使用UWSN最低成本有效的聚类算法

文摘

我们在水下传感器网络节点集群被认为是(UWSNs)来提高能源效率和延长网络的生命周期。在基于集群的UWSNs网络生存能力是一个伟大的关注。在本文中,我们提出一个可靠的集群协议提供一个可生存的集群层次对簇首在这样的网络故障。提出了集群协议试图选择一个主集群头和一个备份集群头在与失败相关的集群,集群成员集群头可以快速切换到备份集群在簇首失败的事件。与此同时,它试图选择一组集群与最低总成本,延长了网络的生命周期,以确保长期的水下环境监测。仿真结果表明,该协议可以有效地提高网络的生存能力,提高网络容量的簇首的失败。

关键字

水下传感器网络,网络的生命周期,残余能量

I.INTRODUCTION

能源效率是一个关键问题在水下传感器网络(UWSNs) [1 - 3]。确保长期、连续的水下环境监测、水下传感器节点必须有效的利用其有限的能量延长网络生命周期的能力。提高能源效率,节点集群网络已经普遍认为[4]。集群,每个传感器节点只需要将数据发送给相关的集群头在一个短的距离只有本地集群头需要继电器聚合数据数据接收器在很长一段距离,这可以极大地减少每个传感器节点的能量消耗,从而延长整个网络的生命周期。此外,节点集群导致层次网络体系结构,使可伸缩的介质访问控制、鲁棒路由和coordinatefree本地化[5]。1在严酷的水下环境中,然而,一个水下传感器节点容易失败或物理损坏,这可能会影响正常的网络操作。特别是,一个簇首失败可能导致连接的所有受影响的集群成员,从而破坏整个集群的操作。出于这个原因,网络生存能力成为一个伟大的关注clusterbased UWSNs。

以确保正常的网络操作,重要的是提供一个有效的生存机制恢复所有受影响的连接集群成员的簇首失败。传统上,重新集群可以用来解决簇首的失败。然而,这样的复苏机制通常是时间不敏感。在发生clusterhead失败,失败集群内的传感器节点将变得不活跃,直到下一次重聚簇被执行时,这将使传感覆盖不完整,从而影响正常的网络操作不活跃的时期。缩短这段不活跃时期,频繁重聚簇是必需的,这将导致巨大的控制开销。

在本文中,我们提出一个可靠的集群协议提供一个可生存的集群层次对clusterhead UWSNs失败。为此,提出集群协议试图选择一个主要集群头和一个备份集群头在集群,每个集群成员构建集群层次结构可以容忍clusterhead失败。事件的簇首失败,失败集群内的集群成员可以快速切换到备份集群头,从而恢复其连接到数据接收器没有等待下一次重聚簇。与此同时,协议试图选择一组集群与最低总成本,延长了网络的生命周期,以确保长期的水下环境监测。仿真实验进行评价其性能的网络容量的簇首的失败。

本文的其余部分被组织为跟进。在第二部分中,我们描述了网络架构和评审相关工作。在第三部分,我们提出的聚类协议。在第五部分中,我们显示仿真结果来评价其性能。在第六部分中,我们得出结论。

二世。网络体系结构和相关工作

2.1。网络体系结构

UWSN通常由几种水下汇位于不同的监控区域的中心,许多海底传感器节点周围的每一个水槽,和陆地表面站提供一个链接到一个控制中心。水槽有足够的电力供应和能够处理多个传感器节点的并行通信。所有传感器节点是同质和似稳。他们每个人可以用传输功率控制调整其传输范围。与陆地传感器网络,UWSN具有一些独特的特征,如高度有限的带宽,传播延迟,恶劣的地理环境,相对较小的网络规模[1]。

2.2。能量模型

我们使用相同的能量模型用于[7],提出了水声网络。根据模型,实现功率接收器距离d P0,发射机功率Etx (d)

Etx (d) = p0。d2。(10(α(f) / 10)) d

α(f),以dB / m,是一种介质吸收系数根据感兴趣的频率范围在一定水温度和盐度。

α(f) = 0.11 ((10 - 3. - f2) / (1 + f2)) + 44 (10 - 3. - f2) / (4100 + f2)) + 2.7 * 10-7f2 + 3 * 10 - 6

f是传输的载波频率测量在千赫。

2.3。相关工作

节点聚类的上下文中被广泛研究地面轮(5 - 8)和UWSNs [4]。然而,网络生存性问题的簇首的失败并没有被很好的解决,特别是,对水下传感器网络。传统的对于这一问题的解决方案是使用期刊重聚簇[5 - 6]。然而,重新集群将减少感知数据的及时性以及整个网络的覆盖,因为传感器节点在集群失败只能恢复执行,直到下一次重聚簇。在[10],一个健壮的energyefficient分布式集群网络(REED)提出了陆地。里德是一个HEED-based协议,旨在构建一个健壮的集群架构通过选择k独立设置的集群。然而,它通常是有效的只有陆地轮,不是UWSNs,因为它的有效性在一定条件下基于节点密度,通常满足高密度网络陆地。在UWSNs,传感器节点通常是分散的稀疏。[1],faulttolerant集群机制提出了动态执行本地重聚簇一旦大多数集群达成共识的存在失败。然而,这种机制是专门为异构传感器网络,在集群头强大的网关负责故障检测和恢复。

