无线传感器网络中延长网络寿命的路由方法

僧伽蜜多¹, R.Suganya²

印度班加罗尔，VTU牛津工程学院ISE系硕士技术学者(CNE)
印度班加罗尔，VTU牛津工程学院ISE系副教授

摘要

无线传感器网络的应用范围广泛，包括环境观测、入侵检测、战场监视等。网络由分布在不同区域的大量节点组成，其中并非所有节点都直接连接。这些节点配备有限的电池电量，并具有无线通信能力。在设计无线传感器网络基础设施时，必须考虑到资源的限制。在无线传感器网络中，如何节约有限的电源以延长网络寿命。本文提出了一种基于能量感知的sink relocation (EASR)算法来延长网络寿命，该算法通过处理各传感器节点的电池剩余能量来调整传输距离和sink的位置。

关键字

无线传感器网络，能量感知路由，汇聚迁移，网络寿命。

我的介绍。

由于最近的技术进步，以及在不同范围内提出了许多全面的无线设备用途，有增加无线通信技术发展速度的冲动。无线传感器网络(WSNs)是近年来无线计算机网络的一个新兴发展领域[1,2]。传感器网络由数百或数千个传感器节点组成，通常分散在一定的区域内执行监测任务。传感器节点成本低，电池电量有限，是小型设备。此外，它们还可以监控特定的测量数据(例如温度、湿度和压力)，以检测异常事件(例如森林火灾)。最初将传感器节点手动或随机部署在传感现场，形成一个传感器网络。终端用户可以通过Internet或卫星连接到称为汇聚节点(或基站)的数据集中中心，发送查询该传感领域中特定事件或现象的请求。

一旦传感器节点检测到接收器节点指定的异常情况，它必须快速传播这样的事件发生消息以通知最终用户。传感器网络还具有容错能力，即当传感数据丢失时，传感器节点可以从其内部缓存中恢复丢失的数据。最终，终端用户将从汇聚节点正确地接收报告的信息。传感器网络通常部署在恶劣环境中使用，传感器节点在电池电量耗尽时不容易更换或充电。因此，无线传感器网络领域最重要的研究问题是如何节约有限的电池能量，使网络寿命最大化。

为了实现上述目标，人们广泛讨论了几个研究课题，例如设计节能路由。如果能量水平低于给定的阈值，就会发出警告信息通知监督员。传感器和基站之间的通信是通过中间节点进行的，中间节点消耗更多的能量来长距离传输感知数据。对于管理人员来说，处理这种情况的直接方法之一是在传感领域部署额外的传感器节点，以延长WSN的剩余网络生命周期。

2相关工作

Chu-Fu Wang等[3]提出了一种无线传感器网络中sink重定位的网络寿命增强方法及其分析。他描述了在执行传感和报告任务时保存网络生命周期的方法。他提出了用于无线传感器网络移动汇聚的能量感知汇聚重定位(EASR)方法。该方法可以有效地减少电池的能耗，提高网络的使用寿命。这种sink重定位方法需要数学分析和高效的路由协议。Özgür B. Akan等人，[4]提出了无线传感器网络中的事件Sink可靠传输。他设计了使用最低能耗的可靠事件检测。这种事件到接收器的可靠传输(ESRT)协议通过控制网络的拥塞来工作。在无线传感器网络中可以容纳多个事件的发生。在这里，主要函数运行在接收器上，而最少的功能显示在源端。

Wang Hui等，[5]描述了无线传感器网络中的网络寿命优化。在该协议中，物理层、介质访问控制层和路由层的设计可以延长它们的网络寿命。针对大型平面网络，提出了一种迭代算法。为了解决网络寿命问题，采用了分时多址技术。AnkitThakkar等人，[6]详细阐述了无线传感器网络能量和延迟约束应用的簇首选举，并提出了在网络能量和延迟约束方面具有良好性能的簇形成。在这种集群结构中，簇头对成员节点的数据进行收集和聚合，并发送到另一个簇头或基站，从而获得良好的可伸缩性。

3路由机制

高效的路由协议应该控制网络的能量消耗，降低网络的复杂性。在传感器节点之间的通信过程中，这些协议应最小化节点上发生的传输延迟。在本文中，我们通过保持较好的QoS[6]来比较各种节能路由协议。所以这些路由协议也应该集中所有这些参数来选择最短的路径，这样它就应该增加网络的寿命。路由方案如下:

1) MCP

2)固定路由

3)一步路由

4) EASR

1)最大容量路径(mcp):

分层网络中的传感器节点可以有多条最短路径将传感数据回复到sink。例如，考虑如图1所示N (G)的分层网络。每个节点旁边的数字表示可用能量。当第3级传感器节点e有一个数据包要发送时，它有三条路由路径:e-c-a-s、e-c-d和e-d-b-s。假设节点e选择一个可用能量最大的邻居节点作为其转发器，即节点d，即节点e选择路径e-d-b-s进行数据转发。然而，节点b的可用能量非常低，节点b的能量很快就会耗尽。

然而，节点b的可用能量非常低，节点b将很快耗尽其能量。为了避免这一问题，我们提出了一种路径选择方案，称为最大容量路径方案，让每个传感器节点选择最大容量的路由路径进行汇聚。设c(v)≥0表示v中节点u的可用能量，设c(s)=∞。定义capacityofa routingpath P= vu, v1，.....vk, s为p中的最小节点能量。最大容量路径方案是确定分层网络中从指定传感器节点到sink的最大容量路径。

