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FTEAP:能量自适应容错和权力意识到集群无线传感器网络的协议

Mehdi Golsorkhtabar Amiri* 1、2、Naeim压力1伊巴迪,赛义德1、2
  1. 伊斯兰自由大学,大不里士分支、大不里士、伊朗
  2. 青年科学家俱乐部,大不里士、伊朗
通讯作者:Mehdi Golsorkhtabar阿米里,电子邮件:M.golsorkhtabar@iaut.ac.ir
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文摘

无线通信的进步使得可能的低成本的无线传感器网络的发展。无线传感器网络(网络)和大量的小型传感器节点可用于监视和控制物理环境从远程位置更好的准确性。这个网络由于共享无线通信介质和部署不愉快环境错误倾向。本文介绍了新的容错协议来降低整体功耗,在无线传感器网络最大化网络的生命周期。提出FTEAP协议,旨在减少网络资源的消费在每一轮的数据通信和聚合是一种容错技术保证值得信赖的传感器节点和基站之间的通信通过选择最强的节点作为簇首和选举簇首保留。仿真结果表明,该算法具有较高的效率,能达到更好的网络寿命和能源消耗。

关键字
容错;无线传感器网络;聚类算法;节能;网络生命周期

介绍
现在进展MEMS(微机电系统)和无线网络技术的发展小型、廉价、低功率分配装置,能够本地处理和无线通信成为现实。这样的装置被称为无线传感器节点。无线传感器网络是一个小系统,无线通信节点,每个节点配备多个组件。各种各样的传感器可能会加入到传感器节点测量性能的现象。这些网络是非常有用的在环境监测等应用程序,包括监测空气土壤和水,条件基础维护、栖息地监测、地震探测、军事侦察、库存跟踪、地震、医疗数据采集等,因为他们的低成本、小尺寸和无线转换。传感器网络由许多小,自我组织的节点形成一个自组网报告感知数据的常见的节点称为下沉。由于部署大量的传感器节点在失控甚至严厉的或敌对的环境中,这是常见的传感器节点成为错误的和不可靠的(1 - 6)。硬件的故障是一个错误的状态或程序结果失败的组件[7]。聚类是一种有效的方法来减少无线传感器网络的能量消耗。为此网络细分成更小的团体称为集群,每个集群将有一次头,在许多情况下,它被称为簇首(CH),而其他节点加入集群成员。 These member nodes forward sensed data to CH that are processed and forwarded to base station through hierarchy of CHs. A CH may be elected by the sensors of cluster or preassigned by the network designer. A CH is answerable for transmitting any information sensed by the nodes in its cluster and may aggregate and compress the data before sending it to the base station. Data aggregation decreases data packet size by eliminating the information redundancy. Clustering is also useful for spatial reuse of the bandwidth due to the node clustering and robust and scalable in the face of topological changes caused by node failure, insertion or removal [8, 9]. Routine clustering algorithms stand with the problem of unequal energy consumption. Cluster-heads drain energy much faster than cluster members and so the network lifetime is reduced. In order to balance the energy consumption and extend network lifetime, the role of CH must be rotated among various members. Various designs in homogeneous sensor network are used to rotate the role of CH among member nodes periodically based upon some probability function. Moreover, CHs are also prone to hardware or software failures. To handle these faulty CHs, some fault tolerant mechanism is required for proper functioning of the network. In this paper, we propose and evaluate a new fault tolerant energy-adaptive and power-aware clustering (FTEAP) protocol for wireless sensor networks. In our considered wireless sensor network, nodes send sensing information to the cluster-head and cluster-head transmit them to base station. Certain clustering algorithms with special method periodically replacing cluster-heads and selecting reserved cluster-heads then cluster-heads aggregate the data of cluster nodes and send it to the base station.
我们假设所有节点的网络分布均匀,最初所有节点的电池能量等于,传感器节点能量有限,基站是固定的,而不是位于传感器节点和节点之间是静态的,只有少数是移动[10]。本文的其余部分组织如下。在第二部分中,将简要讨论了浸出。在第三部分,该算法将被引入。在第四节,我们评估机制与模拟浸出相比。最后,在第五部分中,我们将总结我们的论文并讨论未来的研究。

相关的工作
分层或基于集群路由,最初提出了钢丝绳网络,是众所周知的技术与特殊优势与可伸缩性和高效沟通[7]。近年来,许多协议和算法的聚类。通常有很多他们的簇首选择和集群生物之间的区别。但通常大多数当前流行的聚类算法,如LEACH [11], pegasi[12],注意不容错[13]。浸出是最受欢迎的聚类算法。许多的簇首选择算法是基于LEACH的架构。[14]提出选举簇首根据每个节点的剩余能量。这个集群协议叫做LEACH-E。在本节的其余部分,我们回顾LEACH算法并讨论其局限性。
利奇(低能量自适应聚类层次)
在LEACH协议,能源效率是通过簇首,然后分配公正网络总能量独特的节点,从而使低能量消耗,提高网络寿命。簇首选举取决于整个数量的簇首节点在网络和倍直到现在一直在簇首。这个协议的原则是:
•固定基站。
•所有无线传感器网络中的节点有相同的初始电池供电,均匀在所有其他方面。
在第一阶段,算法选择一个节点随机,校长解释说在未来:每个传感器节点生成一个随机数在0和1之间,如果随机数是低于阈值,那么它会被选为簇首,否则它不能簇首阈值计算(1)。
图像
P是所需的簇首的百分比(例如P = 0.05)在当前回合,和G是没有变的组节点在过去的1 / P, r是本轮的数量。流程图LEACH的分布式集群形成算法是图1所示。尽管许多优点在使用集群的LEACH协议组织,簇首选择和增加网络的生命周期,有一些协议不支持的功能。LEACH假定节点能量均匀。在实际无线传感器网络中,传感器节点能量分布不均匀。

