EE-MRP:节能多级无线传感器网络的路由协议

文摘

无线传感器网络(网络)吸引着大量的注意力从工业和学术研究在过去的几年里。背后的主要因素研究工作在这一领域是广泛的应用,包括监测系统、军事行动、医疗保健、环境事件监视和人类的安全。然而,传感器节点低潜力和能量受限的设备;因此,节能路由协议是首要的关注点。本文提出了一个无线传感器网络节能路由协议。我们的协议包括一个路由算法的传输数据,簇头选择算法和方案的形成集群。能源的基础上,分析现有的路由协议,提出了一种多级数据传输机制。采用一种有效的簇头选择算法和不必要的频率重新集群灭绝。静态集群用于簇头的有效选择。我们提出了路由协议的性能和能源效率评估的比较现有的路由协议仿真平台。 On the basis of simulation results, it is observed that our proposed routing protocol (EE-MRP) has performed well in terms of overall network lifetime, throughput, and energy efficiency.

1。介绍

无线传感器网络是由大量的微型和小型传感器节点分布在物理环境监控安全事件,温度,湿度,捕捉图像,压力,等等1- - - - - -8]。传感器节点能量有限的能力和拥有个人的资源(比如CPU和内存)。这些节点是随机分布在动态变化的环境中(9]。传感器节点的寿命取决于能源(电池)的节点,网络依赖的寿命。传感器网络面临的主要问题是传感器节点的能量下降迅速,成为无生命的(10]。可以看出最大能量消散在通信子系统11]。因此,为了扩展和传感器节点的寿命最大化,设计节能算法是必要的(1,11- - - - - -13]。为了提高传感器网络的生命周期,它需要仔细地管理资源。

网络中有许多问题需要考虑,如整体寿命,保险,能源效率,和网络安全14- - - - - -17]。除了高效、可靠的通信,路由协议的主要目标是最大化集群头和传感器节点的寿命。应该考虑以下问题而设计一个节能的聚类算法。首先,应该分布式路由协议,因为它更适合大规模网络(18]。其次,集群头应均匀分布在网络领域,以便所有传感器节点集群同样找到正面的沟通(19]。第三,集群头和基站之间的通信应该最小化,因为最大的能源利用集群头和基站之间的通信(20.]。第四,在大多数的层次路由协议,集群头选择技术不是有效的21]。

能耗信息从传感器节点收集的簇头之间的不同,因为它取决于数量的集群成员。能源的消耗也在集群成员不同,因为它取决于成员节点和集群之间的距离。在大多数现有的传感器网络路由协议,它注意到,如果一个问题是解决其他问题的忽视,由于所需的能源效率没有达到。上面讨论的所有因素应该考虑发展的路由协议来实现最大的节能与目标相结合,以达到最大程度的网络覆盖和数据吞吐量。

本研究的主要目的是解决路由问题采用一种有效的簇头选择方法并提出了网络资源节约型、可靠的路由协议。很多网络提出了基于集群路由协议,但这些协议限制由于挑战与准确的确定无线电模型(通信模型)传感器网络中的节点和簇头。其他的缺点也在我们的研究工作是一个网络领域的簇头分布不均匀,导致断开网络的一部分地区的基站。层次路由协议像浸出4)和它的变体使用相同的放大能量传输的数据从源节点到目标无论发射和接收节点之间的距离(4,10,22]。能量可以通过使用多个保存能量水平传输的数据根据接收机和发射机之间的距离。因此,我们需要提出一个节能解决方案最大化整个网络的生命周期。

剩下的纸是组织如下。部分2提出了相关工作。提出的路由协议提出了部分3。部分4提出了绩效评估在能源效率方面,稳定时期,和吞吐量。最后,部分5最终的结论。

2。相关工作

网络有巨大的复杂性和适用性,因为网络的复杂本质必须解决各种问题的科学家和工程师。各种节能路由协议提出了在过去的几年里。在分层的基于集群的网络中,网络被分为单独的集群和不同的节点定义的层次结构。每个集群的集群头(CH)。传感器节点在每个集群获取信息并将其发送CH。CHs收集信息从传感器节点的集群地区,总收集到的信息,直接发送到b或下跳根据预定义算法在CH。