例如，如图1所示，路径的容量为:e-c-a-s, e-c-d-s和e-d-b-s。分别是50 5 5。因此，最大容量路径方案将选择路径作为节点e的转发路径e-c-a-s，即节点e沿路径c-a-s发送数据包。一般情况下，假设传感器节点v有k个In -boundlinks (v,u1)，(v,u2)，......，(v,uk)。设p(w)为节点w到sink s的最大容量路径p的最大容量值，则传感器节点v选择节点u*作为转发器转发其数据，使p(u*)=max{p(u1)， .........， p(uk)}。然后，节点v更新其p(v)通过p(v)=min {c(v)，p(u*)}[7]。

2)平稳算法

静止通信算法用于查找从源节点到目的节点的路由。

图2显示了固定路由协议的流程图。如图所示，输入为源节点，目的节点，覆盖区域为输入。

1.检索源节点的路由表。

2.在覆盖区域内找到距离相同的节点集合。

3.如果邻居组中存在目的节点，则停止路由进程，否则请转步骤4。

4.通过从相邻节点中随机选择一个节点来找到通往目的地的前进节点。

5.该过程重复进行，直到到达目标节点为止。

它会发现一条路线。它首先找到邻居节点。如果邻居有目的地，它将停止进程。如果不包含目的地，它将选择最先回复的节点。缺点:来回传播

3)一步路由算法

一步路由算法用于查找从源节点到目的节点的路由。

图3展示了一步算法的流程图。如图所示，输入为source Node, destination Node, coverage area和Threshold Range为输入。检索源节点的路由表。

1.在覆盖区域内找到距离的节点集合称为In节点或In节点

2.如果In Node节点中有目的节点，则停止路由发现。

3.如果“In Node Nodes”中没有目标节点，则转到步骤5。

4.找到覆盖区域与阈值之间有距离的节点集合，称为边界节点或边界节点

5.如果边界节点具有目的节点，则停止路由发现。

6.如果边界节点没有目标节点，则下一个转发节点将被选为边界节点中的一个。

7.该过程重复进行，直到到达目标节点为止。

它会根据跳数来判断一条路线是否有效。没有背部和泡沫。

缺点是能耗比较大

4) EASR路由算法

传输范围调整

一般来说，为传感器节点设置更大的传输范围将增加邻居的数量，从而提高能量感知路由的质量。但是，它也带来了信息传输距离较远的缺点，这会消耗传感器节点更多的电池能量。相反，对于距离较短的通信，虽然对路由没有太大的帮助，但可以节省电池剩余能量的使用。在该方法中，传输距离的调整将取决于传感器节点的剩余电池能量。

节点分为3种类型

1.第一类节点

2.类型2的节点

3.超级健康节点

1.类型1的节点

电池功率在0≤r(u)≤B/3范围内的节点

R (u)为节点u的电池剩余电量

B为网络初始化时节点的初始最大电池电量

2.类型2的节点

这些节点的电池电量在

B/3≤r(u)≤B/2

R (u)为节点u的电池剩余电量

B为网络初始化时节点的初始最大电池电量

3.超级健康节点

这些节点的电池电量在

B/2≤r(u)≤B

R (u)为节点u的电池剩余电量

B为网络初始化时节点的初始最大电池电量

水槽搬迁:

1.如果一半相邻节点的电池电量低于阈值，则汇聚节点必须重新定位。

2.重新定位过程包括确定水槽必须移动的方向和移动的范围。

EASR算法描述如下

1.源节点、目的节点、传输范围作为输入。

2.在传输范围内的节点集合称为邻居节点。

3.如果邻居节点有目标节点，则停止进程。

4.如果相邻节点没有目的地，则考虑节点的剩余电池电量。

5.找到最大剩余电池，如果它属于健康节点的类别，则选择其中一个作为下一个向前节点。

6.如果所有节点的最大剩余电池都在type1下，则启动sink重定位过程。

7.重复上述过程，直到到达目的地。

这种路由将克服上述缺点。

IV.SIMULATION结果

仿真研究涉及节点迭代5次的确定性小网络拓扑结构，如图5所示。本文提出的节能算法是用椭圆实现的。我们通过源节点向目的节点传输相同大小的数据。该算法以网络寿命和各节点能量消耗为基础，比较了总传输能量和最大跳数两个指标。我们把模拟时间看作是一个网络生命期，而网络生命期是一个时间。我们的结果表明，度量总传输能量在网络寿命、能量消耗和通过网络传输的数据包总数方面优于最大跳数。

该算法在两个参数跳数和能量消耗方面与三种算法进行了比较，表明基于能量感知的sink重定位算法在延长网络寿命方面是最有效的。

五、结论与未来工作

本文对无线传感器网络中的各种sink部署技术进行了分析和比较。通过这次调查，我们得出结论，现有的工作没有集中在sink部署技术上，只有极少数的工作考虑了所有的主要目标，如阈值，区域覆盖和连通性。可重定位汇聚是一种延长网络寿命的方法，它可以避免在某个位置停留太久，从而损害附近传感器节点的寿命。

参考文献

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