术分析的方法选择合作网络节点和大规模的多次反射的应用程序是不考虑。
3所示。网络模式
如图1,大规模网络的节点是随机放置在一个正方形区域根据泊松过程和强度。水槽节点部署在一个固定的位置(,一侧),关闭用户。网络节点的属性特点如下。(1)在部署之后,节点不移动。除了水槽节点,任何网络节点的能力是相似的,地位是平等的。(2)每一个网络节点存储水槽节点的位置信息。它可以根据位置确定其位置服务模块。(3)任何网络节点有两个无线通信模块。一个是用来传输数据和控制信息。在[0,传输功率可调]。它被称为相对的主要模块和无线通信通道被称为主要通道。另一只发送和听忙音。传输功率是固定的。这个模块被称为唤醒模块和相对无线通道称为唤醒通道。最大的通信覆盖的等效半径远小于网络覆盖区域。因此,节点向汇聚节点发送数据信息通过多次反射模式。(4)通道的节点遵守准静态平坦瑞利衰落和突发数据传输时间内保持不变。每个传输通道是独立的。任意两个节点之间的信道增益是一个高斯随机变量的均值为零,方差值。加性高斯白噪声信道的噪声是一个的平均值为零和单边功率谱密度值。
网络的第一属性是典型的通用网络的设置。第二个属性显示节点的位置信息提出ESCDD所使用的协议。第三个属性是主要考虑网络应用和节能。第四个属性是主要考虑的恶劣的环境网络通常使用。图1显示数据传输的基本过程从源节点到汇聚节点使用ESCDD协议。
4所示。基于拓扑控制的节能措施
因为冗余和高的burstiness大规模网络空闲监听和相声的大规模网络节点生成。网络大大浪费了能源。在ESCDD协议,分布式节能策略是用来保持网络连通性和减少节点的空闲监听。实现过程如下。分为若干时期的时候,用一段时间。每个周期由两个阶段组成。邻居节点同步和信息可以在用第一阶段实现。节点监测工作是实现第二阶段用。然后,进一步分为若干时间段吗;也就是说,,其中是一个正整数也远远大于1。一个是一个听/睡眠周期。时间分配如图2。在一个时间,节点积极倾听根据一个概率()唤醒通道。的计算公式可以表示为(1)。考虑 在哪里节点的连接吗,即邻居节点的数量。所需的节点连接。它可以根据应用程序的需求决定的。是调整系数平衡节点之间的距离。是调整系数平衡节点的能量消耗。和可以分别计算(2)如下: 在哪里节点之间距离的长度是和节点。是一个节点及其邻居节点之间的平均距离。在网络节点均匀分布的情况下,是。因此,在这里被配置为。的半径最大通信区覆盖的节点最大传输功率。节点的剩余能量吗。唤醒概率本地节点的主要是由号码吗的邻居节点。更大的是更少的节点是睡醒了。那里,能耗降低。
5。ESCDD协议
后来的研究的目的,我们事先给出一些描述,如下所示。
定义1(邻居节点)。对于任意一个节点,其邻居节点定义如下: 在哪里网络中所有的节点,节点之间的距离吗和节点,时通信范围内的节点传输信息的最大传输功率。
定义2(转发候选节点)。对于任意一个节点如果水槽节点和节点之间的欧氏距离是,转发候选节点表示如下:
定义3(合作候选节点)。对于任意一个节点,如果其转发节点,合作候选节点合作节点将选择帮助节点完成合作交流表达如下:
5.1。ESCDD协议的概述
不同于GeRaF协议,ESCDD采用上述节能措施基于拓扑控制稳定的本地连接节点。此外,结合物理层的功率控制,跨层设计基于物理层、MAC层和路由层提出了ESCDD协议。在数据传输的每一跳,单节点合作机制是用来降低数据传输的能耗。单的交流的过程ESCDD协议如图3。
ESCDD协议数据传输包括两个阶段的每一跳,下一跳转发节点合作节点选择阶段和数据传输阶段。如果事件信息是由源节点和监控的数据需要发送到汇聚节点,该节点的两个无线模块将被激活并保持听力的状态。如果信道空闲时听,该节点将开始发送忙音信号唤醒通道清醒的邻居节点的主要通道。然后,节点开始发送RTS消息。所有节点接收RTS信息决定是否成为转发节点根据候选人的信息包含在RTS,他们的位置信息和水槽节点的位置信息。转发的候选节点的优先级最高和最低退下时间CTS首先发送响应消息的转发节点,成为下一跳。为了减少发送节点的能量消耗在数据传输期间,所有邻居节点听到RTS, CTS将成为合作候选节点。这些合作候选节点发送一个控制框架CoTS竞争首先根据能耗,成为唯一的源节点的合作节点。当源节点听CoTS消息,数据传输阶段就开始了。源节点及其合作节点将使用解码转发(DF)发送数据。接收的数据将被转发节点恢复使用最大比合并(MRC)。有特殊情况的合作节点选择可以改变的数据传输方式。 Because the source node is one of its cooperative candidate nodes according to Definition3,它可能被选为自己的合作节点。稍后将讨论细节。
