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国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志

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一种基于聚类方法的无线传感器网络发展路径

S.Diwakaran1, Dr.K.VimalaDevi2
  1. 印度泰米尔纳德邦斯里维利普图尔卡拉萨林加姆大学欧洲经委会系助理教授
  2. 印度泰米尔纳德邦西瓦卡西PSR工程学院CSE系教授
有关文章载于Pubmed，谷歌学者

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摘要

无线传感器网络由空间分布的自主传感器组成，用于监测温度、热量和压力等物理和环境条件。无线传感器网络的主要缺点是能量资源的限制，每个传感器节点由计算能力有限、内存有限的处理单元组成。为了克服无线传感器网络的这些局限性，对各种路由算法进行了分析能源网络中创建的高效路径。

关键字
集群，无线传感器，网络，能耗

介绍
微电子机械系统、技术和无线通信的最新进展导致了小型和低成本的传感器网络。传感器网络可包括健康监测、环境监测(温度、湿度、雷电状况、压力等)等多个应用领域。此外，许多领域的应用，如工厂自动化、化学污染监测、油气远程监测、建筑传感器和安防都采用了传感器计算。
无线传感器网络由微小的传感器节点组成，这些节点有三个基本组成部分:用于从物理周围环境采集数据的传感子系统，用于本地数据处理的子系统和用于数据传输的存储无线传输子系统。此外，电池对传感器节点至关重要。所有传感器将它们从给定区域感应到的数据发送到基站。这个行动中非常重要的问题是网络的能源效率。
无线传感器网络可以由数百个传感器节点组成。在通信过程中，传感器节点之间交换信息，便于发现相邻节点。

现有的工作
集群技术对于需要可伸缩性到数百或数千个节点的应用程序非常有用。术语可伸缩性描述了负载平衡和高效资源利用的需求。需要高效数据聚合的应用程序自然是集群的候选者。路由协议也可以采用聚类。传感器节点聚类的关键作用是在网络中的节点中选择一组簇头，并使用这些簇头对其余节点进行聚类。
集群架构可以更好地分配资源，增强电源控制。在能量约束下，它可以通过不同的网络大小和节点密度来实现平衡。
LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy): LEACH是一种大部分节点向簇头传输数据的层次协议。LEACH协议的运行分为两个阶段:
设置阶段:在设置阶段，组织集群并选择集群头。簇头对数据进行聚合、压缩并转发到基站。每个节点决定它是否会成为簇头，因此在每一轮中选择一个随机算法。如果一个节点一次成为簇首，那么它不能在P轮中再次成为簇首，其中P是期望的簇首百分比。此后，每个节点在每一轮中成为簇首的概率为1/P。簇头的这种旋转导致所有节点的能量消耗平衡，从而使网络的生命周期更长。
稳态阶段:在稳态阶段，数据被发送到基站。稳定状态阶段的持续时间比设置阶段的持续时间长，以最小化开销。此外，每个不是簇头的节点选择最近的簇头并加入该集群。之后，集群头为其集群中的每个节点创建一个计划，以传输其数据。
LEACH的主要优点是在能量耗散、易于配置和网络的系统生命周期/质量方面优于传统的通信协议。提供这种低能量的无线分布式协议将有助于WSN的发展。然而，LEACH使用单跳路由，其中每个节点都可以直接传输到簇头和接收器。因此，对于部署在较大区域的网络，不建议使用。此外，动态聚类可能会导致额外的开销，如磁头变化，广告等，这可能会减少能源消耗的收益。

问题公式化
任务是研究、模拟和比较无线传感器网络中使用的各种路由算法，并结合一些布放算法，使其能够解决以下问题:给定一个远程矩形场，任务是建立一个传感器网络，其基站位于中心，一些传感器节点的布置，遵循一定的路由协议，可以监视固定或随机生成的目标，并将目标报告给基站，在不影响性能的情况下，消耗较少的电力和维护。

