关键字 |
| 合作通信，拓扑控制，节能，贪心算法，最优中继。 |
介绍 |
| 对高速无线网络日益增长的需求推动了无线自组织网络的发展。为了充分利用无线电硬件和集成电路的技术发展，它们允许实现更复杂的通信方案，应该重新评估无线网络的基本性能限制。在这种情况下，与有线网络相比，无线网络的独特特征导致了更复杂的协议和算法设计。物理层(PHY)的一些最重要的固有特性使设计更加复杂，包括在远程通信中被称为路径损耗的无线电信号衰减，以及由多径传播引起的衰落效应。为了减轻这些影响，用户必须增加其传输功率或使用更复杂的接收算法。无线性能的另一个重要限制主要是由于有限带宽上的通信造成的，那就是在同一频谱上通信的其他用户的干扰。无线自组织网络是一种多跳结构，它由没有基础设施的无线节点之间的通信组成。因此，他们通常有计划外的网络拓扑。无线自组织网络具有广泛的民用和军用应用，近年来引起了广泛的关注。设计无线自组织网络的主要关注点之一是减少能源消耗，因为无线节点通常只由电池供电。 |
| 无线节点需要节省电量，并维持与其他节点的连接，因为它们是由电池供电的。拓扑控制是指确定每个节点的传输功率，以保持网络连通性和消耗最小的传输功率。通过拓扑控制，每个节点可以在不使用其最大传输功率的情况下，通过一跳或多跳与多个节点保持连接。 |
| 因此，拓扑控制通过减少无线链路的数量，有助于节省电力和减少无线链路之间的干扰。拓扑控制[1-4]是无线自组织网络中得到广泛研究和应用的关键节能技术之一。拓扑控制允许每个无线节点选择一定的邻居子集或调整其传输功率，以节省能量的同时保持网络的连通性。拓扑控制作为无线自组织网络节能的关键技术之一，在无线自组织网络中得到了广泛的研究和应用。为了节省能源和延长网络寿命，拓扑控制让每个无线节点在保持网络连通性的同时，选择一定的邻居子集或调整其传输功率。最近，一种新的通信技术，协作通信(CC)[37]，[38]，已经被引入，以允许单天线设备利用多输入多输出(MIMO)系统的优势。这种合作通信探索了无线媒体的广播性质，并允许接收到传输信号的节点合作帮助其他节点预先铺设数据。最近的研究表明，在各种无线网络应用中，合作通信的性能显著提高:节能路由[39]-[41]和连接性改善[42]。 |
| 本文在考虑路由能效的基础上，研究了CC模型下的节能拓扑控制问题。利用物理层设计的优势，允许组合包含相同信息的部分信号来获得完整的数据，我们正式定义了合作能量扳手，其中任意两个节点之间的最小能量路径与原始合作通信图中的最优能量路径相比，保证能量有效。在此基础上，我们引入了基于CC (ETCC)的节能拓扑控制问题，其目的是获得一种总能耗最小的合作能量扳手，该合作通信技术也可用于拓扑控制。Cardei等在[35]中首先研究了合作模型(TCC)下的拓扑控制问题，其目标是获得总能量消耗最小的强连通拓扑。他们提出了两种算法，从一个连接的拓扑开始，假设它是传统(不使用CC)拓扑控制算法的输出，并使用CC模型降低能量消耗 |
LITERERTURE审查 |
| 一般来说，无线传感器网络中的路由可分为三种类型，即基于平面结构的路由、基于层次结构的路由和基于位置的路由[3][4]。在基于路由[5][6]的扁平结构中，所有节点通常被分配相同的角色或职责。而在典型的基于层次结构的路由[7][8][9]中，节点根据其在层次结构中的位置在网络中扮演不同的角色。在基于位置的路由[10][11]中，传感器节点的位置被利用来路由网络中的数据。近年来，针对传感器网络提出了许多路由协议。下面给出了其中一些协议的描述。Heinzelman、Kulik和Balakrishnan提出了一种协议，称为通过协商的信息传感器协议(SPIN)[12]，它提供了以数据为中心的路由方法，其中数据应该使用高级描述符或元数据命名。SPIN是一个由许多协议组成的家族。两种主要协议被称为SPIN-1和SPIN-2。SPIN-1协议是一个三阶段协议，但不考虑任何能量感知技术。而在SPIN 2中，当节点能量充足时，它使用SPIN-1的3阶段协议进行通信。 However, when the energy in a node starts approaching a low energy threshold it reduces its participation in the protocol, that means, it will participates only when it believes that it can complete all the other stages of the protocol without going below the threshold energy level. Ye, Chen, Lu, and Zhang have proposed an algorithm, called Minimum Cost Forwarding Algorithm (MCFA) [13] that sets up a back off based cost field to find the optimal cost path from all the nodes to the sink. Once the field is formed, the message, carrying dynamic cost information, goes along with minimum cost path in the cost