绩效评估的基于zone路由层次化路由在无线传感器网络中

文摘

在传感器网络路由仍然是一个最具挑战性的任务,因为约束资源(如电池、处理和记忆。许多能源效率技术提出了传感器网络,其中分层路由被认为是最节能和延长网络的生命周期技术。这种技术有一个较小的传输网络。相反,基于zone路由要求较小的控制和路由开销对整个网络的生命周期。在本研究中,基于仿真的比较基于zone路由和静态集群层次路由。仿真结果表明,基于zone路由优于分层路由和静态集群在能源效率方面,网络寿命和吞吐量。

1。介绍

无线传感器网络(网络)空间分布节点用于感兴趣的物理现象。无线网络中的节点相互连接(1- - - - - -4]。每个网络都有一个或多个基站(BSs),用来收集数据的传感器。网络中的节点有能力,过程,有效的数据路由到所需的目的地。与这些网络相关的主要问题是,它们受到能源、处理能力、带宽和内存(5,6]。强烈环境和特定于应用程序的节点部署后,几乎是不可能到达的节点部署区域更换或充电电池(7]。这些网络的想法是为军事应用。最近,它被应用在许多不同的应用领域从环境感知健康、工程、农业、工业、和biohabitat监测传感器网络在哪里发挥重要作用[8]。

传感器网络中的每个协议开发强调能源效率(延长网络寿命9]。协议开发的介质访问控制(MAC)层,网络层,传输层或层以上这些层必须节能以及其他具有QoS参数。路由被认为是传感器网络中的最能源密集型的任务(2,8]。各种节能协议已经开发了路由的数据从源到目标(即。,废话)。网络生命周期而言,传感器应该消耗较少的能量路由网络中的数据。

路由的目的,主要类别有直接的通信协议,平面(多次反射)路由协议和层次路由协议(2,10]。层次路由协议也被称为基于集群的协议。研究人员已经延长了发展基于集群路由因为宣称最好执行较低的传输BS相比其他类别的协议。

直接通信协议的主要缺点是节点位于远离BS。这导致快速消耗的能源,因为他们需要高传输数据到最终目的地。直接沟通也不适合可伸缩环境系统,因为很多碰撞发生显著影响网络吞吐量。

相比之下,多次反射路由似乎是真实的,当一个节点发送的数据,它可能到达b利用几个跳沿路径。路由策略保证了大部分能量的节点的路径数据路由到BS (2]。多次反射路由最适合于环境中,节点密度高,节点没有直接到达的废话。

在基于集群路由/分层路由协议,整个传感区域分为不同的平等或不平等的地区,一个设计集群头(CH)在每个区域11]。所有相关的集群节点将数据发送给他们分配时间槽的CH事先沟通,然后是CH执行数据聚合发送信息积累的废话直接或从CH CH BS。要么是静态或动态集群。在静态集群,集群形成后,他们将永远不会改变,直到结束的网络。相反,在每一个或某些一轮通信、集群和CHs旋转平衡整个网络能量耗散(12]。在基于集群路由,只一个小数量的传输进行聚合的信息传播给b。集群是由b或他们自己在一个分布式的方式组织成不同的集群。一旦我们限制网络中的传输,最终,能量保存和整个网络的生命周期延长2,9]。

在基于zone路由,传感区域划分为不同的区域进行聚类。所不同的是,它只利用这些节点的网络能源效率。它消除了CH的概念选择和旋转后每一轮的沟通(2]。然后,BS负责集群形成的网络。控制交通以及CH交换而建立集群在每一轮的交流层次路由。这种不必要的交通大大影响了整个网络的生命周期。如果这个控制开销可以被消除,那么有机会网络生命周期的改进。

这项工作背后的主要动机是调查和比较基于zone路由的性能与分层路由,即。基于集群路由。在本文中,我们比较了路由算法使用ring-zone (RARZ) [2)协议和节能技术处理冗余流量(EEHRT) [9]这是纯粹基于zone协议有两个著名的层次路由协议的节能协议使用静态集群(EEPSC) [7)和低能量自适应聚类层次结构(LEACH) [11,13]。EEHRT, EEPSC RARZ和LEACH协议都有相同的设计理念通过BS把网络分成不同的区域。但使用的路由策略是不同的。