低能量自适应聚类层次结构(LEACH)协议是一个基地很多层次路由协议基础上的发展。这是自适应聚类和自组织路由协议(1]。LEACH分发部署节点区域到集群的数量。在每个集群,一个节点作为CH和剩余节点在这个集群作为集群的成员。这些成员节点只与CH和CHs与水槽节点或通信基站(BS) [1,23]。CH作为中间节点用于成员节点到达b。CH从成员节点收集数据,聚合,并将压缩数据转发到b。由于添加任务,CH消耗更多的能量比正常节点。在静态集群、CH保持永久,导致CHs的快速死亡1,24]。

浸出明显提高了网络的生命周期和最小能量耗散与其他无路由协议。但有很多机会来提高LEACH协议的功能。浸出不适合大规模网络,因为它的单跳路由操作,不管距离的;每个CH必须与BS直接沟通。CHs的选择时,节点的剩余能量是不被认为是一个节点的可能性更少的能量可以被选为CH;如果发生,那么它将成为死亡,因此,该集群变得难以接近。LEACH假定甚至消耗的能量每CH并不能保证适当的CH分布。

MODLEACH [21是LEACH协议的修改版。在MODLEACH高效的介绍了CH替代方案。一组预先确定的阈值水平已经更换CHs。如果目前的CH有足够的电池,然后大于预定阈值水平将继续作为下一轮CH。CH不会改变,直到它的电池变得小于阈值限制。通过使用这种CHs选择技术,能源消耗的路由更新包更新的CHs一直保存。MODLEACHHT [21]和MODLEACHST [21)的扩展版本MODLEACH [21]。在这些版本中,介绍了软硬阈值水平(25]。软阈值水平有点公认属性的值的变化而引发的节点打开天线和传递数据。硬阈值的属性直接值超出节点识别阈值将激活其发射机和连接到CH。MODLEACHST [21]和MODLEACHHT [21]采用活性的方法,产生相对更好的结果比MODLEACH [21]。MODLEACH、MODLEACHST MODLEACHHT改善CH选择技术但是,路由技术也有弱点。这些路由协议采用单跳路由策略和不适合大规模网络。MODLEACH作品的基础上,传感器节点的密度,可以在设置阶段不稳定。

多次反射滤(MH-LEACH)路由协议(20.)采用BS的多次反射策略发送收集数据。在每个传感器节点将收集到的数据发送到CH, CHs执行聚合操作下CH和转发数据,直到它到达b。传感器节点之间的最优路径采用和BS。MH-LEACH是延迟的主要限制因素是由于数据在传输过程中多次反射。很多啤酒花添加到b,一点点实现能源效率,可以提高通过减少不必要的啤酒花参与交流的过程。

辅助浸出(A-LEACH) [26CHs)引入了额外的节点负载共享,这被称为辅助节点。在每个集群和CH,也是选择的一个辅助节点。一个节点有足够的剩余能量,是最接近b是选为助手节点。每个CH接收传感器节点感知到的数据在每个集群。CHs向前执行聚合后收集到的信息来辅助节点和删除冗余数据。辅助节点执行路由任务,将数据转发到最近的辅助节点。在路由阶段,只有辅助节点保持活跃和所有其他传感器节点包括CHs将进入睡眠模式和能量耗散最小化。

高级区域矩形滤(AZR-LEACH) (27)增强CH选择技术,介绍了静态集群技术。network deployment面积分布分为三个逻辑分区,如先进的集群,矩形集群和区域。形成的矩形集群将整个网络划分为固定的集群。通常BS是安装在网络的中心区域。集群周围那些是废话是先进的集群和节点在先进的集群被认为是先进的节点。先进CHs从他们的成员节点接收数据以及从其他CHs和BS。作为先进的集群更接近BS,他们少消费传动功率相比其他CHs。欧元区是由矩形的集群。是必要的,每个区域都必须包含至少一个先进的集群。AZR-LEACH [27)采用不同的策略选择的CHs比LEACH路由协议。最高的节点剩余能量矩形集群将被选为CH。集群中的所有节点剩余能量信息发送到CH AZR-LEACH的主要优势。27)是整个网络区域均匀分布到分区,平衡网络流量负载。