5.2。选择转发节点
RTS / CTS,类似于IEEE802.11MAC机制协议,用于选择转发节点的ESCDD协议。任何空闲节点的唤醒通道是基于概率的叫醒时间τ在每一个倾听/睡眠周期。一旦听到忙音信号,该节点将激活的主要通道继续听,开始争夺成为转发节点通过RTS / CTS机制。为了估计信道增益,RTS / CTS包含飞行员序列编码的CRC(循环冗余校验)。此外,RTS不包含下一跳接收节点的地址。选择转发节点的具体实现过程在ESCDD协议如下。
5.2.1。源节点发送一个RTS框架
首先,数据传输的源节点激活无线模块的主要通道和唤醒通道听力时间。根据不同结果的拦截,详细介绍了三种处理方法。如果只听到忙音唤醒通道,延迟发送数据的节点和主要通道继续听。如果主要的渠道是忙,节点立即进入睡眠状态监测周期无论唤醒通道是忙碌的。如果两个渠道处于空闲状态,节点立即发送忙音信号,然后发送即时战略框架。
5.2.2。决定转发候选节点
当源节点不断发送忙音信号听/睡眠周期,其邻居节点根据醒来起床概率和听忙音信号,从而激活它的主要通道,进入监听状态。根据不同结果的拦截,详细提出了两种处理方法。如果该节点不听任何新闻在监控期间,它立即进入睡眠状态。如果节点听RTS框架,它利用RTS的数据帧发送源节点的位置信息,节点本身,水池节点。然后,根据(4),转发节点确定候选人。此外,每个转发候选节点使用RTS收到帧来估计信道增益源节点和之间的本身。每一个转发候选节点使用地理信息来确定其优先级RP(相对优先级)和计算退下时间在发送之前CTS根据(6)和(7),分别如下:
在(6),之间的欧几里得距离源节点和转发候选节点的角度位置互连导线从源节点到汇聚节点和转发候选节点。代表的最大优先转发候选节点,可以显示用户定义的应用程序。在(7),之间的欧几里得距离转发候选节点和汇聚节点。是最长时间窗口。
5.2.3。竞争成为转发节点
转发候选节点将发送CTS帧竞争首先根据退下。然后只有一个成为转发节点,等待来自源节点的数据。注意,信道增益是包含在CTS帧来选择转发节点。此外,由于传输延迟和退下的小区别转发候选节点的转发候选节点同时发送CTS帧可能导致碰撞。如果这种情况发生,源节点将重新发送一个RTS转发候选节点,然后将开始新的竞争成为转发节点。由于动力学的退下转发候选节点发送CTS,这种碰撞避免机制是保证有一个赢家3]。
5.3。合作节点的选择
采用合作节点在ESCDD协议的主要目的是减少能源消费的每一跳。选择合作的节点可以帮助源节点传输数据以最小的能源消耗,控制帧,采用CoTS(合作发送)。虽然CoTS CTS帧相似,但也有一些差异,见合作节点的选择过程。
5.3.1。确定合作的候选节点
在选择转发节点,源节点发送一个RTS CTS和转发节点发送一个响应。共同的源节点的邻居节点转发节点可能会听到RTS和CTS。根据定义3听到这个RTS,邻居节点和CTS帧可以确定为合作当源节点选择候选节点转发节点。此外,源节点一直是它的一个合作候选节点。
5.3.2。估计通道收益
RTS和CTS帧的基础上先后从源节点接收和转发节点,每个合作的候选节点,分别估计自己的渠道获得从源节点本身和通道增益从自身到转发节点。此外,渠道获得从源节点数据传输的转发节点是从CTS中提取的。
5.3.3。估计传输功率
传输功率源节点和传输能力合作的节点是由解决合作候选节点的优化问题。根据估计的信息渠道获得,合作候选节点将合作传输的能耗最小化其目标。传输功率数据传输的源节点和传输能量合作的节点可以通过解决以下类型: 在目标函数成正比的总能源消耗单从合作节点传输数据。等于。就是从数据包传输的比特数,从传输的比特总数控制数据包,然后呢的持续时间。方程(9)和(10)从信息论的香农公式。在这里,假设(位/ s / Hz)单数据传输速率最低能源消耗,(9)表明,发送到转发节点的数据可以正确恢复最大比合并。方程(10)表明,源节点发送的数据信息可以正确接收到合作候选节点。是信道带宽。为了简化分析,。因此,上述优化问题可以简化如下:
解决上述优化问题用线性规划的方法,解决方案可以很容易地获得。然而,根据不同的渠道,有几种不同的形式。