在本文中,我们考虑相同的网络模型用于RARZ [2],EEHRT [9],EEPSC [7),和浸出11),以下假设:(我)网络中的节点都不动(2)b负责将该区域划分为不同的簇/区(3)节点是均匀的有限的电池供电(iv)b可以设置位置传感区域内部或外部(v)数据采样率是固定的

描述的所有协议的简要概述了本文下一节3。以下是一些点区分RARZ路由EEPSC路由:(我)RARZ EEHRT并没有利用CH的概念选择和CH CH或CH BS做EEPSC和LEACH路由。(2)RARZ和EEHRT利用多次反射的交流而不是直接沟通EEPSC和浸出。(3)RARZ, EEHRT消除控制交通的概念在路由阶段在选择下一跳节点。(iv)在RARZ EEHRT,动态地选择下一跳节点没有任何拓扑信息。(v)RARZ和EEHRT完全不反应的和基于了无位置。(vi)RARZ和EEHRT算法不是能源意识,但EEPSC和LEACH算法节能意识的协议。BS知道每个节点的能量在每一轮开始之前,和网络中的每个节点b股的能量水平。(七)RARZ EEHRT路由,下一跳节点选择基于一个计时器,节点剩余能量的函数,其区域位置。(八)EEPSC和浸出,网络中所有节点直接认为是可获得的,废话;如果他们相互访问,那么不需要路由。这不是一个有效的假设在EEPSC。

每一轮的沟通后,CHs是选择直接通信模式是适应路由聚合数据的BS CHs的协议(EEPSC和浸出)。

本文的其余部分组织如下:部分2描述了相关工作。部分3介绍了协议的简短描述本文用于比较。部分4描述了仿真结果。最后,部分5本文总结道。

2。相关的工作

很多工作对节能路由自2002年以来一直在研究传感器网络。大量的工作在路由的东西是数字图书馆中可用。在所有的路由协议发展到现在,人们贡献了很多基于集群路由。集群的第一个想法是由温迪Heinzelman麻省理工学院在她的博士论文14),她开发了一个名为低能的协议自适应聚类层次结构(LEACH) [11)基于分布式和集中式CH选择和集群的形成,在传感器节点选出自己是CH节点概率基于剩余能量和位置信息。一个集中的方法也通过BS发达形成集群。LEACH-C [10)是基于LEACH和使用一个集中的方法对集群形成和CH的选择。CHs之间的直接沟通是制定和BS。浸出在不同的阶段或轮工作。每一轮始于一个配置阶段也称为网络设置阶段,后跟一个数据通信阶段。一旦所有节点将自己与他们的指定集群,他们将把他们的数据分配时间槽CH,然后是CH后将发送整个集群数据做一些必要的聚合BS。

另一个类似的解决方案提出了基于分层路由(5),每个节点可以将其数据发送给它的直接最亲密的邻居。之后,在邻居中,选择一个领导者节点直接聚合数据路由到b。这个解决方案被命名为“低功耗聚集在传感器信息系统”(pegasi)。该算法的主要目的是通过网络平均能量耗散。

研究者还考虑优化路由过程在某种程度上通过结合不同的特性在一个算法。根据这一设计理念,完成类似的工作在15),作者结合数据聚合,节能意识路由和聚类为一个协议。这大大增强了整个网络的生命周期。作者利用动态聚类能源平衡整个网络。节约能源,多次反射层次路由是用来远距离有效。

节能和环境敏感基于集群路由的另一个概念是在(16],还声称节能通信系统中利用只有那些节点能源效率和最适合的上下文。在普通的集群、节点部署或安排是固定的(13,14),但人们也给一个解决方案来实现分层路由以特别的方式(17]。

连接集群体系结构概念提出和测试(16]。根据这一想法,CHs和网关承担相同的网络中节点。CH被认为是中央节点,网关节点是骨干节点传输数据到不同的用户放置在不同的位置。提出了一种分布式集群解决方案(3]。根据该算法,传感区域组织成大小相同的集群中的节点首先,然后CH CH执行路由延长整个网络的生命周期。在所有的能源消耗CHs是提高网络生命周期的均匀分布。

