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摘 要:当今的无线传感器网络成为世界关注的焦点,其大量组成的传感器节点在网络覆盖区域内,能感知和采集,并处理相关信息,传送到基站。由于其自身能量的限制,传感器网络消耗的能量大小成为关注的一个核心问题。对于该问题,本文通过改进的LEACH-energy,以LEACH和PEGASIS路由协议为基础,得出新的路由算法——APLe(Adaptive PEGASIS&LEACH-energy)。APLe在簇内自适应地决定采用链式结构或是星形结构,既体现了PEGASIS和LEACH-energy在能耗方面的优势,又弥补了PEGSIS时延的缺陷。通过理论和仿真实验论证,改进的Figure 1 APLe topology在网络中减低能耗、便于管理、延长生命周期有显著提高。
关键词:无线传感器网络;路由技术;能量损耗;LEACH;PEGSIS
由于PEGASIS链中的节点没有分簇,导致链中节点时延大和不利于管理等因素,本文将PEGASIS和LEACH-energy分簇算法相结合,推导出的另一算法APLe,体现了彼此利于管理和节能的优势。
1 网络模型建立、算法假设
该算法假设与LEACH-energy相同,除网络中节点可感知自身位置信息外,設网络中存在N个传感器节点,彼此随机地分布于M×M的正形区域中间,且传感器节点有下列性质:①网络中基站节点(Sink)固定,能源充足,距离传感器节点均较远。②网络中所有传感器节点同构且总有数据要传输,能感知其剩余节点能量。③网络中每个节点可直接与基站(Sink节点)通信,通信结构对称。
2 对topology算法简介
该算法结合LEACH的特点,每周期按轮选取簇首,利用LEACH-energy选择簇首的方法形成相应的簇后,簇内节点根据簇内能耗最小的原则,选取PEGASIS的链式或者LEACH星形拓扑结构。
2.1 选举簇首。簇首的选择同LEACH-energy,每节点生成一随机数值,与式子<D:\123456\中小企业管理与科技·下旬刊201510\1-297\75-1.jpg>中的阈值<D:\123456\中小企业管理与科技·下旬刊201510\1-297\75-1.jpg>进行大小比较,使小于<D:\123456\中小企业管理与科技·下旬刊201510\1-297\75-1.jpg>的节点成为簇首节点。
2.2 簇中拓扑结构确立。簇首节点通过ADV广播通知网络中其它节点,其它节点从属于接受到最强信号的簇首,形成簇的建立。
簇首和其它普通节点在通讯过程中附带自身地理信息,使
节点彼此知道相应的位子。簇内节点在收发大小均等信息发出
时,算出簇内节点分别采取PEGASIS和LEACH的拓扑结构时,分别产生的能量损耗值Ep和El,按能耗最小原则采用相应的拓扑结构。
节点用于发送消息的能耗,跟无线通信中的距离、环境和数据包有关,对应表达式为:
[(1)]<D:\123456\中小企业管理与科技·下旬刊201510\1-297\75-2.jpg><D:\123456\中小企业管理与科技·下旬刊201510\1-297\75-2.jpg>
式(1)中,<D:\123456\中小企业管理与科技·下旬刊201510\1-297\75-2.jpg>为传输中数据包损耗的能量,与<D:\123456\中小企业管理与科技·下旬刊201510\1-297\75-2.jpg>成正比,<D:\123456\中小企业管理与科技·下旬刊201510\1-297\75-2.jpg>设为数据包的值,单位bit;<D:\123456\中小企业管理与科技·下旬刊201510\1-297\75-2.jpg>为处理独个信号的能耗;<D:\123456\中小企业管理与科技·下旬刊201510\1-297\75-2.jpg><D:\123456\中小企业管理与科技·下旬刊201510\1-297\75-2.jpg>为传输中发送每个数据包能耗,其跟环境、数据包值、传输距离d均有关;<D:\123456\中小企业管理与科技·下旬刊201510\1-297\75