文摘
节点的能量是一个重要的因素,影响无线传感器网络的性能(轮),尤其是在现有的自私节点的情况下,最近吸引了许多研究者的关注。在本文中,我们提出一个基于声誉不均匀聚类路由协议(R-bUCRP)考虑节能和声誉的评估。在集群建立阶段,我们采用一种不均匀聚类机制控制的竞争范围集群头候选人节省了网络的能量。集群中的首脑选举阶段,剩余能量和声誉值被用作索引选择最优簇头,声誉机制的引入声誉评价的支持。仿真结果表明,该R-bUCRP可以节省节点能量消耗,平衡网络能量分布和延长网络的生命周期。
1。介绍
作为一种新的无所不在的网络,无线传感器网络(网络)是广泛应用于各个领域,如生态保护、节能减排、食品安全。作为一个巨大的网络,网络有不同的传感器节点和繁杂的通信协议。网络的资源管理困难,应用领域广泛。与此同时,复杂性和不确定性在宣扬一种观点,即认知网络成为一个重要的特点。
1999年,Mitola博士和马奎尔Jr。1)提出了认知无线电的概念和“认知”的元素集成到无线网络,吸引了大量的研究,取得了许多研究成果。一想到认知大大促进了网络智能的发展。认知无线电网络(2,3),认知网络(4- - - - - -6),和认知物联网(7,8)研究人员极大的兴趣,取得了大量的,极大地促进了网络智能的进化。
近年来,随着网络的快速发展,网络的智能特性参与越来越多的研究。认知无线传感器网络的概念(CWSNS)来源于自主计算(9)和bioinspired理论(10),将网络的“认知”元素。自它的核心思想是把智能特征到物联网,CIoT自我知觉的特点,自决权,自主学习、自我优化和自我调节。对于网络通信,虽然节点应该相互配合,为他人提供服务,现有的研究表明,大量的节点只希望享受其他节点提供的服务由于节点的能量有限但不想为别人提供服务11]。由于CWSNS大规模网络有限的能源和不同性能的目标在不同的区域网络,可能有很多自私的节点,会导致消极的转发数据包。科学研究证明向前自私行为将严重影响网络表现也只有少量的自私节点(10% - -40%)会导致明显降低(16% - -32%)的网络性能12]。因此,如何设计一个可靠的路由机制是一个关键的问题需要解决在信息传输CWSNS领域。
考虑可伸缩性和节能的特点在网络聚类方法总是应用于异构无线传感器网络协议,特别是在大规模网络。聚类方法为网络提供了一个层次结构,这有两个成员,簇头节点和集群成员节点。簇头节点有更好的基本条件和管理他们的集群成员。他们融合集群成员节点采集的信息,然后将其发送到基站。在早期阶段,路线集群甚至常用的聚类方法。典型的甚至集群协议包括浸出(13),青少年(14],APTEEN [15]。随后,Bhasker [16)提出了一种基因推导安全基于集群的数据聚合的基础上最大限度地减少能源消耗,确保数据安全,减少传输开销。林和科大17)考虑一个混合整数线性规划(MILP)模型来优化水槽和CH位置的确定以及网络中的数据流,从而延长网络生命周期。广和金18]提出一种聚类算法来提高性能的固定无线传感器和致动器网络(WSANs)。在每个集群中,多级层次结构可以应用于降低能源消耗。除了集群头,可以选择一些节点作为中间节点,管理一个subcluster。李和华19]提出一种聚类算法在无线传感器网络节能,这是部分类似于本文。即使是聚类方法的要求甚至在网络和集群规模相同数量的集群中的节点。轮询方法在簇头选举可以平衡能源消耗。然而,数据收集,数据融合,与基站通信通常是独自完成簇头节点,这将导致过早死亡,能源消耗不平衡,和短网络生命周期。
为了解决这个问题,许多研究人员都集中在他们的作品不均匀聚类方法来平衡能源消耗。电(20.]不仅考虑集群成员节点和簇头节点之间的距离,而且考虑了簇头节点到基站的距离和结构不均匀大小的集群来缓解能源消耗不均的问题。UCS [21)簇头节点能量消耗的平衡和调整集群的大小根据预期的转发簇头节点的负载。EEUC [22)利用竞争半径的大小不均匀的。基站附近的集群成员的数量相对较少,因此,簇头节点可以节约能源集群数据的转发。它优化了节点的能量消耗,延长网络的生命周期。CEB-UC [23]显示网络的合理分区区域。靠近基站的簇,传感器节点在每个集群越少,所以,网络中节点的能量消耗的平衡。江et al。24)实现了不均匀不均匀分层聚类的传感器网络模型。每一层的形式独立集群平衡簇头节点的能量消耗,延长网络生命周期。Buchegger和Le Boudec25使用集群头竞争算法时间规则。广播时间取决于集群头候选节点的剩余能量和他们的邻居节点。节点的能耗可以补偿对方。
