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提高无线传感器网络寿命的异构协议

Samayveer辛格＊1， A K Chauhan2， Sanjeev Raghav3.维卡斯·提亚吉4Sherish Johri报道5
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通讯作者:Samayveer辛格电子邮件:(电子邮件保护)
有关文章载于Pubmed，谷歌学者

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摘要

本文报道了无线传感器网络生命周期的异构节能数据采集协议。无线传感器网络的主要要求是延长网络寿命和提高能源效率。这里，异构- SEP:一个稳定的选举协议为了延长无线传感器网络的生命周期，提出了一种簇状异构(H-SEP)无线传感器网络。本文讨论了无线传感器网络中异构性对节点能量的影响。仿真结果表明，与SEP和LEACH协议相比，H-SEP协议具有更长的生命周期和更有效的数据包。

关键字
无线传感器网络，能源效率，异构性，最大寿命。

介绍
无线传感器网络(WSN)可以定义为由小尺寸、低复杂度的设备(称为传感器节点)组成的网络，这些设备可以感知环境并从监测现场收集信息，并通过无线链路进行通信;收集的数据被转发，通过多个跳中继到接收器(也称为控制器或监视器)，接收器可以在本地使用它，或者连接到其他网络[1]。一个传感器节点通常由四个子系统[2]组成，即传感单元、处理单元、通信单元和电源单元。
在WSN中，传感器节点部署在传感器场中。传感器节点的部署可以是随机的(即从飞机上掉落)，也可以是常规的(即精心规划或固定的)，或者可以使用移动传感器节点。传感器节点之间相互协调，以产生关于物理环境的高质量信息。
每个传感器节点的决策都基于其任务、当前拥有的信息以及对其计算、通信和能源资源的了解。每个传感器节点收集数据并将数据路由到基站。所有节点不一定在任何特定时间进行通信，节点只能与附近的几个节点通信。网络具有路由协议来控制节点间数据消息的路由。路由协议还试图以节能的方式将消息发送到基站。
基站是一个主节点。网络感知到的数据被路由回基站。基站是一个更大的计算机，来自传感器网络的数据将被编译和处理。基站可通过因特网或卫星[2,3]与远程控制器节点通信。控制传感器网络的人类操作员通过基站发送命令并接收响应。
HEED (Hybrid Energy Efficient Distributed)协议[4]是集群协议。它使用剩余能量作为主要参数，网络拓扑特征(例如节点度，到邻居的距离)仅作为次要参数来打破候选簇头之间的联系，作为簇选择的度量来实现负载平衡。在此假设所有节点都是齐次的，即所有传感器节点都具有相同的初始能量。但是，在本文中，我们从节点能量的角度研究了异质性的影响。我们假设一个百分比的节点群体比同一网络中的其他节点配备了更多的能量-这是异构传感器网络的情况。由于传感器网络的寿命是有限的，因此需要通过添加更多的节点来重新激活传感器网络。这些节点将配备比已经在使用的节点更多的能量，这在节点能量方面产生了异质性，导致H-SEP协议的引入。
本文的其余部分组织如下。第二节简要回顾了相关工作。第3节描述了SEP协议中集群的形成。第4节介绍了异构H-SEP协议和用于能量计算的网络无线电模型。第5节通过仿真展示了H-SEP的性能，并将其与SEP和LEACH进行了比较。最后，第6节给出了结束语。