如果和,以下两种不同的解决方案(a)和(b)是利用线性规划。(一)如果和, (b)如果,,,
如果或,只有源节点竞争成为合作节点。其他合作候选节点不参与竞争。这两个解决方案(a)和(b),解决了优化问题如下。(一)如果, (b)如果,
如果某些合作候选节点不能满足上述条件,优化问题的有效的解决方案不会得到。然后,这些合作候选节点不会参与竞争成为合作节点。
5.3.4。确定退下时间
合作的候选节点的有效解决方案,等待时间从接收CTS帧发送CoTS框架计算如下: 在哪里的最大延迟时间是合作竞争成为候选节点合作节点。它可以由用户定义。显然,小是,等待时间越短是多少。因此,合作候选节点最小等待时间首先将CoTS框架。然后,它将会赢得这场竞争,成为合作节点的源节点。如果有一条领带,它的基础上解决节点ID。当其他合作候选节点听到CoTS框架,他们将放弃竞争,进入睡眠状态。
5.4。数据传输和恢复
在本节中,我们详细介绍数据传输和恢复的过程。源的特殊情况成为自己的合作节点详细讨论。
5.4.1之前。源节点的数据传输
源节点将传输的数据在以下两种情况下,听力CoTS从合作节点或发送第一个床。
源节点听到床。一旦源节点听到CoTS消息,它代表了从合作合作节点被选中的候选节点除了源节点。源节点立即传送数据信息传输能量从CoTS中提取。然后,转发节点和合作节点将接收数据信号从源节点的数据。接收到的信号处理如下。合作节点将解码和恢复接收到的信号解码的信息。转发节点将临时存储接收到的信号没有解码。
源节点首先发送CoTS的消息。即,源节点成为自己的合作节点如前所述。当等待时间是结束,CoTS消息立即发送。然后,数据信息发送到转发节点根据传输能量的计算计算本身。转发节点将临时存储接收的数据信号解码。
5.4.2。合作节点的数据传输
基于合作节点是否源节点,数据传输是实现如下。如果合作节点不是源节点,它将以同样的方式发送数据作为源节点的转发节点的传输功率计算本身接收和解码后的数据来自源节点的信息。如果合作节点的源节点,它将再次发送数据信息转发节点的传输功率计算本身完第一个数据传输。
5.4.3。转发节点的数据恢复
转发节点收到来自源节点的信号和合作节点,然后处理两个信号使用最大比合并(MRC)算法。在那之后,可以恢复原始数据信息。
6。模拟评价
为了评估ESCDD协议的性能,建立了仿真平台。该ESCDD与现有GeRaF相比,REEGF,和EERNFS四个性能指标:数据包的交货率,平均延迟多次反射传播,节点的平均能量消耗,能源消耗了网络分布。GeRaF网络是一种有效的数据收集协议中提到的(4]。REEGF和EERNFS是两个数据收集协议没有这篇论文的作者合作提出的MIMO (9,10]。
6.1。模拟场景和参数设置
仿真实验仍采用最常见的多对一的数据收集模型应用于无线传感器网络。节点是随机放置在一个1000×10002区域。水槽节点定位在任何区域。我们假设的通信范围是100米。与此同时,两个无线模块的能量消耗模型在每个节点上都是一样的。网络节点的初始能量是10 j。其他参数设置可以称为(8]。
6.2。结果分析
图4显示包交付率当邻居节点增加从5到80年。ESCDD的包交付率明显高于其他三个协议。包交付GeRaF率是最小的。包交付EERNFS和REEFG ESCDD和GeRaF之间。当你的邻居节点的数目增加到40,ESCDD的包交付率,EERNFS, REEFG达到最大并开始保持稳定。GeRaF包交付率达到最大值时的平均数量的邻居节点增加到60。然后,包交付率开始降低。下面介绍这些情况出现的主要原因。周期性的听/睡觉GeRaF是相互独立的和随机的。但是周期听/睡觉的其他三个协议同步概率。 In the low density of the network, the momentary interruption of the network connectivity is easily caused in GeRaF. Compared to this, neighbor nodes must be fully aroused for a given time in every listening/sleeping cycle in ESCDD, EERNFS, and REEFG. Therefore, the network connectivity of