文摘
无线传感器网络(WSN)是由几个传感器节点由种自组织,这是一个典型的网络的物联网工业应用。然而,每个节点的能源使用和处理能力非常有限。因此,它具有重要意义研究节能和高效的网络通信协议。延长传感器网络的寿命,提高网络吞吐量,高吞吐量与均衡路由协议提出了能源消耗。首先采用的设计协议K聚类算法则集群节点,然后计算权重基于剩余能量和节点之间的距离,最后选择最佳的节点作为簇头。此外,包的最佳规模是由无线收发器和通道的参数条件。在数据传输阶段,迪杰斯特拉算法用来计算成本多目标加权函数的链接。实验结果证明该协议的性能优越在统计和青少年节能路由协议的网络节点,以提高整个系统的吞吐量和存活时间。
1。介绍
无线传感器网络(网络)是广泛应用于工业物联网提高生产力和效率的现有的和未来的制造业。传感器网络是由大量的低功耗,micro-smart传感器节点随机部署在监测区域执行检测任务。近年来,网络发挥了重要作用在生产生活中,环境监测、国家安全等领域(1- - - - - -5]。因为传感器节点通常与有限的能源和动力被动弱计算能力,重要的是要建立一个节能方案。然而,如何构建一个优秀的基础上仍然是一个具有挑战性的问题。网络拓扑控制提供了一种有效的方法来解决这个问题。一般来说,拓扑控制是指一个底层网络拓扑转换技术,可以提高系统性能或最小化路由成本(6]。聚类是一种有效和广泛使用的网络拓扑方案之间的拓扑控制技术。此外,clustering-based路由协议有助于节省传感器节点的能量,从而延长了网络的生命周期(7,8]。
一个典型的集群拓扑结构如图1。每个集群包含一个集群成员节点(CM)和一个簇头节点(CH)。CM是用来收集数据并传输结果CH,然后是CH合并集群中的数据,并将其转发给远程基站(BS)种传播。过程主要分为两个阶段:(1)网络拓扑结构施工阶段,实施网络集群和集群头节点筛选;(2)稳态阶段,进行数据通信,数据融合和数据传输。
目前,许多研究人员都集中在研究集群路由协议。例如,风扇和歌曲9)提出了一种改进的低能量自适应聚类层次结构(IM-LEACH),这是最受欢迎的主动路由协议基于集群。这个协议是由自我配置和随机自适应方法,并为数据传输提供了本地和低能的访问控制。Razzaq et al。10提出一个最优K集群方案数据包,则是另一个K——集群协议基于高能量效率。使用的协议簇头选择加权函数最小化节点能耗,提高系统性能。此外,刘等人。11)提出了一种多通道AODV路由协议基于Dijkstra算法,节点的能量消耗和能源消耗的数据传输是有预谋的。此外,迪杰斯特拉算法用于选择的能源消耗最少的路径具有数据传输通道。集群路由协议基于Dijkstra算法被提出以后Abderrahim et al。12]。这是一个集中的路由协议的BS分配一个权重矩阵网络,然后使用迪杰斯特拉算法计算最优路径从源到目的节点的数据。这种方法适用于计划要求定期或基于查询的数据报告。陈等人。13改进传统LEACH协议,认为集群的负载平衡。这个方案的主要缺点是节点的剩余能量被忽视在选择中继节点在数据传输阶段。
确保高吞吐量的WSN集群通信协议,与平衡能耗高吞吐量的路由协议提出了。的K则算法是用来实现传感器网络集群节点之间交换数据。CH节点选择,我们计算了两个权重函数并选择节点不仅包含最大的残余能量,而且相应的初始簇中心距离最小的。自从CH节点是唯一节点需要从CM聚合数据节点和中继BS,该方法保证均衡网络能耗。此外,采用传统的迪杰斯特拉算法和多目标加权函数用作链接成本,这有助于完善集群的能效数据通信和消除某些节点的过早死亡。本文的主要贡献是在这里。(1)最好的选择簇头根据剩余能量,和集群的大小是合理控制根据信道状态。它有助于减少集群中的节点的通信能量消耗和平衡的WSN簇之间的能源消耗(2)集群头之间的距离,其余的能量簇头时充分考虑路由数据。与传统的方法相比,簇头之间的能量平衡和网络吞吐量大大改善
本文的其余部分组织如下。节2、相关模型包括传感器网络拓扑模型和能量消耗模型介绍了无线通信。节3,提出高吞吐量的路由协议与平衡节点能耗提出了细节。讨论了实验结果和分析部分4在部分,其次是结束语5。