该方法
无线传感器网络中的路由是一项艰巨的任务。这种需求导致了许多路由协议的出现。这些协议大多寻找最小能量路径或最短路径路由。总是使用这些路径将很快使这些节点失去多路径路由将流量分配到多个路径，而不是通过单一路径路由。本文建议的计划是首先找出邻居节点列表，然后从邻居节点中找到多条路径。数据包经过多条路径到达目的地。工作分为4个阶段:
(一)初始化阶段
(ii)寻找邻居节点
(iii)寻找多路径
(iv)保养阶段

(1)初始化阶段
在此阶段，首先对节点进行集群，并将“HELLO”包消息发送到所有节点。能量较多的节点被选为簇首(CH)。其余节点被视为该集群的成员节点。在簇头能量水平低于阈值的情况下，下一个CH将作为簇头，当前簇头进入睡眠模式。当系统启动时，常规节点将采集到的数据发送给簇头，簇头通过动态路由机制将数据通过邻近簇头转发到基站，以节省能源。集群无线传感器网络在发送数据时，簇头可能会损失一些能量。

(ii)寻找邻居节点
在找到多路径之前，为源节点创建一个邻居表。操作步骤如下:max node -网络中节点数x, y -当前节点id位置-节点数-阈值能量
R-节点剩余能量
G节点-当前节点传输范围内的节点
变速范围-传输范围
具体步骤如下:
1.获取每个集群中最大节点的值
2.获取源节点位置
3.设源节点的节点id为0
4.求出源节点与所有其他节点之间的距离
使用距离公式dis =√(y2-y1)2 + (x2-x1)2的节点，其中(x1, y1)是源节点的位置，(x2, y2)是要计算距离的节点的位置。
5.如果距离在传输范围内，且节点能量大于阈值能量，则更新源节点的邻居列表。考虑下面的图。2，node1 is acting as the source and node11 is the destination.
图像
网络模型
(iii)寻找多路径下一步是找出源到达目的的可用路径，在此路径中没有节点重复。通过使用邻居列表，可以找到没有重复节点的所有可能路径。
从图中我们可以得到源node1的可用路径为
节点1 - > 2 - > 5 - > 8 - > 11
节点1 - > 3 - > 6 - > 9 - > 11
Node1 - > 4 - > 7 - > 10 - 11 >
在所有这些路径中，没有节点是重复或重复的。由于数据包通过3条不同的路径发送，因此网络中没有流量或碰撞的机会。找到路径后，RREQ消息从源发送到目标。一旦RREP消息到达源节点，源节点就可以通过路径将其数据传递到目标节点。例如，在数据包迭代过程中，如果簇头能量水平下降到阈值以下，则下一个CH作为CH，上一个节点进入睡眠状态。但是在传感器网络中，由于网络拓扑的性质，在适当的情况下，这些路径甚至可能断裂。为了保持可靠的网络连接，路由维护就显得更为重要。

(iv)保养阶段:
在将数据从源发送到目的地时，路由中可能会有任何中断。发现两个节点之间链路断裂的节点向反向发送路由错误(route error, RERR)消息给源节点。从邻居列表表中，源节点使用备用有效路由。

吞吐量比较
图像

发生错误比较
图像

性能分析
并与现有的最短路径算法进行了比较。提出的算法证明了它在发送数据时只消耗更少的能量。第一个图表表明，对于更多的能源消耗，现有方法的吞吐量将会很高。估计误差将小于在第二个仿真图中所示的建议路径中的平均误差。图中显示，总剩余能量大于现有能量。因此，该方法在性能上优于现有方法。

结论
介绍了一种利用聚类多路径路由的节点能量的新方法。该算法具有节能高效、易于部署等优点，是无线传感器网络的理想选择。仿真结果表明，该方法节省了能量，提高了节点的使用寿命。该算法在节点数较多的多路径路由中还有待进一步研究。

数字一览
数字 数字
图1 图2

参考文献
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