集中的低能量自适应聚类层次结构(LEACH-C) [2,28介绍了集中创建集群技术)协议。除了CH的选择,所有其他操作类似于LEACH路由协议。稳态阶段不同于原LEACH和设置阶段类似于LEACH协议。在LEACH-C,所有节点发送的位置信息和剩余能量水平BS。位置信息,传感器节点配备GPS模块或其他跟踪系统。这个信息共享在每一轮的开始。当b所有必需的信息网络中的节点然后BS决定的价值网络中所有传感器节点的平均能量。剩余能量多的节点计算平均能量将被标记为候选节点。集团的节点标记为候选人,BS会选择一群CHs使用模拟退火。选择所选组CHs之后,它将整个网络播放。 A deterministic threshold algorithm is used by LEACH-C to collect the information of remaining energy level in the sensor nodes and to keep a record of nodes, those were selected as CHs in the previous rounds. By keeping CH’s selection task centralized, this technique improves the energy efficiency and reduced the load on CHs but there is extra overhead on the BS. The performance of LEACH-C [28与BS)减少能源利用时沟通的增加,那么集群形成的能源成本。

为了延长稳定时期(第一个传感器节点成为死前的时期),介绍了两级异构路由协议,叫做稳定选举协议(9月)29日]。9月分布传感器节点分为两类:普通传感器节点和先进的传感器节点。提高传感器节点是特殊节点具有更多的能量比普通传感器节点(电池供电)。普通的和高级的传感器节点使用加权概率CHs的选择。相比推进传感器节点,传感器节点正常有较少的机会成为CH。稳定时期对于大多数应用来说是非常重要的,可靠的反馈从传感器网络是必需的。9月路由协议具有明显改善了稳定性比LEACH路由协议。9月路由协议的主要缺点是,有效的客户部署的传感器节点是没有保证的。

增强稳定选举协议(E-SEP) (30.]介绍了三级沟通的层次结构。E-SEP分布传感器节点分为三个类别:正常的传感器节点,传感器节点,中间和先进的传感器节点,中间传感器节点拥有更多的能量比普通传感器节点(电池供电),推进传感器节点能源(电池供电)比正常节点和中间节点。通过使用额外的异质性与9月(29日),在一定程度上减少了能量耗散。多次反射路由稳定选举协议(MR-SEP) [31日)9月提高路由协议将网络领域划分为多个层次的集群。在每一层,选择CHs和传感器节点成员加入CHs CHs每一层根据他们的距离。在每一层的传输数据,CHs从成员节点收集数据和协作的CHs相邻层。在上层执行CHs超级CHs CHs的较低的层。采用多个分层方法CHs均匀分布在网络领域和多次反射策略增加了稳定时期,但没有得到任何令人信服的改善整个网络的生命周期。

3所示。建议的解决方案

在路由协议的发展,操作环境提供的网络模型,由传感器节点、货代节点和BS。传感器节点随机部署在网络领域,和货代节点部署在网络领域,它可能是最大的参与通信过程和BS位于网络以外的区域。网络模型的主要特性如下:(我)所有传感器节点是均匀的,有类似的通信、传感、和处理能力。(2)传感器节点能量受限。(3)为了不同的传动功率传感器节点,这些配备功率控制功能。传播范围可以多样需求的基础上。(iv)货代节点拥有更多的权力,也可以替换的电池和充电。

3.1。能量模型

它是传感器节点可用能量不仅是有限的,它可能很容易减少如果不妥善管理。能源消费的主要原因在无线传感器网络的通信和处理,沟通是主要负责能源的消耗。一阶广播模式1,2)用于传感器节点的能量模型。如图1、能源模型包括三个主要模块:接收机、发射机和功率放大器。接收者消耗能量运行时接收机电路接收的数据,和发射机运行功率放大器电路消耗能量和发射机电路时传输的数据。能量耗散由发射机和接收机和传输放大器是由能量耗散 。