2。相关的模型
2.1。传感器网络拓扑模型
摘要:由N无线通信节点编号(= 1,2,…… )。节点随机分布的矩形区域 ;BS的位置是固定的和远离感应区。然后分为集群节点,其中包含一个CH节点,节点数厘米。由于无限的能量和高计算能力的废话,网络集群和CH节点的选择是在废话,和选择的CH信息通知到CM集群中的节点。这个过程可以减少能源消耗的网络拓扑结构。当构建网络集群拓扑,等到传感节点事件发生时,CM节点接近集群中的位置会发生意义上的环境和CH节点传输数据。CH节点然后融合收集信息,并使用迪杰斯特拉最短路径算法的高效传输数据的b种。
2.2。无线通信系统能耗模型
无线传感器节点之间的通信能耗的涉及很多方面,如能耗信号放大、信号传输能源消耗,能源消耗和数据处理。在本文中,一个经典能源消费模式14是用来评估节点的能量消耗。如图2,大量的能源消耗在网络数据传输阶段。从理论上讲,当发送相同的数据包时,能源消费总量取决于数据包的大小。的能源消耗降到最低发送数据包,数据包的最优规模数据传输期间被认为是减少能源消耗。(已经证明了这点10),它的计算可以制定在情商。1)。 在哪里 , 代表了头大小(单位:一些),代表了能源消耗的有效载荷在沟通,代表了节点消耗的能量开始,和代表了比特误码率(BER)的通道。因此,能源和利用节点发送和接收一些数据是制定情商。2和情商。3),分别。 在哪里表示传感器节点之间的距离,代表了能源消耗由发送或接收单位,和代表了能源消耗的信号放大发送节点在情商。4)。 在哪里表示距离阈值,和表示放大能量和自由空间信号的多径衰落参数,分别。如果距离发送节点和接收节点之间是大于或等于 ,将使用多路径衰落信道模型。否则,将使用自由空间传播模型。因此,一个数据包发送和接收,大小和总能量消耗在情商。5),它可以扩展情商。6)。 在哪里代表了能源消耗数据的过程中CH节点融合。假设xCH表示节点之间的距离厘米,CH节点,和表示节点之间的距离CH和BS,之后厘米节点的剩余能量CM传送可以制定一些数据CH情商。7)。
从CM接收数据后,CH执行数据融合,最后融合数据传送到b。CH节点的剩余能量就可以计算在情商。8)。
3所示。路由协议
3.1。网络部署阶段
传感器节点随机部署在监测区域。考虑到节点无法形成一个路由表,无法实现数据传输。因此,传感器节点在网络广播信标的邻居交流范围。信标帧包含的节点数和节点的位置。网络中的所有节点广播信标帧后,可以设置所有节点邻居列表,路由表可以很容易地生成按照列表。鉴于高功率的BS,它可以播放一个初始化请求数据帧在单跳网络中所有节点。网络中的节点收到消息后会立即回复的数据帧。根据节点内的路由表,响应数据帧被发送回BS沿着最短路径Dijkstra算法的形式提供的种。响应数据帧包含剩余信息节点的剩余能量和节点位置,假设节点在网络中的位置已经获得或定位技术(15,16]。到目前为止,部署的基础已经完成。
3.2。网络聚类阶段
在这个阶段,K聚类算法则是用于集群整个传感器网络,这是一种无监督学习算法,收集数据K集群。苏尼尔et al。17)聚类问题作了详细研究了网络最适合,和的值K计算了情商。9)。当网络集群K集群,集群的集群之间的相似性较低,而内部类相似度高。 在哪里代表网络中传感器节点的数量,代表了维(二维平面)的一个给定的网络,代表了网络中的传感器节点之间的平均距离和BSs,和代表了最合适的类数划分从原始集群。
的伪代码K——网络聚类算法在算法中有详细描述1。在WSN运行的固定数量的轮,算法1可重复更新网络聚类。
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3.3。CH节点选择阶段
摘要:分为一次K集群,从每个聚类选择一个CH节点。CH节点的主要功能是将骨料CM集群中的节点的数据,并将数据转发到服务器数据融合后的种。因为CH节点需要承受更大的负荷,从网络能量平衡的角度,更多的剩余能量和节点平均距离的接近CM节点应该选为CH节点。通过这样做,CH的过早死亡节点可以避免和能源消耗的CM节点的数据传输可以减少。本文设计了一种加权函数来帮助选择CH节点,如情商。10)。 在哪里= 1、2、3、4… , 和是常数,代表集群中的每个节点的权重值,2代表之间的距离th节点和集群的中心代表的残余能量节点。