field. This protocol consists of two phases. First phase is a setup phase for setting up the cost value in all nodes. In the second phase, the source broadcasts the data to its neighbors nodes. To minimize the number of broadcast messages, the MCFA was modified to run a back off algorithm at the setup phase. The back off algorithm dictates that a node will not send the updated message until back off time units have elapsed from the time at which the message is updated. Problems with the algorithm are high consumption of bandwidth and it may cause duplicate copies of sensor messages to arrive at the sink. In Power Aware Chain (PAC) [14] routing protocol proposed by Pham, Kim, Doh, and Yoo, all nodes organize themselves into the energy efficient chain with the help of MCFA protocol and depth first search. One node, elected as leader node, transmits data back to sink on behalf of all other nodes. Leader node election is based on the power available and the power needed for transmission from the node to sink. Each node aggregates received data from the previous node in the chain with its own collected data to produce an aggregated data packet. |
| 最近，Hong和Yang提出了一种基于谣言路由技术的传感器网络[8]能量均衡多径路由协议。在该协议中，作者考虑了一种概率方法，通过考虑从源到接收器的剩余能量和跳数来寻找从源到接收器的多路径。Chakchouk、Hamdaoui和Frikhax还提出了一种协议[9]，该协议使用从传感器节点到接收器的剩余能量和跳数，以实现逐跳能量感知路由。有一些能量感知路由协议，如[7][14]，它采用分层或基于集群的方法，通过考虑剩余能量或剩余能量来分配整个网络的流量，并延长网络的生命周期。S. Lindsey等人提出了一种与LEACH相关的算法，称为PEGASIS[4]。根据这些作者的观点，对于一个节点，在一定距离范围内，发送或接收电路所消耗的能量大于放大电路所消耗的能量。为了减少这种能源消耗，PEGASIS使用GREED算法将系统中的所有传感器节点组成一个链。仿真结果表明，PEGASIS的性能优于LEACH，特别是在sink节点与传感器网络距离过大的情况下。在[5]中，为了应对能量不均匀的情况，能量越高的节点成为簇首的概率越大。每个节点必须拥有网络中所有节点的能量等级信息，以验证其成为簇首的概率。 So, each node will not be able to make a decision to become a cluster head if only its local information is known. In such conditions, the scalability of this protocol will be influenced. Sh. Lee et al. proposed a new clustering algorithm CODA [6] in order to relieve the imbalance of energy run down caused by different distances from the sink. |