有两种传输模式:自由空间传播模型和地面双线32,33]。在自由空间传输中,有一个直接的视线传输和接收节点之间的路径。在双线地面传输模型中,发射和接收节点之间的传输是不直接和电磁波到达接收机在不同的时间不同的路径。能源消耗的传播位数据包,距离”d“和能源消耗的接待”“比特数据的接收节点,代表了 两个不同层次的介绍了通信信号的功率放大MODLEACH [21),这是用于传输性质的基础。方程(2)显示放大水平不同通信类型的基础上和通讯设备之间的距离。作为星团内比较BS集群传输,传输,使用较小的能量放大水平。除了节能效益,碰撞是减少使用多个功率,和包的数量下降和其他干扰信号也减少了。 集群内的传播称为星团内的沟通。从环境中,传感器节点感知数据和收集到的数据发送到CH。星团内通信所需最小能量放大。

3.2。节能设计多级路由协议(EE-MRP)

我们提出了路由协议的基本主题是能源效率在较大的网络领域的无线传感器网络中,数据极其相关,最终用户的要求是一个只有高层数据的函数,它包含从环境中收集的事件的集合。聚类分层的方法,有效的CH选择算法,优化路由算法是至关重要的为大规模网络设计高效的解决方案(33,34]。我们提出的架构设计路由协议如图2。在我们提出的路由协议,均匀网络中传感器节点是随机放置。货代节点放在所涉及的领域可能最大的通信过程。BS放置网络之外的领域。

3.2.1之上。设置阶段

在这个阶段,网络领域分为三个逻辑阶段(S1, S2和S3)的基础上,传感器节点位于网络领域。b负责网络领域的划分为三个逻辑阶段。S1和S2和S3集群区域非聚集区域。CHs S1中传感器节点发送数据,聚合是通过CHs,然后聚合数据转发到b。S2中传感器节点将数据发送给货代节点,然后对收集到的数据和执行聚合聚合数据转发到b。也属于S3的传感器节点将收集到的数据发送给CHs聚合后,和CHs发送到货代节点。然后货代节点收集到的数据发送到b。通过添加货代节点的通信基础设施,通信节点之间的距离变得越来越变得不那么相比能耗直接CHs和b之间的通信。

3.2.2。集群的形成

在大多数基于集群路由协议、网络领域的集群形成和CHs是随机划分在整个网络领域。,有机会CHs不是均匀分布在网络领域。网络的一部分可能会获得更多的CHs,一部分可能得到较小的CHs。由于这个问题,部分网络领域的传感器节点可能早些时候到期,部分网络变得孤立。在EE-MRP最初,BS将网络领域划分为多个逻辑段。然后在每一个细分,选择CHs。通过使用这种机制CHs均匀分布在网络领域的每一部分。这种集群形成策略增加了整个网络的生命周期。位置信息的基础上,细分识别号码分配给传感器节点;因此,传感器节点只能加入CHs位于自己的部分。 The cluster formation flow diagram is shown in Figure3。一旦选定CHs,然后CHs广播邀请消息正常区域中的节点加入CH和成为成员节点。正常的传感器节点等待邀请消息从CHs的区域,和传感器节点发送消息加入到最近的CH,距离信息的基础上。

3.2.3。簇头的选择

集群形成后,每个节点需要决定是否要作为CH现有的圆。每个传感器节点选举本身作为一个CH的基础上所需的CHs的比例和地位的资格国旗成为CH。例如,节点选择一个随机数字从0到1。如果阈值的节点将成为CH大于一个数字。以下公式用于计算(1,11,21]。 在哪里 是传感器节点的总数。 是首选的CH的百分比。 目前圆的。 将传感器节点有资格成为CH。

选择CHs广播他们的地位通过其他节点的MAC协议,也就是说,载波监听多路访问(CSMA)。成员节点计算接收信号强度指示(RSSI) CHs的选择。时分多址(TDMA)计划是由CH随行成员集群中的节点。成员节点在规定时间内与CH槽和期间保持在睡眠模式下未分配时间槽。