上述研究使用能源和距离选举集群和集群。然而,簇头节点的可靠性也是非常重要的。节点的声誉价值常被用来测量节点的可靠性。簇头节点的声誉价值越高,更可靠的节点和所提供的服务质量越高集群中的节点。Naghizadeh和刘26)描述分布式多用户系统的声誉问题通过机制设计理论方法。他们介绍一些实用新型代表用户的战略行为和设计一个机制,达到最优的性能。由于节点勾结损害声誉系统可信节点选择的有效性,李et al。27)识别可疑的共谋行为通过检查库存积压事务跟踪声誉评级和提出了社会信任机制,利用社交网络来对抗共谋。Refaei et al。28]介绍time-slotted允许评价函数方法快速、准确地捕获节点行为的变化和显示的能力在动态环境中实现高精度和迅速。Labraoui et al。29日)提出一个Risk-aware轮为基于声誉的信任(RaRTrust)模型,用信誉和风险评估一个传感器节点的可信度。Capossele et al。30.]提出一种基于声誉频道了解路由协议(R-CARP)水声传感器网络(UASNs)。这是适合这样通信受限的环境中。自信协议提出了(31日]是一种特别的节点信誉评价机制。通过你的邻居节点的监测,声誉值计算并与预设定阈值来判断节点的可靠性。Heinzelman et al。13)使用监督机制来监视下一跳节点的转发行为。如果下一个节点不会传输数据包,指出节点的可靠性很低。此外,声誉值考虑推荐的其他节点协作计算节点的声誉值。
我们提出了一个下一跳为静态传感器节点选择算法(32),一个“绒泡菌和蚂蚁“轮混合路由算法为基础33],以修正算法在云环境(34]。在本文中,我们提出一个基于声誉不平衡集群路由协议(R-bUCRP)基于之前的工作。拟议中的协议首先介绍了声誉机制;下一个计算节点的直接价值的声誉和相对名声根据节点的历史互动信息和收集到的数据的相似性;然后综合评估节点的声誉考虑收入和支出的价值时,它连接到集群;最后细节集群头选举方法根据重量值集群的候选节点的剩余能量和声誉值。该方法可以有效地减少节点的死亡速度,平衡所有节点的能量消耗,延长网络生命周期。
剩下的纸是组织如下。部分2介绍了网络聚类模型、能源模型,和声誉模型。部分3拟议中的R-bUCRP细节。部分4评估与广泛的仿真模型和算法。最后,结论部分给出了5。
2。系统模型
2.1。CWSNS模型
在本文中,我们为CWSNS构建网络模型,如图1。CWSNS分为多个集群基于无线传感器网络的集群模型。我们使用不均匀聚类方法。接近集群基站,其半径越小。网络中的节点分为簇头节点和集群成员节点。集群头根据簇头选举竞争规则,如残余能量,减少能源消耗。簇头节点管理集群成员节点,融合了信息收集的集群成员,并将其发送给基站。集群成员节点包括认知节点和普通节点。认知节点特别正常的节点,介绍了“认知”元素。认知节点有智慧的特点,感知环境的变化,并做出相应的决定。
在这里,我们提出一些假设的网络模型中使用的方法如下。(我)每个节点都有一个惟一的ID。(2)异构,节点的能量是有限的,不能提供的,当前的节点可以获得自己的能量。(3)基站无法移动,无限的能量和强大的计算和存储能力。(iv)数据融合技术是用来减少传输的数据量。(v)节点没有提供与全球定位系统(GPS)功能模块,所以它没有位置传感功能。
2.2。能源消耗模型
在本文中,采用无线通信的能量消耗模型(22),使用自由空间和多径衰落信道根据发射机和接收机之间的距离节点。如果沟通的距离小于一个阈值自由空间模型。否则,被认为是多径衰落模型。接收和发送电路模型的无线传感器节点图所示2。
如图2,传输数据的能量消耗主要由两部分组成,即传输电路、功率放大器电路。节点的能量消耗传输一些节点的数据包与距离在
接收数据的能量消耗主要来源于接收电路,所以消耗的能量节点接收一些数据包所示 在哪里射频能量消耗系数和吗和所需的能量放大器在自由空间和多路径,分别。通过(1),给药。
