文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2012)04-0084-03
隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用熱潮的興起,作為其感知層的無(wú)線傳感網(wǎng)的路由技術(shù)成為新的研究熱點(diǎn)。無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)是由電池供電,特殊的工作環(huán)境決定了節(jié)點(diǎn)電池的不可更換性。由于無(wú)線傳感網(wǎng)中部分節(jié)點(diǎn)的過(guò)早死亡會(huì)造成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信的癱瘓,因此,節(jié)點(diǎn)的節(jié)能和能耗均衡是無(wú)線傳感網(wǎng)有效工作的前提。本文針對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的這些限制,提出了一種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中基于圓環(huán)域的單、多跳結(jié)合的簇頭混合通信路由算法(LEACH-RMC)。通過(guò)均衡網(wǎng)絡(luò)的能量負(fù)載以整體達(dá)到增加網(wǎng)絡(luò)壽命的目的。
1 分簇路由與能耗不均衡性
無(wú)線傳感網(wǎng)路由協(xié)議分為平面路由和分層路由。分層路由可以有效地減少網(wǎng)絡(luò)的能量消耗[1],許多能量高效的路由協(xié)議都是在簇結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的。MIT的HEINZELMANZ W等人率先提出分層的LEACH協(xié)議[1],它通過(guò)等概率周期性選擇簇頭,將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量負(fù)載平均分配到每個(gè)節(jié)點(diǎn),以達(dá)到降低網(wǎng)絡(luò)能耗的目的。但LEACH不適合在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中使用。SMARAGDAKIS G等人在LEACH的基礎(chǔ)上提出了適用于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的SEP協(xié)議[2],簇頭選舉以初始能量為參數(shù),能量高的節(jié)點(diǎn)更多地當(dāng)選簇頭,但它沒(méi)有考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量。卿利等人提出一種新的分布式能量有效成簇算法DEEC[3],在SEP的基礎(chǔ)上考慮了節(jié)點(diǎn)的剩余能量,它能獲得比LEACH和SEP等算法更長(zhǎng)的生存時(shí)間和吞吐量[3]。但是,這些協(xié)議都沒(méi)有最大化網(wǎng)絡(luò)的效益。首先,它們都采用簇頭輪換機(jī)制,每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有機(jī)會(huì)擔(dān)當(dāng)簇頭,因此所有節(jié)點(diǎn)都應(yīng)具備必要的硬件條件;其次,在通信中使用的都是單跳,距離基站遠(yuǎn)的簇頭將消耗更多的能量。相反,采用多跳通信,距離基站近的簇頭因?yàn)橐D(zhuǎn)發(fā)更多數(shù)據(jù)而存在更大的能量負(fù)載。因此網(wǎng)絡(luò)中總是存在不均衡耗能的模式。
2 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型
2.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
將監(jiān)測(cè)區(qū)看成是半徑為R的圓域,基站在圓心位置。節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在圓域中,簇頭密度為?姿1,因此每個(gè)簇頭平均傳輸半徑為r1:
簇頭過(guò)早死亡造成網(wǎng)絡(luò)癱瘓。
圖3是兩種協(xié)議在各輪次的總能耗比較。由圖明顯得到,200輪以前兩種協(xié)議均處于穩(wěn)定狀態(tài),而 LEACH-RMC協(xié)議在每輪的能耗都比LEACH少,這說(shuō)明LEACH-RMC協(xié)議均衡了網(wǎng)絡(luò)各輪次的能耗。
在無(wú)線傳感網(wǎng)中,使用分簇然后引進(jìn)一些強(qiáng)大的節(jié)點(diǎn)始終作為簇頭,能夠提高系統(tǒng)的性能,延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期而且節(jié)約了硬件花費(fèi)。而混合通信模式有效地均衡了網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載,延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定期。通過(guò)分析和實(shí)驗(yàn)仿真,證明了LEACH-RMC協(xié)議比LEACH效果好。
參考文獻(xiàn)
[1] HEINZELMAN W, CHANDRAKASAN A, BALAKRISHNAN H. An application-specific protocol architecture for wireless microsensor networks [J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2002, 1(4): 660–670.
[2] SMARAGDAKIS G, MATTAI, B A. SEP: A stable election protocol for clustered heterogenous wireless sensor networks[C]. Proceedings of the International Workshop on Sensor and Actor Network Protocols and Applications, Boston,USA.2004.
[3] 卿利,朱清新,王明文.異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布式能量有效成簇算法[J].軟件學(xué)報(bào), 2006,17(3):481-489.
[4] Li Min, Long Jun, Jian Pingyin. An efficient key management based on dynamic generation of polynomials for heterogeneous sensor networks[C]. 2010 2nd International Conference on Computer Engineering and Technology. 2010 IEEE:460-464.
[5] MACHADO R, ANSARI N, WANG G. Adaptive density control in heterogeneous wireless sensor networks with and without power management[J]. IET Commun, 2010,4(7):758-767.
[6] Li Han. LEACH-HPR: An energy efficient routing algorithm for heterogeneous WSN[C]. Intelligent Computing and Intelligent Systems (ICIS), 2010 IEEE International Conference on, Oct. 2010(2):507-511.