三世。可靠的集群协议

3.1。问题陈述

我们认为可靠的聚类问题,构造一个集群层次与每个集群成员由两个不同的集群。这个问题类似于图论中的domatic分区问题[2]。domatic分区是分区的每个部分是一组控制顶点。domatic分区,图中的每个顶点在支配集或有一个邻居集合。在集群网络中,每个传感器节点是集群头或一个集群成员。因此,所有集群头构造一组控制。domatic分区可以产生不同的控制集。相应地,domatic分区问题的解决方案也可以网络分区,每个集群成员可以由几个不同的集群。domatic分区问题是一个众所周知的NPcomplete问题。直接解决这个问题是贪婪地选择小控制集和迭代从图中删除所选控制集,直到剩下的不再是主导。基于贪婪算法,我们提出一个可靠的集群协议构建集群层次与每个集群成员由两个不同的集群,这在下一节中描述。

3.2。可靠的集群协议

答:功能

可靠的集群协议是基于贪婪算法在求解domatic分区问题,是建立在最小费用集群协议(MCCP)[4]实现能源效率。选择两个集群头为每个集群成员,它首先选择一组主集群头(即。一套控制),覆盖整个网络。然后删除所选择的集群头并选择另一组集群头从剩下的传感器节点备份集群。拟议中的协议有两个贪婪算法的主要区别。首先,它不需要选择一个小的控制设置或少量的集群头覆盖整个网络。相反,一组集群与更高的能源选择。选择较小的支配集的目的在贪婪算法保证多个不同的簇头可以找到,这样每个集群成员可以与多个备份集群。这个约束,能源效率不能考虑集群。UWSNs,传感器节点通常是专为极端环境和更高的可靠性。

降低计算复杂度和控制开销,一个备份集群头通常是可以接受的。出于这个原因,它是不必要的选择小的支配集在集群,这使得它可以考虑能源效率而不影响备份集群头的选择。第二,贪婪算法需要找到一个新的支配集或一组备份集群头不仅覆盖其余集群成员,而且封面主集群。相比之下,该协议只需要选择备份集群头覆盖其余集群成员因为备份集群头只激活当主簇头失败。

b .程序

协议过程可分为三个阶段:初始化阶段,集群阶段和结束阶段。

1)初始化阶段

每个节点可以在以下三种状态之一:集群头(用头),集群成员(用中介)和集群头候选人(用萤石)。最初,每个节点是簇首的候选人,因此在萤石状态。首先,每个节点执行本地拓扑发现找出单邻国和维护一个发现邻居集,其中包含单邻国仍在萤石的状态。候选人可能会产生许多不同的集群通过结合不同节点的邻居发现。如果一个候选人v有一组发现邻居紫外线,它可以生成2紫外线潜在的集群。在所有潜在的集群,候选人选择一个集群作为合格的集群与最低平均成本

电动汽车(或欧盟)节点的剩余能量v(或u)规范化的初始能量节点和乙(0 < Eth < 1)是一个残余能量阈值。当一个节点的规范化的残余能量大于这个阈值(例如,x≥乙),节点称为高能状态。否则,它处于一个低能量状态(例如,x <乙)。(欧盟(t))和f (Ev (t))节点的能量函数u和v,其相应的簇首候选人。

b)聚类阶段

如果候选人本身有最低平均成本,它就变成了一个集群头和广告邀请消息对所有合格的集群中的节点邀请他们成为它的集群成员。如果一个邀请候选人收到的消息,此消息的目的地是候选人,候选人将首先改变其候选人状态到中介状态。加入消息将承认收到邀请信息,同时通知候选人的集群中的其他候选人直径已成为一些集群的集群成员。如果没有收到邀请信息或邀请其他节点接收消息,萤石的候选人将保持状态,重新选择合格的集群因为其邻居发现的一些元素可能是由一些集群正面或已成为集群正面。与此同时,一个节点成为一个集群成员之后,它将继续监视邀请其他节点的消息,这些消息的发送者的id添加到它的CH列表。上面的程序执行的所有候选人,直到他们每个人成为一个集群头或一个集群成员。最后,没有候选人在网络集群,每个集群成员与一个主头,包含在CH列表中。同时,CH列表也可能包含一个或多个集群头的覆盖区域相交与主簇头。

c)终结阶段

CH列表生成聚类阶段可能包含两个或两个以上的集群,这不过是没有保证的。因此,每个集群成员是由一个新的主集群交头接耳或成为集群本身。因此,CH列表包含至少一个元素为每个集群成员,通过结合生成两个CH列表最后CH列表包含至少两个集群。对于每个集群成员,簇头的备份CH列表与最小距离集群成员被选中作为备份集群头,在备份CH列表是一组不包括主簇头的CH列表。