2.3。声誉模型
声誉机制提供了一个有效的方法来判断节点之间的信任关系。声誉的引入可以帮助确定节点之间的合作程度,有效地识别自私节点,和惩罚或激励自私节点。所谓的自私节点不转发数据的节点或向前选择性数据为了维持自己的能量。假设节点节点的邻居节点吗,如果想知道是否是可靠的,它可以通过计算确定的声誉价值。
传统的节点信誉计算主要考虑两个方面:直接声誉价值和间接声誉值。声誉评价过程如图3。直接的声誉意味着的声誉价值评估是基于节点之间的直接交互历史和,而间接声誉值形成的推荐值根据其他节点的声誉。
3所示。R-bUCRP描述
在网络建立阶段,基站需要广播信号与给定的传输能量。每个传感器节点计算的近似距离基站基于接收信号的强度。不仅有利于节点的距离来选择适当的传输能量节省能源消耗,但也是一个必要的信息构建集群。
的基本过程在每一轮R-bUCRP照如下。首先,集群中的每个节点选择一个0到1之间的随机数。如果数量低于某个阈值,节点成为簇头的候选人。然后,最后确定集群头通过竞争算法,和新集群头广播消息周围的节点。确定哪些集群每个节点加入基于竞争力函数和回复消息集群。
在数据传输阶段,集群中的所有节点发送数据到集群头按照TDMA(时分多址)槽。簇头融合数据,然后传送到基站。经过一段时间的连续操作,网络重新进入创业阶段,开始下一轮的集群头选择和重新确立集群。
3.1。声誉评价
由于有限的能源,一些节点是自私的为了拯救自己的能量。所以重要的是要考虑网络节点的声誉范式。声誉值越低,越自私节点。因此,节点的声誉值是需要考虑的因素之一,在簇头的选择。
节点的声誉值收集的数据可以通过相似度计算和历史节点之间的交互体验。此外,当节点成为簇头竞争,他们可以收取一定的声誉价值从其他节点能量消耗的补偿。
3.1.1。直接的声誉价值的计算
直接获得的声誉是听两个节点的直接交互。它使用历史节点之间的交互体验。交互的节点越成功到节点节点的可靠性就越高吗到节点是多少。在一段时间内,如果交互的节点的数量到节点是和许多成功的互动声誉直接交互的节点到节点可以表示为 在哪里互动频率的阈值。
一般来说,交互作用时间是非常重要的可靠性评估和声誉价值。因此,交互的时间节点和节点分为段。收集信息的段落的节点时间衰减因子和重要性因素介绍了计算直接声誉价值。直接声誉值的节点可以表示为 在哪里节点的邻居节点的数量吗。
3.1.2。计算相对声誉价值
CWSNS,因为节点的分布相对密集,相邻节点的观测数据通常有很多相似之处。比较你的邻居节点的数据在同一时期,我们可以看到,相似度越高,就越可靠。
假设环境节点采集的数据的特征向量在一段时间内的表达,在那里表示对象的类型(范围设置为值),代表事件类型(范围设置为值),代表观察区域的属性(设置为值范围),代表的价值感知信息(范围设置为值)。
节点之间的相对声誉由数据特征向量的相似度计算。有两个相邻节点和。他们的数据特征向量和。节点的数据特征向量的相似性和节点在一段时间
相对名声的价值在这段时间 在哪里是节点相邻节点的数量吗和参数计算相对声誉值相似。
3.1.3。声誉值的计算
声誉值的节点由直接的声誉价值(DRV),相对声誉价值(RRV),和收入和支出价值(IEV)。它是表示为 在哪里。如果节点是一个簇头节点,当想要加入到集群成员节点,他们需要支付一些虚拟簇头节点声誉价值,在哪里;相反,如果节点是一个正常的节点和请求加入到集群,。
3.2。建立集群
3.2.1之上。竞争簇头半径
簇头的能量消耗是不同的甚至集群多次反射路由。靠近基站的簇头节点承担更多的数据转发任务,消耗更多的能量。为了平衡簇头节点的能量消耗,延长网络寿命,R-bUCRP使用不平衡集群的集群建立阶段。接近集群基站,较小的规模。簇头节点的通信半径与基站之间的距离有关。竞争簇头节点被定义为半径 在哪里代表的竞争半径簇头节点,代表系统设置的最大竞争半径,是一个常数,其价值是什么。
3.2.2。竞争簇头的函数
在簇头选择过程中,本文构造了一个竞争力函数来避免过度能源消耗或自私节点当选为簇头。竞争力函数所示 在哪里的综合权重值是能源和声誉和价值越大,更具竞争力的簇头节点,代表当前的剩余能量的节点,表示网络中节点的平均剩余能量区域,代表当前的声誉值的节点,表示网络中节点的平均声誉价值区域。