由于传感器节点配备有内置电池供电,它们的寿命很短。研究者给热切关注这个问题几乎在每一个协议开发的协议栈的每一层。进一步提高网络的生命周期和节约能源,数据查询和收集传播方案提出了(18]。在这个工作中,作者构思的概念参数化查询基于用户的概要文件从传感器节点获取所需的数据。最节能的方案被证明是比其他类似的技术领域。

很多工作也被调查了在能源利用路由。提出了一种类似的工作在19),作者利用能源利用技术与静态集群称为集中式控制集群(EACCC)为了实现能源效率和更大的网络的寿命,特别是在一个可伸缩的环境。EACCC是通过广泛的性能分析证明和模拟,它已经表明,EACCC高效的平衡能耗,延长网络的生命周期。

工作(17)是基于混合聚类。根据这一计划,集群是静态的10轮,从未改变。b负责下一阶段CHs的选择。如果轮数小于10,当前CH选择新的最大能量节点CH和密友BS的地位。圆的10号之后,所有节点发送他们的能量状态和位置信息BS和BS下次将设立新的集群。

研究人员还提出的解决方案来减少控制开销基于集群路由协议和提高网络的生命周期。这些类别的协议被称为基于zone路由协议(2,9]。一个类似的解决方案提出了(3)被称为基于zone路由协议(ZBRP),这是一个节能和edge-based网络分区技术。它将整个传感地区划分为大小相同的集群。b负责整个传感地区划分成不同区域b,然后进一步将每个区域划分为大小相同的集群。多次反射执行基于集群路由在每一轮的开始沟通。新选择CHs均匀分布在所有的能源消耗集群和网络中CHs。这大大增加了整个网络的生命周期比以前的解决方案提出了静态以及动态聚类。人造成了协议的地方节能与安全措施。一个类似的工作已经完成20.,21]。即使在当前时间、环境遥感通过神往和其他特定于应用程序的传感器用于与许多法医和实时在线监测应用程序集成创新技术是高度需要克服网络犯罪问题[22]。使网络完全连接处理收敛(23)由于许多障碍问题也高度可取的协议以及其他核心网络寿命等问题,确保网络中能源效率。

从上面的文献综述中,可以得出结论,研究人员正努力使协议节能以及添加其他lifetime-increasing能力较低的控制开销。本研究工作也挖节能路由协议设计的另一种新方法。

3所示。基于zone路由(零转移)和分层路由(人力资源)

基于zone路由和基于集群路由都可以互换,但他们的路由哲学是不同的。基于zone路由声称,连同其他方法极大地确保能源效率、减少控制开销的网络。

在本节中,我们提出的正常工作环基于zone的路由协议和节能协议使用静态集群。

3.1。RARZ路由

环基于zone路由协议(2在以下两个阶段:(一)网络配置阶段(b)数据通信阶段

3.1.1。网络配置阶段

这一阶段也被称为网络设置阶段,整个传感地区分为大小相同的区域。b负责整个传感地区划分成大小相等的区域通过发送不同的传动功率消息zoneID感应区域。节点,数据包将他们按ID收到消息ID。BS广播不同的通信范围的消息逐渐直到覆盖整个领域。节点接收区域我消息将自己带我,除非他们已经加入了低zoneID。在区域共享相同的所有节点zoneID。一旦他们zoneID,zoneID永远不会改变,直到结束的网络。

在成功完成网络配置阶段,数据通信阶段就开始了。的工作阶段RARZ呈现在图1。只有较低的区域节点路由的数据更高b区。节点位于相同的和高区后将删除包检查zoneID在MAC层。802.11的介质访问、分布式协调功能是使用两个假设:(1)没有pre-MAC解决使用和(2)它不使用严格的解决每个节点进行通信。在RARZ路由,BS坐落在传感器节点中,但它可以设置在感应区域内部或外部。BS位置不影响数据通信或路由过程。

