带状无线传感器网络能量高效的节点部署策略
发布时间：2020-12-13 09:34
带状无线传感器网络具有特殊的拓扑结构,满足很多重要领域的应用需求。针对带状网络中的能量消耗不均衡问题,分析了带状无线传感器网络在多跳通信时的拓扑结构和能耗模型,在对带状网络进行分簇的基础上,提出一种非均匀的节点部署策略,该策略量化了带状传感器网络中簇内节点的数目关系,并设计了相应的路由协议。仿真结果表明,非均匀的节点部署策略可以缓解带状网络的能量空洞问题,使网络能耗趋于均衡,延长整个网络的生命周期。
【文章来源】：计算机工程与应用. 2017年23期 北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
带状传感器网络模型
能量消耗也越大。当网络中的节点采用随机部署的方式，将会造成整个带状网络的通信中断。3部署策略针对带状网络能耗不均衡的问题，考虑在不同簇内部署数目不等的传感器节点。通过计算不同簇内节点的能耗，使各个簇所包含的总能量与该簇能量消耗速度的比值近似相等，得出不同簇内应部署节点的数量关系，并通过调度机制合理组织节点的工作状态，尽可能让不同节点同时消耗完自身的能量，以提高网络的能量效率，延长网络的生命周期。3.1节点数量关系距离Sink节点较远的簇产生的数据经过多跳传输才能到达Sink节点。在图2所示的k跳转发模型中，节点A与Sink的距离为D，数据传送到Sink节点，中间需要k-1个簇首节点转发，簇首节点的位置将会影响转发的能耗。定理1设f(k)=xn1+xn2+…+xnk,n≥2，在∑i=1kxi≥D的情况下，当且仅当x1=x2=…=xk=D/k时f(x)取最小值。定理1属于带约束条件的多元函数极值问题，可用拉格朗日乘数法证明。设链路上第i个节点到第i-1个节点的距离为di，根据能量模型，该链路传输lbit数据的能耗为：Ek=∑i=1kErelay(l,di)=(2k-1)lEelec+lεfx∑i=1kd2i;∑i=1kdi≥D（5）由定理1，当d1=d2=…=dk=D/k时，Ek的取值最校在带状传感器网络中，簇首节点负责转发数据，在划分簇时考虑对带状网络进行均匀分簇，使簇首节点趋于分布在等分多跳传输路径上，以降低链路的传输能耗。即式（3）、式（4）中di的值近似相等，表示为r。为了使距离Sink节点远近不同的簇尽可能同时消耗完能量，各个簇的总体能量与能量消耗速度之比应尽可能相等，即满足：NiEinit/Ei=NnEinit/En（6）其中
2017，53（23）出的节点非均匀部署策略和另外两种路由协议在网络生命周期的对比结果如图4所示。从图4的仿真结果可以看出，当带状网络的长度不等时，本文提出的非均匀节点部署策略的生命周期都略大于EBUC-M协议和CRLDB协议的网络生命周期，而且随着网络长度的增加网络生命周期的变化趋于平缓，可以看出本文提出的非均匀节点部署策略具有较好的扩展性，适用于较长距离的带状网络。图5所示的是当网络的生命周期结束时，不同路由协议的剩余能量占总能量百分比的比较结果。采用本文提出的非均匀部署策略，当网络生命周期结束时只有较少的剩余能量未被利用，说明该策略具有较高的能量利用率。采用另外两种路由协议时，虽然网络具有较多的剩余能量，但是网络生命周期已结束，而且随着带状网络长度的增加，能量剩余的问题会更加严重。图6是实验场景为600m×20m时节点的存活数随仿真时间的变化情况，可以看出，本文提出的非均匀部署策略在仿真的前期节点死亡缓慢，存活数随时间变化不明显，在仿真后期节点死亡速度加快，表明不同节点能量消耗的速度一致。6结束语本文针对带状无线传感器网络能量消耗不均匀的现象，提出节点非均匀部署策略，从理论上分析了该策略的能耗并设计了相应的路由协议。该策略量化了带状传感器网络中相邻分簇间的节点数目关系，在此基础上得出了一个部署传感器节点的密度函数。仿真实验表明，使用本文提出的非均匀部署策略及相应的路由算法可以使整个带状网络的能耗趋于均衡，获得较高的能量利用率，有效延长带状传感器网络的生命周期。节点非均匀部署策略可以获得较高的能量利用率，需要指出的是这种部署策略随着带状网络长度的增加，节点总数呈指数级增长，使用该策略依托于传感器节点能够低成本大规模生?