相关工作
Heinzelman等人[5]提出了LEACH，一种基于聚类的替代算法。为了节省能量，LEACH处理的是能量越高的节点越有可能成为簇首的异构能量条件。每个传感器节点必须具有网络中所有节点总能量的近似值才能计算成为簇首的概率，但不能仅根据其局部信息做出是否成为簇首的决策，因此会影响该方案的可扩展性。
S. Lindsey和C. Raghavendra[6]在2002年引入了传感器信息系统(PEGASIS)的高效功耗采集协议。它是LEACH的改进版本。它不是形成集群，而是基于形成传感器节点链。一个节点负责将聚合的数据路由到接收器。每个节点将收集到的数据与自己的数据进行聚合，然后将聚合的数据传递给下一个环。与LEACH的不同之处在于采用多跳传输，只选择一个节点传输到接收器或基站。由于PEGASIS消除了动态集群形成带来的开销，采用多跳传输和数据聚合，性能优于LEACH。然而，对于遥远的节点，特别是对于大型网络，单个领导者可能会成为瓶颈。
2001年，A. Manjeshwar和D. P. Agarwal[7]提出了阈值敏感节能传感器网络协议(TEEN)协议。较近的节点形成簇，簇头将采集到的数据传输到上层。在形成集群时，集群头广播两个阈值。首先是硬门槛;它是触发传感器节点的属性的最小值。硬阈值允许节点传输事件，如果事件发生在感兴趣的范围内。因此，传输延迟显著降低。除非最小软性阈值发生变化，否则节点不会发送新的数据包。
阈值敏感节能传感器网络协议(APTEEN)。该协议是TEEN的扩展，旨在捕获时间关键事件和定期数据收集。网络架构与TEEN相同。集群形成后，簇头向所有节点广播属性、阈值和传输计划。集群头还负责数据聚合，以减少传输数据的大小和能量消耗。从能量耗散和网络寿命来看，TEEN由于传输次数减少，性能优于LEACH和APTEEN。TEEN和APTEEN的主要缺点是在多个层次上形成集群的开销和复杂性，实现基于阈值的函数和处理基于属性的查询命名。
2004年，G. Smaragdakis, I. Matta和A. Bestavros[9]提出了稳定选举协议(SEP)协议。本协议是LEACH协议的扩展。它是一种异构感知协议，基于每个节点的加权选举概率，根据各自的能量成为簇首。这种方法确保了簇首选举是随机选择的，并根据每个节点的能量比例进行分配，确保了节点能量的均匀使用。该协议考虑了两种类型的节点(两层集群内)和两层层次结构。
2005年，叶敏、李春春、陈国和吴杰提出了节能聚类方案(Energy Efficient Clustering Scheme, EECS)协议。这是一种针对无线传感器网络周期性数据采集应用的新型聚类方案。它通过本地无线电通信选出剩余能量更多的簇头。在簇首选举阶段，选出恒定数量的候选节点，根据节点剩余能量竞争簇首。竞争过程是本地化的，没有迭代。该方法还产生了接近均匀的簇头分布。进一步在簇形成阶段，引入了一种新的方法来平衡簇头之间的负载。但另一方面，它增加了对簇头到基站距离的全局知识的要求。
2006年，Li q、Z. Qingxin和W. Mingwen[11]提出了分布式节能聚类协议(Distributed Energy Efficient Clustering Protocol, DEEC)。该协议是一种基于集群的多级和二级能量异构无线传感器网络方案。在该方案中，基于每个节点剩余能量与网络平均能量之比的概率来选择簇头。节点的初始能量和剩余能量不同，节点成为簇首的时间也不同。初始能量和剩余能量高的节点比能量低的节点有更多的机会成为簇首。
O. Younis和S. Fahmy在2004年提出了[4]混合节能分布式集群协议(Hybrid Energy Efficient Distributed clustering Protocol, HEED)。它扩展了LEACH的基本方案，将剩余能量作为主要参数，仅将网络拓扑特征(如节点度、与邻居的距离)作为次要参数，以打破候选簇头之间的联系，作为簇选择的度量，以实现功率平衡。聚类过程被划分为多次迭代，在每次迭代中，未被任何簇头覆盖的节点成为簇头的概率翻倍。由于这些高效的聚类协议使每个节点能够独立地、概率地决定其在聚类网络中的角色，因此它们不能保证最优的簇头集合。