| CODA根据节点到基站的距离和路由策略将整个网络划分为组。所有组都有自己数量的集群和成员节点。CODA算法根据到基站的距离来区分簇的数量。成员节点到基站的距离越远，在单跳聚类的情况下形成的簇数越多。它在网络寿命和耗散能量方面比那些在全网应用相同概率的协议有更好的性能。但是，CODA的功能依赖于节点位置的全局信息，因此不具有可扩展性。以上讨论的路由协议都是基于能量感知技术的。但是，为了最大限度地减少能量消耗并延长网络的生命周期，路由协议必须支持睡眠调度方案，以便使大多数节点处于睡眠状态，而其余节点处于活动状态。支持睡眠调度的路由协议非常少，下面将介绍其中一些协议。Hou和Tipper提出了基于概率睡眠模式的平面结构。 At the beginning of a gossip period, each node chooses either to sleep with probability p or to stay awake with probability 1- p for the period, so that all the sleep nodes will not be able to transmit or receive any packet during the period. When an active node receives any packet, it must retransmit the same. All sleeping nodes wake up at the end of each period. All the nodes repeat the above process for every period. |
系统架构 |
| 一个任意的无线网络可以被建模为一个有向图G(N, E)，其中集合N包括网络中的所有N个节点，E是无线链路集。设Ti为从源节点Si到目的节点di的传输。传输Ti可以通过不同的传输模式来实现，有中继节点也可以没有中继节点，从而产生不同的分集。然而，一种传播只能在任何一种传播模式下进行，这导致了选择性多样性。为了更清楚地解释传输，引入传输模式的定义如下: |
| 传输模式:对于传输Ti，传输模式为g(Ti) = (R, h(R))，其中R是中继节点集，h(R)是这些中继节点的工作方式。本文将研究四种不同合作多样性的传播模式，如图1所示。 |
| (1)直接传输(DT): DT传输是一种单跳传输。Si通过一个槽位直接向Di传输，不涉及中继节点。故R =∅，h(R) = DT。 |
| (2)两跳传输(TT): TT传输是多跳转发的一种，本文以TT传输为代表。在InTT传输中，Si作为第一个槽的中继将数据包传输到中间节点，中间节点解码后转发给第二个槽的Di。Di只从中继解码信号。因此，R = {R}， h(R) = TT。 |
| (3)解码转发中继传输(DF):在DF传输中，Si将信号作为第一个槽的中继传输到中间节点R, R将接收到的信号解码后转发给第二个槽的Di。从源Si和从继电器R接收的组合信号在Di共同解码。故R = {R}， h(R) = DF |
| (4) IC协同传输(基于IC):有一个协同传输tj和三个辅助继电器R1、R2、R3。在传输过程中，Si和sjb将它们的包同时广播到拳头插槽中的三个中继。在第二个插槽中，每个中继扩展接收到的信号并并发地将它们转发到目的地[2]。因此，我们有ver = {R1,R2,R3}， h(R) = IC。 |
| 本文的重点是通过传输模式的选择来形成一个节能的网络拓扑结构。下面将讨论能源效率的度量 |
| 能源效益):能效是指以比特/焦耳为单位，每焦耳能达到的信息传输量，即 |
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| 其中Pg(Ti)和Cg(Ti)为传输模式为g(Ti)的传输Ti的总功耗和可实现吞吐量。 |
| 因此，对于一个网络中的所有传输T，整个网络的能源效率为 |
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| 显然，f(g(T))越大的拓扑结构具有更好的节能性能。为了达到最优的网络总能源效率，应根据网络条件动态选择传输模式。 |
算法 |
| 算法1联盟建立算法代表EESD |
初始化: |
| 调整网络分割线，即N的每个节点和T的每个广播对组成一个关联，S ={S1, E E E,Sn, Sn+1, E E E,Sn + T}，其中Si ={Ni}， 1。i .n and Sj = {Tj}， n + 1。J .n + t。 |
适应性联盟形成: |
| 使用合并和分裂建立联盟。 |
| 重复一遍: |
| a)联合会Si试图与sjgiving结合 |
| 合并规则。 |
| b)联邦根据拆分规则根据帕累托指令选择拆分。 |
| 直到:Merge-and-split restatementdismisses |
输出分区和传输: |
| 一个稳定的新分区S产生，变速器以最佳传导模式抽搐。 |
结论 |
| 本文概述了基于合作无线自组织网络拓扑控制系统的分布式节能选择分集(EESD)。我们还解释了选择性节能传输模式下的分布式用户合作，这导致了选择性多样性。在考虑信道信息交换成本的情况下，提出了自适应联盟组建算法，形成节能传输联盟。得到了算法的收敛性和收敛的稳定性。 |
数字一览 |
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| 图1 |
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参考文献 |
- 王磊，肖毅，“传感器网络中节能调度机制的研究”，Mob。Netw.Appl。，vol. 11, no. 5, pp. 723–740,2006.
- X. Hou和D. Tipper，“基于八卦的睡眠协议(gsp)在无线自组织网络中的节能路由”，在无线通信和网络会议，2004年。清华大学学报(自然科学版)，2004年3月，第1305-1310卷
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