-2.jpg>为多经传播和自由空间传播的临离,若<D:\123456\中小企业管理与科技·下旬刊201510\1-297\75-3.jpg>,<D:\123456\中小企业管理与科技·下旬刊201510\1-297\75-3.jpg>,<D:\123456\中小企业管理与科技·下旬刊201510\1-297\75-3.jpg>为在自由空间中传播所耗功率,β传输的损耗因子,其值为2;若<D:\123456\中小企业管理与科技·下旬刊201510\1-297\75-4..jpg>,<D:\123456\中小企业管理与科技·下旬刊201510\1-297\75-4..jpg>,<D:\123456\中小企业管理与科技·下旬刊201510\1-297\75-4..jpg>为在多经传播途中所耗功率,β值为4。
接收信号时,节点的能耗为:
<D:\123456\中小企业管理与科技·下旬刊201510\1-297\75-5.jpg>(2)
式(2)中,<D:\123456\中小企业管理与科技·下旬刊201510\1-297\75-5.jpg>为处理数据包时接收机能耗,跟距离d无关;<D:\123456\中小企业管理与科技·下旬刊201510\1-297\75-5.jpg>是单个数据包进行数据融合产生的能耗。 若采用链式结构,簇内节点收发信息的能耗为:
<D:\123456\中小企业管理与科技·下旬刊201510\1-297\75-6.jpg>(3)
若采用星型结构,簇内节点收信息的能耗为:
<D:\123456\中小企业管理与科技·下旬刊201510\1-297\75-7.jpg>(4)
把相应的计算结果EP和El传送于簇首,比较EP、El值,若El较小,簇中将用星型的拓扑结构,若EP较小,簇中将用链式拓扑结构。
簇首广播通知簇内的其它节点传输的最佳方案,若用PEGASIS结构则告知普通节点如何进行码字分配,若用LEACH-energy结构,要进行CDMA码字和TDMA时隙。
2.3 通信阶段。若采用PEGASIS结构,簇内节点按链末节点一直传送到最后簇首节点,每级进行数据融合;若用LEACH-energy结构,用TDMA的多址方式进行数据传输。
最后,网络中的所有簇首节点把融合的数据传给Sink节点。
3 APLe算法分析
3.1 节点发送接受信号的能耗为式(1)和式(2),其与通信的距离、环境和数据包有关。
3.2 性能分析。本文APLe的算法结合了PEGASIS和LEACH-energy算法的优点,按LEACH-energy的方式选簇首,形成相应的簇。再根据能量最小原则采用相应的簇内结构,这样打断了PEGASIS因长链存在时延的缺陷,簇首根据LEACH-energy多跳和单跳的通信方式将信息传送给接受终端,达到减低整个网络能量损耗延长网络生命的目的。
4 算法仿真设置
4.1 设置参数。在仿真中过程中, 设20s为每轮工作时间,设定2s为成簇阶段,其中每1秒为一帧,设置18s为传输数据阶段。Eelec为电气能耗参数,其取决于信号的调制和数據编码方式,亦取决于扩频和滤波特性;<D:\123456\中小企业管理与科技·下旬刊201510\1-297\75-8.jpg> 和<D:\123456\中小企业管理与科技·下旬刊201510\1-297\75-8.jpg>为传输信号能耗参数,其取决于系统误比特率和收发端距离;数据融合耗能为EDA。
4.2 仿真结果与分析。根据结果显示出了节点分别携带1J和2J初始能量随时间变化的过程。APLe与LEACH和LEACH-energy算法相比,APLe网络中节点死亡速度最慢,延迟时间最长。由于节点携带初始能量为2J,仅算法的执行时间相对较长一些。
5 本章小结
这里介绍的APLe算法分别体现了PEGASIS的链式拓扑结构低能耗的优点,又体现了LEACH-energy分簇算法便于管理和低延时的特点,用过OPNET对该算法进行的仿真实验表明了APLe路由协议具有时延小、能耗低,簇内节点便于管理的优点。
参考文献:
[1]马红艳.对无线传感器网络的LEACH算法的改进研究[J].人文社科论文,2014.11.