ESCDD, EERNFS, and REEFG is significantly higher than GeRaF, which makes the higher packet delivery rates. Meanwhile, ESCDD uses the single-node cooperation to further resist fading, which makes it have the highest packet delivery rate. ESCDD, EERNFS, and REEFG rely on local neighbor information to control the transient connectivity of nodes so that the transient connectivity begins to remain stable when the number of neighbor nodes is up to 40. However, GeRaF does not control the wake-up frequency, which makes the frequency of every node constant. With the increasing density of network, the instantaneous connectivity also increases. The competition for becoming forwarding nodes gets intense. Then, the time of data transmission is prolonged. As a result, the packet delivery rate of GeRaF slightly decreases.
图5显示的平均延迟多次反射的变化四个协议。ESCDD较少数据收集延迟与GeRaF相比,EERNFS, REEFG。EERNFS REEFG是关闭的延迟性能。GeRaF是最后一个。随着网络密度的增加,平均四个协议的多次反射的延迟逐渐减少。ESCDD的平均延迟多次反射,EERNFS REEFG往往是稳定的邻居节点数量的增加到40。GeRaF达到最低的平均多次反射的延迟当邻居节点的数目增加到60。然后,多次反射的平均延迟开始增加。导致上述结果的主要原因如下。在低密度网络,所有邻居节点被激活在ESCDD每听/睡眠周期中,EERNFS, REEFG。 But the number of activated neighbor nodes is proportional to the network density in GeRaF. The adopting of the polling mechanism in GeRaF based on RTS/CTS makes the empty probability much larger than the other three protocols in selecting forwarding nodes. With the gradual increasing of network density, ESCDD, EERNFS, and REEFG relying on the stability of local network connectivity can control the competition for being forwarding nodes and the average multihop delays tend to be stable. Meanwhile, the using of single-node cooperation makes ESCDD have the lowest multihop delay. With the increasing of network density, the local network connectivity of GeRaF also increases. Then, the numbers of forwarding candidate nodes also increase, which results in an intense competition.