sep协议的集群形成
在本节中，我们将描述网络模型。假设有N个传感器节点，随机分布在一个100m*100m的方形区域内(图1)。对网络模型做如下假设:
1.网络中的节点是准静止的。
2.节点的位置是不知道的，即它没有配备GPS功能天线。
3.节点具有相似的处理和通信能力，并且具有同等的重要性。
4.节点部署后无人值守。
簇头的选择主要基于每个节点的剩余能量。由于每比特用于传感、处理和通信的能量消耗通常是已知的，因此可以估计剩余能量。将集群内通信成本作为打破这种束缚的次要参数。平局意味着一个节点可能落在多个集群头的范围内。
图像
当有多个候选簇头时，集群内通信成本较低的簇头被优先考虑。次要集群参数，集群内通信成本，是(i)集群属性的函数，例如集群大小，以及(ii)是否允许集群内通信使用可变功率级别。
图像
图像
图像
同构节点死亡速度快，导致网络场稀疏。H-SEP在2级中，与SEP中的正常节点相比，高级节点死亡缓慢，有助于延长网络的生命周期。H-SEP，由于各传感器节点的能量不同，节点死亡速度相对较慢。据观察，最后一个节点的死亡在3200轮左右。
图像
图5描述了每轮活动节点的数量。在HSEP中，最后一个节点在4000轮左右死亡。HSEP的使用寿命优于SEP和LEACH。随着高级用户数量的增加，网络的生命周期也随之增加。

结论
本文介绍了适用于异构无线传感器网络的H-SEP协议。讨论了无线传感器网络中可能采用的两种类型的传感器节点(普通节点和高级节点)。利用matlab对LEACH、SEP和H-SEP协议在这些能量模型下的性能进行了评估。与SEP相比，H-SEP延长了网络的生命周期，节约了能源，向基站发送的数据包数量更多。在这里，我们根据节点能量引入了2级异构。可以观察到，与SEP协议相比，H-SEP协议的生命期有显著改善，因为2级H-SEP的轮数最多。

参考文献
  1. 马科斯，第欧根尼，2003年。无线传感器网络设备综述。IEEE。
  2. V. Raghunathan, C. Schurgers, Park。S, M. B.斯里瓦斯塔瓦，2002。能量感知无线微传感器网络。IEEE信号处理杂志，卷:19期:2，页(s): 40 -50。
  3. I. Akyildiz等人，2002。传感器网络综述。IEEE Commun。杂志，第40卷，no。8，第102-14页。
  4. 奥萨马·尤尼斯和索尼娅·法赫米，2004年。Ad-hoc传感器网络中的分布式聚类:一种混合的、节能的方法。在IEEE INFOCOM香港会议论文集中，一个扩展版本出现在IEEE Transactions on Mobile Computing, 3(4)。
  5. W. Heinzelman, A. Chandrakasan, H. Balakrishnan, 2000。无线微传感器网络的节能通信协议。第33届夏威夷系统科学国际会议论文集(HICSS '00)。
  6. S. Lindsey, C. Raghavendra, 2002。PEGASIS:传感器信息系统中的节能收集。IEEE航空航天会议论文集，第3卷，9-16页1125- 1130。
  7. A. Manjeshwar和D. P. Agarwal, 2001。TEEN:用于提高无线传感器网络效率的路由协议。第一届无线网络和移动计算中的并行和分布式计算问题国际研讨会。
  8. A.曼杰什瓦尔和D. P.阿加瓦尔，2002。APTEEN:无线传感器网络中用于高效路由和综合信息检索的混合协议。并行和分布式处理研讨会，国际论文集，IPDPS，第195-202页。
  9. 马塔，贝斯塔夫罗斯。2004。SEP:一种簇状异构无线传感器网络的稳定选举协议。第二届传感器和参与者网络协议与应用国际研讨会(SANPA)。
  10. 叶敏，李成，陈刚，吴建军。2005。EECS:无线传感器网络中的一种节能集群方案。4月7日至9日，在美国亚利桑那州凤凰城，IEEE国际研讨会上，IEEE iweasn -2005 (IEEE iweasn -2005)。
  11. 李清新，李强。2006。异构无线传感器网络的分布式节能聚类算法设计。计算机通讯，第29卷，第2230-7页。
  12. W.R. Heinzelman, A.P. Chandrakasan, H. Balakrishnan, 2002。无线微传感器网络的特定应用协议体系结构。IEEE无线通信汇刊1(4)660-670。
  13. R. B.帕特尔，T. S.阿塞里，迪利普·库马尔，2009。EEHC:无线传感器网络的节能异构集群方案。计算机学报，32(4):662-667。
  14. 毛英吉，刘震，张丽丽，李晓芳。2009。异构能量无线传感器网络中一种有效的数据采集方案。计算科学与工程国际会议。
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