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        無線傳感器網絡的動態拓撲能量有效成簇算法

        作者: 時間:2014-04-06 來源:網絡 收藏

        3.5數據傳輸

        在傳感器網絡中,簇內數據傳輸為單跳的,在簇首和各成員節點之間進行,而對于簇頭到Sink節點的數據傳輸,算法及一部分改進算法是采用簇頭到匯聚節點的單跳傳輸,這種方法使簇頭使用了多徑衰落的通信模型(文獻[3]),能量消耗很大,本文采用基于距離因子的多跳傳輸方式。由于采用多跳通信,能量消耗為自由空間模型,而且消息在傳送過程中進行了多次數據融合,使各級數據轉發中的數據量都有所減少,也減少了通信能耗。網絡所有節點都存儲有根據接收到Sink節點的信號確定的自己到Sink的距離值,這一距離值在第一輪成簇前就已確定,我們稱之為距離因子。當每個簇的簇內數據融合進行之后,就會開始各簇到Sink的多跳數據傳輸。

        首先,發送數據的簇頭以確定的半徑RD發送出消息,消息報文中還包含了此簇頭的距離因子,周圍的簇頭收到消息后,各簇頭將些距離因子與自己的進行比較,若發現其距離因子小于報文中的距離因子,且自己的剩余能量值不低于簇間傳輸所需的最小能量閾值Emin后,確定自己將此數據進行轉發,將消息報文中的距離因子替換為其距離因子后以半徑RD繼續轉發,之后傳輸過程相似。由于轉發消息的簇頭的距離因子小,從而其離Sink節點更近,這樣消息報文在簇間就以多跳的最優路徑傳向了匯聚節點。傳輸能量開銷得以最小化。

        3 仿真研究

        NS2(Network Simulator 2)是著名的用于網絡研究的離散事件仿真工具,里面包括了大量的用于有線和無線、本地連接或通過衛星連接進行TCP協議、路由算法、多播協議仿真的網絡協議、調度器和工具。NS的核心部分是一個離散事件模擬引擎。NS中有一個“調度器”(Scheduler)類,負責記錄當前時間,調度網絡事件隊列中的事件,并提供函數產生新事件,指定事件發生的時間。在仿真過程中,將執行相關算法,并且將網絡運行的具體情況寫到文件當中,包括數據分組的傳遞情況、節點的能量狀況等,這些文件對算法之間進行比較有很大的作用。本文在仿真場景設置方面,使用了如下場景設置方案:

        (1) 仿真區域大小為(100*100)。

        (2) 所有節點的初始能量相同。

        (3) 傳感器節點在區域(100*100)內隨機分布。

        仿真開始時,網絡內傳感器節點的分布狀態如圖1所示。


        仿真結束之后得到了和DTEE算法生成的相關文件,使用awk程序提取算法生成的相關文件中的關鍵數據,然后利用gnuplot工具將這些數據顯示于圖表上,得到兩個算法相比較的曲線圖如圖2所示。

        從圖可以看出在仿真過程中,節點的能量會隨著時間的推移逐漸減少,直至節點能量耗盡而死,所以在各個時段傳感區內仍存有能量的節點數是不同的,圖對兩種算法在不同時段仍然存活的節點個數做出了比較。首先,算法在第120秒時第一個節點出現了死亡,而DTEE是在130多秒時第一個節點死亡。從節點存活數目圖可以看出,在300秒左右,LEACH算法的存活節點數已經為0,而DTEE算法仍有8個節點能量并未耗盡,直到320秒左右,DTEE算法的節點才全部死亡,所以DTEE算法中節點的生命周期比LEACH提高了約6%,可以看出,DTEE算法由于采用多跳的路由方式,網絡生命周期得到了一定程度的延長。

        本文通過采用引入能量因子的低復雜度簇頭選擇算法降低了網絡通信能耗,在數據傳輸上通過多跳方式進行信息路由。仿真結果顯示,改進后的DTEE協議能更好地平衡網絡負載、節約能量消耗且具有更高的能量使用效率,對分簇算法的的路由協議實現了優化。

        仿真結束之后得到了LEACH和DTEE算法生成的相關文件,使用awk程序提取算法生成的相關文件中的關鍵數據,然后利用gnuplot工具將這些數據顯示于圖表上,得到兩個算法相比較的曲線圖如圖2所示。

        從圖可以看出在仿真過程中,節點的能量會隨著時間的推移逐漸減少,直至節點能量耗盡而死,所以在各個時段傳感區內仍存有能量的節點數是不同的,圖對兩種算法在不同時段仍然存活的節點個數做出了比較。首先,LEACH算法在第120秒時第一個節點出現了死亡,而DTEE是在130多秒時第一個節點死亡。從節點存活數目圖可以看出,在300秒左右,LEACH算法的存活節點數已經為0,而DTEE算法仍有8個節點能量并未耗盡,直到320秒左右,DTEE算法的節點才全部死亡,所以DTEE算法中節點的生命周期比LEACH提高了約6%,可以看出,DTEE算法由于采用多跳的路由方式,網絡生命周期得到了一定程度的延長。


        本文通過采用引入能量因子的低復雜度簇頭選擇算法降低了網絡通信能耗,在數據傳輸上通過多跳方式進行信息路由。仿真結果顯示,改進后的DTEE協議能更好地平衡網絡負載、節約能量消耗且具有更高的能量使用效率,對分簇算法的的路由協議實現了優化。


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