四、算法

我初始化

(c) Join_cluster (cluster_head_ID NodeID)

其他(d) cluster_head_msg (NodeID、成本)

(e)比较avg集群成本和个人集群成本

三世终结阶段

如果状态是集群成员

为每个CH (b)有两个元素列表

CH_SET←CH (v) CH_old (v)

(c)最后CH至少有两个集群

(d)计算最小距离

(e)备份集群头←(最小距离节点)

在上面的伪代码,CH (v)是CH组候选诉Av是合格的候选人诉十五是一组包含Av的集群成员。头一个标记表示一个集群。萤石是一个标志指示的候选人。中介是一个标志指示一个集群成员。邀请(v,十五)是一个消息邀请节点集十五成为候选v的集群成员,加入(v, u)是一个消息承认节点v已经收到邀请信息发送的候选人u和加入集群作为集群成员的候选人。

3.3。故障检测

故障检测是集群成员的先决条件与备份集群切换到集群的集群事件失败的一个主要的头。每个集群成员可以独立检测的失败集群头通过检查心跳定期发送的集群。由于信道的不确定性或信号干扰的水下环境,然而,一个传感器节点可能误检测的失败集群头,这将引发不必要的故障恢复过程,从而消耗额外的能量。为避免不必要的能源消耗,准确检测的失败是很重要的一个集群。此外,检测机制不应该打断正常的数据传输。

支持精确和TDMA兼容故障检测,我们采用高精度检测机制提出了专门为水下传感器网络[8]。检测机制是基于TDMA的MAC协议和并发运行正常的网络操作通过定期执行分布式检测过程在每个集群成员。它结合了独立的故障检测与分布式协议协议达成协议在集群的故障状态的头上,这样可以很大程度上提高检测精度。

诉绩效评估

在本节中,我们评估的性能提出了集群协议通过仿真实验。我们使用ns-2执行仿真和扩展到包括水下传播损耗和物理层水下收发器的特征。在仿真中,我们考虑了传感器节点统一部署在100 m×100 m感应区域,除非另有说明。我们假设在每一轮的开始,每个节点有一个初始电池2 j。图1显示在活动节点的数量变化时间绘制。

六。结论

在本文中,我们提出了一个可靠的集群协议提供一个可生存的集群层次对簇首在UWSNs失败。提出了集群协议试图选择一个主集群头和一个备份集群头在与失败相关的集群,集群成员集群头可以快速切换到备份集群在簇首失败的事件。与此同时,它试图选择一组集群与最低总成本,延长了网络的生命周期,以确保长期的水下环境监测。仿真结果表明,该协议可以有效地提高网络的生存能力,提高网络容量的簇首的失败。

引用

1. [1]i Akyildiz、d . Pompili和t .笛管音栓,水声传感器网络:研究挑战,“爱思唯尔的特设网络,杂志》3卷,3号,2005年3月,页257 - 281。
2. [2]j . Heidemann w .你们j .遗嘱a·赛义德·李和y“水下传感器网络研究的挑战和应用,”在Proc。Ieee无线通讯和网络会议,拉斯维加斯,Nv, 2006年4月。
3. [3]m·g·崔Jun-Hong Jiejun香港和美国,“挑战:构建可伸缩移动水下无线传感器网络对于水生的应用程序,“IEEE网络,20卷,没有。3、2006年5月。pp.12-18。
4. c . Li [4] p . Wang和j .郑”对水下传感器网络分布式集群最少费用协议(UWSNs),“在Proc. IEEE国际刑事法庭的07年,格拉斯哥,苏格兰,Jun.2007。
5. [5]诉Mhatre和c·罗森博格均匀vs异构集群网络:比较研究中,“在Proc. IEEE国际刑事法庭的04,6卷,巴黎,法国,2004年6月,第3646 - 3651页。
6. [6]w·b·Heinzelman a . p .切卓卡山和h·巴拉科瑞斯南,“无线微传感器网络的特定于应用程序的协议体系结构,“无线通讯,IEEE, 1卷,不。4,2002年10月,页660 - 670。
7. [7]刘销,黄Ting-lei,周Xian-yan,吴Gong-xing,“一种改进的聚类算法的无线传感器网络节能不平等”,IEEE国际会议ontelligent计算和综合基于930 - 933年,2010页。
8. [8]Xu Lu Lianglun Cheng宁,”一个无线传感器网络数据聚合不平等的集群路由协议”,第二国际智能系统和应用研讨会,页1 - 4,5月22日至23日,2010年。