3.1.2。数据通信和下一跳节点选择阶段

RARZ,当一个节点发送的数据,它只是广播其数据zoneID。听说包在同一节点,低,高区将处理数据包。RARZ按照定义的路由策略,只有较低的区域将进一步安排包,和相同的高区节点将删除包。较低的区域中的节点会安排进一步传送的数据包。中的所有节点低区将安排包根据一个计时器。计时器是一个函数的节点残余能量和它的zoneID: 在哪里zoneID是节点的网络地址是一样的,所有的节点在一个特定的区域,即是初始能量,CE是当前能源。越低ZoneID和CE越高,时间越小,反之亦然。为节点具有更高的能量和更低的zoneID,它的计时器将会过期。α和β的加权优化参数节点网络地址和残余能量。的值α和β设置表1。的节点计时器到期首次将成为下一个潜在的跳节点接收到的数据包。一旦这个节点进一步传递数据包,附近的传感节点相同的包序列号将杀死他们的计时器和删除包。该协议有效地工作而不考虑任何位置和拓扑信息数据包路由到其最终的目的地。在每一跳落在路由路径,最能级选择节点数据传输。基于位置的路由节点不需要知道执行的位置邻近的节点。不需要控制信息前选择下一跳和道路施工开始前的传播。这个协议是完全失明和动态路由决策。协议提出的详细描述(2]。在零转移,冗余流量通常是观察,减少了整个网络的生命周期。处理冗余流量(9),使路由更有效w.r.t.能源效率和整体网络的生命周期。

3.2。节能技术处理冗余流量(EEHRT)

这个协议是一个扩展版的RARZ路由处理冗余交通生成基于zone路由。此外,源节点被公认的下一跳节点使用一个无线广播的优势(WBA)技术(24)没有任何特殊的ACK数据包发送方,确保可靠性,而没有引起任何额外的控制开销在每一跳路由路径。EEHRT提高了路由对RARZ通过确保只有一个副本的包沿着路由路径传播到每一跳,直到到达b通过引入短消息在RARZ路由灯塔。EEHRT的详细工作提出了(9]。

3.3。节能协议使用静态集群(EEPSC)

这EEPSC [7)也在两个阶段:网络配置阶段和数据通信阶段。

3.3.1。网络配置阶段

网络配置或设置阶段几乎是一样的,在RARZ路由。b负责整个传感区域划分成不同的集群或区域播放不同的传动功率信息传感区域。

RARZ路由相比的主要区别是,一旦节点接收区我BS的消息,他们将相应的ID和通知的BS属于区我通过发送一个连接请求消息(join-req)直接回BS。这是一个额外的网络中所有节点发送的控制消息的开销。这个过程会重复在每一个新的一轮沟通。EEPSC如图的完整的工作2。

3.3.2。数据通信阶段

一旦整个传感地区分为不同的集群或区域,数据通信阶段也称为稳定阶段的开始。的BS收到连接请求消息中的所有传感器节点感知区域,随机选择一个临时簇头(总胆固醇)在每个区,这些信息广播给所有的集群和时分多址(TDMA)为每个节点进度。之后,业务信道将选择一个最大能量最低能级节点作为CH和节点作为下一轮的总胆固醇和通知集群中的所有节点。之后,所有节点将感觉信息发送到指定的CH,然后是CH将积累的信息直接发送到b。

在这个协议,确定一些主要问题。首先,所有节点直接访问。如果所有的节点是直接到达的,那么不需要路由。其次,需要大量的控制信息的选择CH和每一轮开始之前的业务信道通信的开销。作者还声称,直接沟通是节能与多次反射路由相比,这不是一个有效的点,因为我们不能把传感器节点规范与BS作为b是更强大的,可以覆盖整个传感区域。第三,如果网络直径很大,那么位于网络的边缘节点需要更多的传动功率达到b,并将很快耗尽精力。这极大地影响了整体网络的生活。假设在EEPSC不是有效的通用传感器网络的前景。如果网络中的所有节点是直接到达的废话,然后因为可扩展的环境,更多的碰撞可以发生在网络,最终结束了在更大的包丢失。

3.3.3。能量耗散模型

相同的能量模型用于模拟用于RARZ [2],EEHRT [9],EEPSC [7),和浸出11]。这也被称为一阶无线电模型开发和测试(8]。根据这个模型,当一个节点发送或接收一个n一些信息在距离x、能源消耗。发送一条消息,以下模型是利用:

接收消息,以下模型是利用:

在(2), 传输所需要的能量是一个n一些消息的距离x米,能源用于放大器实现一个可接受的信噪比(信噪比)。在(3),收到一个所需要的能量吗n一些信息,是收发器电路的能量。

3.4。低能量的自适应聚类层次结构(LEACH)