在获得的重量传感器节点集群中,需要一个标准来确定哪些节点作为CHs更合适。摘要评价函数设计基于平衡能耗和节能的目标,如情商。(11)。 在哪里代表标准体重,和是常数,代表了从集群中的所有节点平均距离中心,和代表最高的集群中的节点的剩余能量。
重量集群中的每个节点都比标准体重值 ,和节点我对应的最小值用作CH。确保intra-cluster节点的能耗均衡,CH节点重新如上所述每个收购固定数量的数据。
3.4。数据传输阶段
到目前为止,集群和CH节点网络的选择已经完成,在这段时间里,传感器节点可以收集和传输数据。因为大多数的传感器节点采集的数据基本上是没有意义的,只有当感知价值超过一定阈值可以传感数据是有意义的。因此,本文提出了一种事件驱动的路由协议。当感觉到数据大于阈值 ,CH节点传输数据。CH节点数据融合在一起的多数成员集群中的节点,然后将数据发送到b。CH节点也从相同的节点,选择和他们的沟通距离是有限的。所以种簇头之间的传输传输数据到b是至关重要的。因此,迪杰斯特拉算法采用本文找到最佳路径从源CH节点到目标BS根据成本的联系。主要步骤详细如下。
步骤1:创建一个组 ,这只包含源节点和成本的联系 从到相邻节点在最初的时间。
本文提出的加权函数,如联系成本 ,包含两个因素:下一跳节点的剩余能量(接收数据的节点)和距离源节点到下一跳节点,如情商。13), 在哪里 表示源节点之间的链路成本和邻近的节点 ,和表示源节点之间的距离和邻近的节点 。 和可调参数和满足吗 和 。
步骤2:如果源节点和它相邻的节点不准备好了吗 ,然后添加节点 ,随后继续查找节点NC相邻的源节点 。如果节点集,然后添加来 ,和成本的联系 。
步骤3:比较成本的联系 与 ,然后选择一个相邻节点最少的环节成本作为源节点的下一跳节点,如情商。14)。
步骤4:使用邻近的节点选择在步骤3中作为源节点,然后重复步骤2和3,直到最低的成本数据传输从CH BS,即找到一个传输路径最小化情商。15)。当数据被传输到b,算法结束。 在哪里代表了BS和代表节点包含在传输路径的数量。
传输数据的最小成本路径选择过程之间的BS种CHs图所示3。最后,路径选择的最低能耗从CH传输数据到b。
(一)集群头邻居拓扑
(b)最低能耗传输路径
4所示。实验结果和分析
本文在MATLAB平台上模拟实验。= 50节点随机部署在一个正方形区域= 100。这些节点分为K集群,每个集群包含N / K节点。的WSN数据协议的性能评估根据三个参数:残余能量,能量消耗的平衡,和网络吞吐量。剩余能量是评价来说明数据的节能路由协议,能耗平衡评估证明,系统内的能耗平衡和网络吞吐量计算表明成功传输的数据量,单位时间废话。在实验中,“圆”的概念定义,每一个“圆”执行100年的数据传输。网络中的每个节点传输数据在每个时间步。由于网络中节点的移动性,其分布是不固定的。我们假设每10“轮”的数据通信,节点的位置将随机变化,从而形成一个新的分布节点的集群。因此,对于每一个10“轮”的数据通信,CH和集群需要重新选择。的具体参数设置表中列出的数据通信模型1。
最优分组尺寸表1已经验证了文献[10]。实验比较分析改进协议HCERP [18)和青少年改善IM-TEEN (19路由协议。传感器网络具有以下属性。
属性1。在均匀自然,传感器簇配备相同的初始能量,和是随机部署在监测区域。
属性2。整个网络只包含一个b。
财产3。部署后,传感器节点和BS位置是固定的和已知的。
性质4。CH集群中的节点收集信息,然后将它转发到b种的形式。
4.1。分析平均剩余能量的节点
操作的传感器网络,传感器节点的剩余能量将逐渐减少。节点的剩余能量可以有效地反映了能源消耗的路由协议。这个实验验证网络中所有节点的平均剩余能量的节点通信数据在不同的轮。如图4,水平坐标是轮数据通信,纵坐标是传感器网络节点的平均剩余能量。