3.2.4。集群头替代方案

在大多数喜欢的层次路由协议LEACH,集群每轮的变化,一旦一个传感器节点被选为CH,它永远不会得到另一个机会成为即将到来的1 / CH轮。在每一轮,CHs选择和集群的形成的过程重复。在EE-MRP采用高效的CH替代方案。CHs替代方案的流程图如图4。在阈值水平用于更换CHs,如果现有的能级CHs是超过预定义的阈值那么现有CH将继续,直到穿过阈值限制。当CH能量低于阈值的限制,传感器节点的可用性标志被设置为“0”,这意味着这个传感器节点不是可以当选CH;这将确保任何退休CH可能不会引发下一轮CH变化。CH选择范围是限制在最小的范围适用于这个非常CH和其成员。通过使用这种有效的CHs替代机制,不必要的能源使用过程中新的CHs路由数据包和集群的形成是可以避免的。

3.2.5。稳态阶段

通信模式如图5。CHs的选择和分配的TDMA槽后,稳态阶段的过程就开始了。基于TDMA协议,传感器节点之间的通信是开始和他们各自的CH,预定义的分配时间槽。在未分配的时间段,传感器节点保持在睡眠模式。通过使用这种方法,更好的能源效率。CHs执行聚合在收集数据并将数据转发给货代节点或BS根据段数。货代也对收集到的数据,然后执行聚合节点传输到b。图6显示了路由算法的流程图。

通信算法的基础上,三个阶段 。传感器节点属于阶段S1和收集到的数据发送到CHs CHs对收集到的数据进行聚合,然后将其发送到b。传感器节点属于舞台S2和收集到的数据直接发送到货代节点和聚合后货代节点将收集到的数据发送到b。传感器节点属于阶段S3和收集到的数据发送到CHs后聚合CHs收集的数据发送给货代后节点和聚合货代节点将收集到的数据发送给b。

4所示。绩效评估

模拟是通过使用MATLAB R2013b (8.2.0.701)。MATLAB为部署算法,提供了一个交互式的环境虚拟化的数据,分析数据,使用高级技术计算语言和数字计算。为了模拟我们提出的路由协议,同质传感器节点随机部署。无线传感器节点之间的通信通道用于部署在网络取决于传输范围和距离。

4.1。网络场景假设和参数

假定在传感器节点密集的模拟和随机分散在一个二维的广场。图7显示了一个示例随机部署的传感器节点用于我们的实验。传感器节点随机部署在150×150的面积。BS和货代是位于和 ,分别。使用不同样本随机部署的传感器节点为每个模拟和在下一节中讨论的结果是25的平均值模拟。

以下属性应用于传感器网络。(我)传感器节点能量受限,不能充电,总是包含发送的数据。(2)只有一个废话,部署网络之外的领域。(3)只有一个货代,拥有更长的寿命比普通传感器节点的电池可以更换。(iv)一个传感器节点被声明为一个死去的节点无法传输数据。(v)假定干扰和信号碰撞的概率是可忽略的。

模拟中使用的参数如表所示1。

以下4.4.1。评价参数

网络层次路由协议的性能评估的基础上,以下条款。

稳定的时期。这是时间,直到第一个传感器节点成为死在网络领域。启动了网络操作之间的时间间隔和时间槽当第一个传感器节点死亡称为稳定时期。

不稳定时期。之间的时间间隔时间段当第一个传感器节点死亡,最后时间槽传感器节点成为死称为不稳定时期。

许多活着的节点。这些传感器节点的总数,那些尚未用尽了他们所有的能量,有足够的精力去继续沟通操作。

一个死亡节点数。这些传感器节点的总数,已经用尽了所有的能量,没有足够的能量继续沟通操作。

吞吐量。从传感器节点发送数据的速率CHs,从传感器节点到货代,从CHs到货代,从CHs b, b和货代,统称为吞吐量。

可靠性。比较稳定周期和不稳定周期特征的强度可靠性。稳定时间越长周期和短不稳定时期显示更好的可靠性。

整体网络的生命周期。网络操作的时间从一开始到最后一个传感器节点的死亡称为整体网络的生命周期。

之间有一个权衡整体网络寿命和可靠性。整体网络的生命周期包括稳定和不稳定,因此,网络已不再不稳定周期不稳定,但整体网络寿命更长。另一方面,网络也不稳定周期短更稳定,但整体网络的生命周期短。