大量的工作在路由的东西是数字图书馆中可用。在所有的路由协议发展到现在,人们贡献了很多基于集群路由。利奇(11)是基于分布式CH选择和集群的形成,在传感器节点选出自己是CH节点概率基于剩余能量和位置信息。一个集中的方法也通过BS发达形成集群。LEACH-C基于LEACH和使用一个集中的方法对集群形成和CH的选择。CHs之间的直接沟通是制定和BS。浸出在不同的阶段或轮工作。每一轮始于一个配置阶段也称为网络设置阶段,后跟一个数据通信阶段。一旦所有节点将自己与他们的指定集群,他们将把他们的数据分配时间槽CH,然后是CH后将发送整个集群数据做一些必要的聚合BS。

4所示。仿真和结果讨论

我们比较基于zone路由(零转移)和分层路由(人力资源)基于以下指标用于仿真。模拟在OMNeT + +,使用一个INET框架(25]。(我)平均能量消耗和系统中剩余的能量(2)节点的数量随着时间的推移,活着和死了(网络生命周期)(3)消息成功收到的BS随着时间的推移,即。、网络吞吐量

我们使用相同的参数用于RARZ, EEHRT,浸出,EEPSC评估所有协议的性能。模拟的参数设置表中列出1。

在数据3(一个)和3 (b),剩下的平均能量消耗和能源系统中随着时间的推移,所有的协议所示。EEHRT和RARZ EEPSC和浸出相比表现更好,因为在RARZ EEHRT,不需要额外的控制信息建立的路由路径和CH选择网络。相反,很多控制数据包交换大量的通信的每一轮EEPSC和浸出网络中消耗了大部分的能源。各种控制数据包交换节点中找到合适的CH,但RARZ EEHRT消除这个开销通过选择下一跳节点不考虑任何控制信息,极大地影响了整个网络的生命周期。

数据4(一)和4 (b)显示节点的数量随着时间的推移,生和死。EEHRT和RARZ胜过EEPSC和浸出的网络寿命因为在EEHRT RARZ,能源消耗是均匀分布和最能级节点总是从事路由的目的。如图4EEPSC和浸出,所有的节点都存活了100秒前第一个节点完全消耗能源,而在EEHRT RARZ路由,即使在200年代,网络中的节点都死了,这是比EEPSC。

成功接收的消息的总数在BS如图5。显然表明,接收到的消息的数量在EEHRT和BS更RARZ相比EEPSC和浸出,因为每当一个节点有数据直接发送,它广播数据基于zone路由没有交换任何信息之前,每一轮的沟通的开始。如果我们彻底检查EEPSC和LEACH协议的路由过程,清楚地看到,在实际数据传输之前,大量的集群设置和路由交换控制信息,但在EEHRT和RARZ路由,没有这些信息所需的数据路由到b。路由是完全失明,动态路由完成没有任何拓扑信息存储在网络中。

性能提高图表显示零转移的比较分析与人力资源在能源效率方面,网络吞吐量和网络。%的普遍结果提出了改进。详细的比较分析结果对人力资源提出了零转移图6。

5。结论

在本文中,我们比较了两类不同的路由协议的性能,即基于zone路由(零转移)和分层路由(人力资源),在无线传感器网络。仿真表明,零转移优于人力资源总体网络生命周期而言,吞吐量和能源效率。主要的发现是,额外的控制信息极大地影响了整个网络的生命周期和路由过程。在零转移(EEHRT和RARZ),结果表明,不需要额外的控制信息和交换的节点或BS而选择下一跳节点。零转移并基于地理位置的路由不作任何假设的位置服务,如GPS。它还提高了路由的更加重视这些节点位于立即到下一个区域的数量大大减少啤酒花BS。因此,得出零转移优于人力资源在传感器网络在能源效率方面,网络吞吐量和整体网络的生命周期。

数据可用性

没有数据被用来支持本研究。我们进行了模拟评价基于zone的路由与分层路由的性能。然而,任何查询有关本文研究的高度赞赏,可以直接询问相应的作者通过电子邮件(rabnawaz@mail.ustc.edu.cn)。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金资助(批准号61631018)。我们感谢信息科学与技术学院(认定)、中国科技大学、合肥,中国,和通讯卫星大学,巴基斯坦阿伯塔巴德(校区),它完全支持我们通过提供所有关键资源在这个项目的实现和所有后阶段。

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