FTEAP协议
在本节中,我们介绍FTEAP协议的细节。无线传感器网络的主要应用程序监控远程环境。各个节点的数据通常不是很重要。由于传感器节点的数据与他们的邻居节点,数据聚合可以提高测量的可靠性参数,减少基站的流量。FTEAP协议使用这个观察来提高网络的效率。开发FTEAP协议,作了一些假设传感器节点和底层的网络模型。传感器节点,假设所有节点能够传输信息有足够的力量到达基站通过调整发射功率,和每个节点可以支持不同的介质访问控制(MAC)协议和执行信号处理功能。这些假设是合理的,由于技术的进步在电台硬件和低功耗计算[11]。网络,它假定节点往往数据发送到基站和关闭节点彼此有相关数据。
图像
像浸出,在第一阶段,FTEAP协议随机选择一个节点,校长解释说在未来:每个传感器节点生成一个随机数在0和1之间,如果随机数是低于阈值,那么它会被选为簇首,否则它不能簇首阈值计算(1)。在第一阶段和使用随机选择簇首,算法比较选择簇首与其他集群成员的残余能量残余能量。如果有任何与更多的能量比选择簇首节点,其他节点重新选择该节点为主要簇首,这个节点进行clusterhead角色。事实上,在集群形成阶段,FTEAP协议取代变阈值的基础上,对传感器节点剩余能量。用这种方法最强的节点在任何集群将被选为簇首,先前的节点作为保留一个。建立集群后,稳态阶段开始,网络开始工作。但如果簇首被破坏或损坏,集群成员知道簇首是什么,所以他们与新簇首,直到当前回合的结束。在下一轮中簇首选择阶段重新开始。在图2,我们假设,CH在簇首选择阶段产生,因为CH B更多的能量比CH,簇首所取代。关于基于残留的能量重新选择簇首节点集群成员。我们确信最强的节点被选为簇首,保留簇首。 This algorithm increases network lifetime and achieves fault tolerant by having double cluster-heads in each round. If the initial selected cluster-head is strongest node or its residue energy is equal to other nodes, this algorithm works like LEACH.
图像
像浸出,以减少碰撞的概率在joint-REQ消息在设置阶段,载波监听多路访问(CSMA)在数据链路层协议是利用。簇首需要听介质;这就是所谓的传感载体。如果发现闲置中,簇首开始传播。如果发现中忙碌,节点推迟其传输的时间取决于几个可能的算法之一。注意,如果簇首不能工作由于某种原因,该算法取代了簇首的基础上保留簇首。簇首选择新的组织者提供旧的湮灭。

仿真结果
为了评估FTEAP协议的性能,仿真器,具体到我们的模型的需要,在PHP编码与Apache HTTP服务器2.2版,并使用PHP / SWF图表图形化的需求。我们假设一个简单的模型的无线硬件能量耗散。For the experiments described here, both the free space (d2 power lossand the multi path fading (d4 power loss) channel models were used, depending on the distance between the transmitter and receiver. Power control can be used to invert this loss by appropriately setting the power amplifier. If the distance is less than the threshold do, the free space (fs) model is used; otherwise the multi path (mp) model is used. Thus, to transmit l-bit message a distance, the consumed energy of radio for sender is:
图像
收到这个消息,消耗能量接收器是:
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The electronics energy, Eelec, depends on factors such as the digital coding, modulation, filtering, and spreading of the signal whereas the amplifier energy, fsd2 or mpd4, depends on the distance to the receiver and the acceptable Bit Error Rate (BER). We consider the wireless sensor network with N=100, N=200 nodes randomly distributed in a 300 * 300 m2 environment. We assume that the base station fix and is located at the origin (0, 0) of the coordinated system. The used radio parameters in our simulations are shown in Table I.
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图3和图4的能源消耗集群协议,节点在网络中传播的数量分别是100。x轴表示轮的数量而轴表示每个节点的平均剩余能量。结果表明FTEAP协议的能耗一般小于LEACH-E和LEACH协议。图5展示了三个集群中的死亡人数节点协议。这个结果与网络密切相关的无线传感器网络的生命周期。图6展示了生活三个集群中的节点的协议。
图像
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结论
在无线传感器网络中,能源消耗和网络生命周期是路由协议的研究的重要问题。本文介绍了FTEAP协议更强大的节点之间分配负载。易于部署、节能、容错操作,延长网络的生命周期让FTEAP协议一个理想的和强大的无线传感器网络的协议。仿真结果表明,FTEAP比LEACH协议具有更好的性能和LEACH-E协议。

引用
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