4.2。仿真结果和讨论

我们提出了路由协议的仿真完成与LEACH相比(1]和MODLEACH [21),坚持活着的传感器节点每轮,每轮死传感器节点,吞吐量和整体网络的生命周期。

图8显示了活着的节点数量对轮的数量。结果表明,EE-MRP时期比LEACH和MODLEACH相对更稳定。第一个传感器节点EE-MRP变得死后约1100轮同时浸出的第一个传感器节点和MODLEACH路由协议成为死后约580圆,600圆,分别。在600圆,传感器节点的路由协议LEACH和MODLEACH大幅开始死亡,和所有的传感器节点LEACH和MODLEACH成为死在1300和1500,分别。EE-MRP开始变成死的传感器节点相对缓慢第1100回合后,所有传感器节点成为死2600圆。

死亡节点数对轮如图的数量9。可以看出LEACH路由协议有稳定周期最短,也有短的不稳定时期比其他两个路由协议。EE-MRP的不稳定周期较长,但更长的时间比LEACH和MODLEACH整体网络的生命周期。的不稳定时期EE-MRP比LEACH和长MODLEACH因此EE-MRP相对较少的可靠性。

网络的平均剩余能量对轮如图10。我们假定一个传感器节点最多0.5焦耳初始能量;因此100年网络节点的总能量是50焦耳。很明显观察到在图10能量耗散的MODLEACH小于浸出。每轮EE-MRP性能更好的能量耗散和优于LEACH和MODLEACH路由协议。

图11显示接收到的数据包数量BS对轮的数量。这表明吞吐量EE-MRP明显更大的比LEACH和MODLEACH。从图,描绘的是EE-MRP具有更好的吞吐量高达580%比LEACH路由协议和483%相比MODLEACH路由协议。

提出的路由协议执行比竞争协议章节中讨论的各种评价参数以下4.4.1。有多个原因改进提出了路由协议的性能。首先,有效的集群头替代机制避免了不必要的重复CHs旋转。其次,使用货代节点改善沟通的过程。第三,均匀分布的CHs网络领域提高整体网络寿命和吞吐量。第四,多级传导机制提高了沟通过程和最大化稳定时期。所有这些因素有助于实现能源效率在我们提出的路由协议。

5。结论和未来的工作

网络有许多资源限制;然而,传感器节点的能量限制在所有的一个重要特征是由于其对传感器节点的寿命。路由协议中扮演一个重要的角色在传感器节点的能耗优化和最大化整个网络的生命周期。因此,有效利用可用的资源是主要的关注网络的路由协议的发展。我们已经开发出一种高效clustering-based节能多级路由协议,满足了网络能量的挑战。通过将网络领域划分为多个阶段,CHs是均匀分布,增加网络的吞吐量,提高整个网络的生命周期。避免不必要的旋转CHs采用基于阈值的CHs选择机制。为了最小化通信节点之间的距离和CHs,货代介绍了节点的概念,最大限度地减少路由通信节点之间的距离,CHs和BS。多个功率放大级别用于星团内的沟通和CHs和货代之间的沟通或BS。那么放大功率星团内传输,需要采用多个放大功率,避免不必要的能源消耗。

EE-MRP的性能评估使用MATLAB仿真工具。能源效率、吞吐量和网络的生命周期是描述为性能指标,用于对比我们提出的路由协议(EE-MRP)和现有的路由协议(LEACH和MODLEACH)。显然所示的仿真结果EE-MRP超越现有的路由协议在大多数的性能指标。此外,这些结果的帮助下,通过验证,EE-MRP采用高效CHs选择方案和基于通过货代的路由策略,整体生命周期的基础已明显改善。本研究工作打开了许多迫切的研究方向,可以进一步探讨。提议的解决方案主要解决路由协议的能源效率,可以进一步扩展在MAC层的提高能源效率。路由协议的能源效率可以进一步增加了使其特定于应用程序的温度监测和使用的阈值水平传感器节点之间的数据传输和CHs, CHs BS, CHs货代节点,减少数据传输的通信,可以节省能源消耗在沟通。本研究工作可能进一步延长建模和实现了网络的QoS (35,36]。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者要感谢Cihan University-Erbil的支持和赞助的项目。

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