实验结果表明,随着数据通信的增加,平均剩余能量的节点对应于三个路由协议逐渐减少。后进行数据通信的相同数量的路线,提出了路由协议的平均剩余能量高于GCERP IM-TEEN协议,也就是说,其性能优于HCERP和IM-TEEN协议。因为节点IM-TEEN协议保持传感坐落环境达到所需的阈值,能量损失将是不可避免的。HCERP协议增加能源消耗每一轮开始时因为不均匀聚类。然而,本文提出的方案考虑了能量和距离,形成整个网络更节能和整个网络能源消耗少。
4.2。分析节点生命周期
在光网络中不同位置的节点,每个节点使用不同的数据通信和传输的能量,这将导致不平衡整个网络的能耗。从理论上讲,网络中多个节点的早期存在可能整个网络瘫痪,随后失去了原来的功能。实验验证了网络中节点死亡人数当三个路由协议是用来运行在不同轮数据通信。实验结果如图所示5。
图5描述了幸存的传感器节点的数量之间的关系和传感器网络的数据通信轮。结果是,随着数据通信在传感器网络的增加,幸存的传感器节点的数量慢慢减少。随着交流的增加,节点能量消耗的增加。的一些节点是CH越远,能量消耗越快,导致这些节点的死亡增加沟通的时间。与此同时,通信时的相同数量的轮网络,幸存的节点的数量在我们的网络是高于HCERP和IM-TEEN协议。拥有这一事实提出的路由协议充分考虑了节点的剩余能量和节点和集群的中心之间的距离,它可以同样处理两个因素,使集群内的节点能量消耗更平衡。
4.3。分析网络传输速率和吞吐量
网络传输速率和网络吞吐量是网络关键指标。网络传输速率PDR显示接收到的数据量在一个单位时间废话。实验验证了网络传输速率和网络吞吐量的三个相同的条件下的路由协议。实验结果如图6和7,分别。
图6显示,与节点的数量的增加,PDR IM-TEEN和HCERP提升在某种程度上,然后开始下降。当网络中节点的数目是150,三个路由协议的网络传播率最高。尽管节点的数量在下降,提出了路由协议的数据传输速度仍远高于HCERP IM-TEEN协议,这表明提出的路由协议可伸缩性的三个最高。
图7显示了数据通信轮之间的关系和整体网络吞吐量。传感器网络的吞吐量计算数据包的总数BS每一轮后成功地接收数据通信。实验结果表明,该算法比其他算法具有更高的吞吐量。网络吞吐量的增加的主要原因是,HCERP和IM-TEEN协议中幸存的节点的数量小于,提出了相同数量的数据通信。此外,青少年吞吐量的显著下降的主要原因是,节点将不发送数据的废话如果没有达到特定阈值。
4.4。幸存的节点分析
随着系统中收集数量的增加,传感器网络中的节点的能量也将消耗,和能源的一部分节点将被耗尽。本实验使用的平均跳作为一个指示器的能耗平衡路由协议。实验结果如图8表明,随着轮系统收集的数量的增加,包传输的平均跳也增加。由于死亡人数攀升节点,数据包传输是通过许多不必要的通信链路。最重要的是,实验结果表明,我们的算法具有最短的平均啤酒花在相同条件下。
5。结论
传感器网络的路由协议已经不均匀等问题和低能耗的吞吐量。解决这些问题,本文提出了一个高吞吐量的路由协议与平衡网络能耗。集群中的数据传输阶段,这个协议使用迪杰斯特拉算法的权函数的通信开销相邻节点之间的联系。权函数考虑节点的能量和邻近节点的距离,增加了一生的节点和整个网络的吞吐量。此外,改进的K——聚类算法被用来把传感器节点分成K集群,所以能耗平衡时可以充分考虑选择CH。实验结果表明,该方案具有更长的网络寿命和更高的网络吞吐量。此外,我们还可以考虑其他指标(如网络延迟或可靠性)研究路由协议在未来工作。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现没有提供,因为我们使用MATLAB模拟路由算法和主要验证几种算法的性能指标,因此不需要一个公共数据集。本文提供了一个比较分析通过数据生成算法的执行。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
确认的是纠正“这项工作的部分支持由中国国家自然科学基金(61876168)、浙江省自然科学基金(LGN21C130001 LGF21F010002),衢州科技项目(2019 k17 2020 k19)和国家大学生创新创业训练计划(202111488012)。