[2]张少军.无线传感器网络技术及应用[M].北京:中国电力出版社,2010.
[3]王擎.无线传感器网络路由技术研究[D]:西安:西安电子科技大学电信学院,2009.
关键词:无线传感器网络;路由技术;能量损耗;LEACH;PEGSIS
由于PEGASIS链中的节点没有分簇,导致链中节点时延大和不利于管理等因素,本文将PEGASIS和LEACH-energy分簇算法相结合,推导出的另一算法APLe,体现了彼此利于管理和节能的优势。
1 网络模型建立、算法假设
该算法假设与LEACH-energy相同,除网络中节点可感知自身位置信息外,設网络中存在N个传感器节点,彼此随机地分布于M×M的正形区域中间,且传感器节点有下列性质:①网络中基站节点(Sink)固定,能源充足,距离传感器节点均较远。②网络中所有传感器节点同构且总有数据要传输,能感知其剩余节点能量。③网络中每个节点可直接与基站(Sink节点)通信,通信结构对称。
2 对topology算法简介
该算法结合LEACH的特点,每周期按轮选取簇首,利用LEACH-energy选择簇首的方法形成相应的簇后,簇内节点根据簇内能耗最小的原则,选取PEGASIS的链式或者LEACH星形拓扑结构。
2.1 选举簇首。簇首的选择同LEACH-energy,每节点生成一随机数值,与式子<D:\123456\中小企业管理与科技·下旬刊201510\1-297\75-1.jpg>中的阈值<D:\123456\中小企业管理与科技·下旬刊201510\1-297\75-1.jpg>进行大小比较,使小于<D:\123456\中小企业管理与科技·下旬刊201510\1-297\75-1.jpg>的节点成为簇首节点。
2.2 簇中拓扑结构确立。簇首节点通过ADV广播通知网络中其它节点,其它节点从属于接受到最强信号的簇首,形成簇的建立。
簇首和其它普通节点在通讯过程中附带自身地理信息,使
节点彼此知道相应的位子。簇内节点在收发大小均等信息发出
时,算出簇内节点分别采取PEGASIS和LEACH的拓扑结构时,分别产生的能量损耗值Ep和El,按能耗最小原则采用相应的拓扑结构。
节点用于发送消息的能耗,跟无线通信中的距离、环境和数据包有关,对应表达式为:
[(1)]<D:\123456\中小企业管理与科技·下旬刊201510\1-297\75-2.jpg><D:\123456\中小企业管理与科技·下旬刊201510\1-297\75-2.jpg>
式(1)中,<D:\123456\中小企业管理与科技·下旬刊201510\1-297\75-2.jpg>为传输中数据包损耗的能量,与<D:\123456\中小企业管理与科技·下旬刊201510\1-297\75-2.jpg>成正比,<D:\123456\中小企业管理与科技·下旬刊201510\1-297\75-2.jpg>设为数据包的值,单位bit;<D:\123456\中小企业管理与科技·下旬刊201510\1-297\75-2.jpg>为处理独个信号的能耗;<D:\123456\中小企业管理与科技·下旬刊201510\1-297\75-2.jpg><D:\123456\中小企业管理与科技·下旬刊201510\1-297\75-2.jpg>为传输中发送每个数据包能耗,其跟环境、数据包值、传输距离d均有关;<D:\123456\中小企业管理与科技·下旬刊201510\1-297\75-2.jpg>为多经传播和自由空间传播的临离,若<D:\123456\中小企业管理与科技·下旬刊201510\1-297\75-3.jpg>,<D:\123456\中小企业管理与科技·下旬刊201510\1-297\75-3.jpg>,<D:\123456\中小企业管理与科技·下旬刊201510\1-297\75-3.jpg>为在自由空间中传播所耗功率,β传输的损耗因子,其值为2;若<D:\123456\中小企业管理与科技·下旬刊201510\1-297\75-4..jpg>,<D:\123456\中小企业管理与科技·下旬刊201510\1-297\75-4..jpg>,<D:\123456\中小企业管理与科技·下旬刊201510\1-297\75-4..jpg>为在多经传播途中所耗功率,β值为4。