图6给出的平均能耗的变化四个协议。ESCDD的平均能耗明显低于其他三个协议。在低密度网络的平均能耗四个协议相对较大。network deployment密度的增加,四个协议的平均能源消耗逐渐减少。GeRaF的平均能量消耗达到最小值时,邻居节点的数目增加到60。后来,平均能量消耗增加时邻居节点数量的增加从60到80。导致上述结果的主要原因如下。ESCDD、EERNFS REEFG清醒的节点的概率在每个听力/睡眠周期。同时,节点听忙音信号和听力时间很短。基于本地信息,ESCDD EERNFS, REEFG控制瞬时连接。 However, GeRaF randomly awakes the main channel to listen to the control message in every listening/sleeping cycle. Therefore, GeRaF needs a much longer listening time than the other three protocols. With the increasing density of the network, ESCDD keeps the local connectivity of nodes stable to make the establishment time of data link stable. The total energy consumption of data transmission is shared by more network nodes resulting in the average energy consumption of network nodes being less and less. Because the wake-up neighbor nodes in every listening/sleeping cycle are not controlled in GeRaF, the local network connectivity increases with the increasing density of network. Therefore, every one-hop competition for becoming forwarding node gets very intense. The energy consumption also increases. Meanwhile, ESCDD uses the greedy algorithm to select the forwarding nodes and reduce the number of hops for the data collection. It uses the power control technology of physical layer to select the single cooperative node for minimizing energy consumption. The cooperative data transmission at each hop is performed. Then, the data transmission consumption at each hop is effectively reduced, and the fading is resisted.
图7显示了网络节点的能耗分布。当网络节点的部署密度1000和水槽节点接收数据包,仿真得到的随机选择50个节点如图7基于实验结果图6。
如图7与其他三个协议相比,ESCDD可以显著减少每个节点的能量消耗。与此同时,能源消耗也更平衡。但是能源消耗的变化在GeRaF是戏剧性的。ESCDD不仅控制着唤醒频率在每一听/睡眠周期使用信道信息和节点的能源信息,但也使用合作节点执行合作传播每一跳。因此,数据传输的总能源消耗是由多个节点共享,所以网络节点的能量消耗均衡,从而延长网络的生命周期。
7所示。结论
根据节点的拓扑控制和能源信息,ESCDD控制每个节点的唤醒概率每听/睡眠周期保持网络的连通性一致和稳定。ESCDD使用贪心策略和控制信息基于RTS / CTS交互式地选择转发节点,可以减少啤酒花的多次反射数据传输和节约能源。基于物理层的功率控制和控制帧CoTS, ESCDD选择一个合作节点执行合作通过最大比率结合传输和恢复数据。然后,合作采用分布式天线的实现复杂性ESCDD协议是减少。每跳能源消耗在数据传输和重传的数量减少。此外,能源消费总量在数据收集过程是由多个节点共享,可以使能源消耗更平衡和延长网络的生命周期。仿真结果表明,ESCDD可以有效地减少多次反射数据传输的平均延迟,提高数据包的成功交付率,节省网络节点的能量消耗,并使能源消耗更多的平衡。与其他协议相比,ESCDD有更好的可扩展性和适应性,以适应不断变化的网络环境。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项研究是由国家科技重大项目(2012 zx04004011),基本和先进技术研究的项目中国河南省(批准号132300410001),河南科技大学研究生创新基金项目(CXJJ-YJS-Z011)和河南省教育部重点科学技术研究项目(12 b510010)。