3.2.3。加入到集群竞争力的功能
集群头被确定后,簇头节点广播包,然后等待其他节点加入。在这篇文章中,当一个节点选择一个集群加入,我们不仅考虑簇头的残余能量,而且距离集群头和簇头与基站之间的距离。竞争节点的函数给药 在哪里簇头节点,簇头节点的剩余能量,节点之间的距离吗簇头节点,簇头之间的距离吗和基站。
集群的建立过程是实现负载均衡的目的。当一个节点想要加入到集群中,它认为集群的剩余能量和传输距离。从(10),可以看出,有三个因素来确定加入到集群的概率,也就是说,能量剩余的簇头,簇头之间的距离和正常的节点和簇头和基站之间的距离。为了避免困难选择的极端情况下(节点遇到长距离大能量较低的或很短的距离),特别是在网络生命周期的后期,该算法可以优先考虑集群头大信号强度当候选簇头的能量小于某个阈值。
3.2.4。建立集群的过程
网络节点集群的建立过程包括簇头选举过程和正常节点加入到集群的过程。相应的伪代码描述的算法1。
4所示。仿真和结果分析
4.1。模拟环境
为了评估提出的算法的性能,我们使用MATLAB模拟浸出,EEUC, MADSEC, R-bUCRP在相同条件下,比较他们的表演。模拟场景设置如下:1500网络中的节点分布面积400 m400米,基站的坐标是(200、500),和每个节点走向一个随机方向速度均匀分布(20米/秒)。我们使用能源模型,文献[22在模拟)。详细的参数设置如表所示1。
4.2。结果分析
因为R-bUCRP声誉的概念介绍到CWSNS的聚类过程,降低能耗的正常节点与自私节点通信时,与此同时,它平衡网络中节点的能量消耗通过不均匀聚类方法。因此,从图可以看出4第一个节点死亡时间和网络死亡时间R-bUCRP明显比LEACH协议之后,EEUC协议,和MADSEC协议。
图5比较使用四个协议网络剩余能量的变化。小坡显示了能源消耗和显示的速度较慢,延长存活时间。从图可以看出5利用R-bUCRP,能耗率远远小于其他三种协议,和网络生存时间更长,网络质量越好。
图6显示节点的平均能量的变化,使用四种协议。平均能量的节点通过R-bUCRP高于其他三种协议,这意味着R-bUCRP在能量平衡有更好的性能。
图7比较节点平均能量的变化通过使用四种协议在1000年一轮的节点数量。随着节点数的增加在网络区域,节点的平均能量却降低了。从图所示7利用R-bUCRP,能源消耗的速度慢于其他三种协议,这意味着R-bUCRP有更好的性能在可伸缩性。
数据8,9,10,11说明该算法的稳定性。稳定的聚类算法还应该产生更加一致的集群来平衡网络的能源消耗。实验过程的随机选择100发LEACH协议,EEUC协议,MADSEC协议,和R-bUCRP计算簇头的分布的数量和结果在图所示8- - - - - -11。其中,LEACH协议只使用随机数和阈值机制在簇头选举;因此,集群的范围使用LEACH协议头数量很大。MADSEC协议使用则算法将网络区域。EEUC协议和R-bUCRP使用集群的竞争力函数头的候选人,和簇头的数量是有效地控制在一定范围内。此外,R-bUCRP生成更稳定的集群,具有更好的可靠性。
5。结论
提出了一种基于声誉集群路由协议R-bUCRP不均。协议采用不均匀聚类方法,介绍了声誉机制来减少正常节点之间通信的能源消耗和自私节点,提高网络的可靠性。算法优化簇头选择的过程,竞争簇头之间的簇头根据候选节点剩余能量和声誉价值。仿真结果表明,R-bUCRP可以平衡网络能量消耗,延长网络寿命,并有效地提高网络的可靠性。
相互竞争的利益
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这部分工作是由中国国家自然科学基金(国家自然科学基金委)资助。U1404611,不。U1204614,没有。61370221,部分项目的科技创新人才在河南大学的拨款。16 hastit035也没有。14 hastit045,部分项目科技创新研究团队在河南大学批准号14 irtsthn021,部分由河南科技创新杰出人才批准号164200510007。