接收信号时,节点的能耗为:
<D:\123456\中小企业管理与科技·下旬刊201510\1-297\75-5.jpg>(2)
式(2)中,<D:\123456\中小企业管理与科技·下旬刊201510\1-297\75-5.jpg>为处理数据包时接收机能耗,跟距离d无关;<D:\123456\中小企业管理与科技·下旬刊201510\1-297\75-5.jpg>是单个数据包进行数据融合产生的能耗。 若采用链式结构,簇内节点收发信息的能耗为:
<D:\123456\中小企业管理与科技·下旬刊201510\1-297\75-6.jpg>(3)
若采用星型结构,簇内节点收信息的能耗为:
<D:\123456\中小企业管理与科技·下旬刊201510\1-297\75-7.jpg>(4)
把相应的计算结果EP和El传送于簇首,比较EP、El值,若El较小,簇中将用星型的拓扑结构,若EP较小,簇中将用链式拓扑结构。
簇首广播通知簇内的其它节点传输的最佳方案,若用PEGASIS结构则告知普通节点如何进行码字分配,若用LEACH-energy结构,要进行CDMA码字和TDMA时隙。
2.3 通信阶段。若采用PEGASIS结构,簇内节点按链末节点一直传送到最后簇首节点,每级进行数据融合;若用LEACH-energy结构,用TDMA的多址方式进行数据传输。
最后,网络中的所有簇首节点把融合的数据传给Sink节点。
3 APLe算法分析
3.1 节点发送接受信号的能耗为式(1)和式(2),其与通信的距离、环境和数据包有关。
3.2 性能分析。本文APLe的算法结合了PEGASIS和LEACH-energy算法的优点,按LEACH-energy的方式选簇首,形成相应的簇。再根据能量最小原则采用相应的簇内结构,这样打断了PEGASIS因长链存在时延的缺陷,簇首根据LEACH-energy多跳和单跳的通信方式将信息传送给接受终端,达到减低整个网络能量损耗延长网络生命的目的。
4 算法仿真设置
4.1 设置参数。在仿真中过程中, 设20s为每轮工作时间,设定2s为成簇阶段,其中每1秒为一帧,设置18s为传输数据阶段。Eelec为电气能耗参数,其取决于信号的调制和数據编码方式,亦取决于扩频和滤波特性;<D:\123456\中小企业管理与科技·下旬刊201510\1-297\75-8.jpg> 和<D:\123456\中小企业管理与科技·下旬刊201510\1-297\75-8.jpg>为传输信号能耗参数,其取决于系统误比特率和收发端距离;数据融合耗能为EDA。
4.2 仿真结果与分析。根据结果显示出了节点分别携带1J和2J初始能量随时间变化的过程。APLe与LEACH和LEACH-energy算法相比,APLe网络中节点死亡速度最慢,延迟时间最长。由于节点携带初始能量为2J,仅算法的执行时间相对较长一些。
5 本章小结
这里介绍的APLe算法分别体现了PEGASIS的链式拓扑结构低能耗的优点,又体现了LEACH-energy分簇算法便于管理和低延时的特点,用过OPNET对该算法进行的仿真实验表明了APLe路由协议具有时延小、能耗低,簇内节点便于管理的优点。
参考文献:
[1]马红艳.对无线传感器网络的LEACH算法的改进研究[J].人文社科论文,2014.11.
[2]张少军.无线传感器网络技术及应用[M].北京:中国电力出版社,2010.
[3]王擎.无线传感器网络路由技术研究[D]:西安:西安电子科技大学电信学院,2009.