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种能量高效的非均匀分簇算法[J]. 张长森,邢娟,赵尚卿. 计算机工程与应用. 2016(07)
[2]长距离带状无线传感器网络路由协议设计[J]. 王伟. 计算机工程. 2014(03)
[3]煤矿巷道无线传感器网络非均匀分簇数据传送机制[J]. 李鉴,石馨,刘贺平. 地球科学(中国地质大学学报). 2013(01)
[4]能量均衡的无线传感器网络非均匀分簇路由协议[J]. 蒋畅江,石为人,唐贤伦,王平,向敏. 软件学报. 2012(05)
[5]无线传感器网络中节点非均匀分布的能量空洞问题[J]. 吴小兵,陈贵海. 计算机学报. 2008(02)
[6]一种基于非均匀分簇的无线传感器网络路由协议[J]. 李成法,陈贵海,叶懋,吴杰. 计算机学报. 2007(01)
本文编号：2914335
【文章来源】：计算机工程与应用. 2017年23期 北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
带状传感器网络模型
能量消耗也越大。当网络中的节点采用随机部署的方式，将会造成整个带状网络的通信中断。3部署策略针对带状网络能耗不均衡的问题，考虑在不同簇内部署数目不等的传感器节点。通过计算不同簇内节点的能耗，使各个簇所包含的总能量与该簇能量消耗速度的比值近似相等，得出不同簇内应部署节点的数量关系，并通过调度机制合理组织节点的工作状态，尽可能让不同节点同时消耗完自身的能量，以提高网络的能量效率，延长网络的生命周期。3.1节点数量关系距离Sink节点较远的簇产生的数据经过多跳传输才能到达Sink节点。在图2所示的k跳转发模型中，节点A与Sink的距离为D，数据传送到Sink节点，中间需要k-1个簇首节点转发，簇首节点的位置将会影响转发的能耗。定理1设f(k)=xn1+xn2+…+xnk,n≥2，在∑i=1kxi≥D的情况下，当且仅当x1=x2=…=xk=D/k时f(x)取最小值。定理1属于带约束条件的多元函数极值问题，可用拉格朗日乘数法证明。设链路上第i个节点到第i-1个节点的距离为di，根据能量模型，该链路传输lbit数据的能耗为：Ek=∑i=1kErelay(l,di)=(2k-1)lEelec+lεfx∑i=1kd2i;∑i=1kdi≥D（5）由定理1，当d1=d2=…=dk=D/k时，Ek的取值最校在带状传感器网络中，簇首节点负责转发数据，在划分簇时考虑对带状网络进行均匀分簇，使簇首节点趋于分布在等分多跳传输路径上，以降低链路的传输能耗。即式（3）、式（4）中di的值近似相等，表示为r。为了使距离Sink节点远近不同的簇尽可能同时消耗完能量，各个簇的总体能量与能量消耗速度之比应尽可能相等，即满足：NiEinit/Ei=NnEinit/En（6）其中
2017，53（23）出的节点非均匀部署策略和另外两种路由协议在网络生命周期的对比结果如图4所示。从图4的仿真结果可以看出，当带状网络的长度不等时，本文提出的非均匀节点部署策略的生命周期都略大于EBUC-M协议和CRLDB协议的网络生命周期，而且随着网络长度的增加网络生命周期的变化趋于平缓，可以看出本文提出的非均匀节点部署策略具有较好的扩展性，适用于较长距离的带状网络。图5所示的是当网络的生命周期结束时，不同路由协议的剩余能量占总能量百分比的比较结果。采用本文提出的非均匀部署策略，当网络生命周期结束时只有较少的剩余能量未被利用，说明该策略具有较高的能量利用率。采用另外两种路由协议时，虽然网络具有较多的剩余能量，但是网络生命周期已结束，而且随着带状网络长度的增加，能量剩余的问题会更加严重。图6是实验场景为600m×20m时节点的存活数随仿真时间的变化情况，可以看出，本文提出的非均匀部署策略在仿真的前期节点死亡缓慢，存活数随时间变化不明显，在仿真后期节点死亡速度加快，表明不同节点能量消耗的速度一致。6结束语本文针对带状无线传感器网络能量消耗不均匀的现象，提出节点非均匀部署策略，从理论上分析了该策略的能耗并设计了相应的路由协议。该策略量化了带状传感器网络中相邻分簇间的节点数目关系，在此基础上得出了一个部署传感器节点的密度函数。仿真实验表明，使用本文提出的非均匀部署策略及相应的路由算法可以使整个带状网络的能耗趋于均衡，获得较高的能量利用率，有效延长带状传感器网络的生命周期。节点非均匀部署策略可以获得较高的能量利用率，需要指出的是这种部署策略随着带状网络长度的增加，节点总数呈指数级增长，使用该策略依托于传感器节点能够低成本大规模生?
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种能量高效的非均匀分簇算法[J]. 张长森,邢娟,赵尚卿. 计算机工程与应用. 2016(07)
[2]长距离带状无线传感器网络路由协议设计[J]. 王伟. 计算机工程. 2014(03)
[3]煤矿巷道无线传感器网络非均匀分簇数据传送机制[J]. 李鉴,石馨,刘贺平. 地球科学(中国地质大学学报). 2013(01)
[4]能量均衡的无线传感器网络非均匀分簇路由协议[J]. 蒋畅江,石为人,唐贤伦,王平,向敏. 软件学报. 2012(05)
[5]无线传感器网络中节点非均匀分布的能量空洞问题[J]. 吴小兵,陈贵海. 计算机学报. 2008(02)
[6]一种基于非均匀分簇的无线传感器网络路由协议[J]. 李成法,陈贵海,叶懋,吴杰. 计算机学报. 2007(01)
本文编号：2914335
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/zidonghuakongzhilunwen/2914335.html
