节能路由（共8篇）
节能路由 篇1
摘要：针对现有无线传感网络研究中缺乏统筹能量意识、安全机制等网络性能的问题,提出一种GPSR-EDM策略。该策略基于能量意识和安全机制,并在传统节能安全策略上增加了一种量化均衡的概念,致力于在节能和安全之间寻找平衡点,以达到信息传输最优化的目的。该策略以节点剩余能量和下一跳的距离为选择主路径的标准,同时加入监督节点形成监督路径(副路径),并在数据传输时引入选择唤醒和休眠机制。其中,主路径主要担负数据传输的任务,而副路径具有路由保护和数据传输的作用。仿真实验结果表明,该策略在统筹节能和安全等网络性能方面较GPSR有明显优势。
关键词：无线传感网,监督节点,量化均衡,主路径,副路径,GPSR-EDM
目前,无线传感网(WSN)的发展日趋完善,其相关研究领域逐渐多元化,比较热门的有能量感知、安全策略、协作传输、跨层优化等。文献[1]提出了能量动态调整路由的方法,减轻了GPSR容易形成热点路由的缺陷,但很少考虑到数据传输安全的问题。文献[2]建立了高效数据传输机制,减少了传输成本,但是仅仅从数据分配结构考虑节能。文献[3]比较全面地考虑到节能安全,并满足协作传输的实时需求,但只是从调度方面去考虑节能安全,缺乏对剩余能量和距离的考虑。文献[4]建立节点唤醒和休眠机制来减少能量的损耗,但是缺乏对数据延迟因素的考虑,不利于数据的实时性传输。
从以上的分析中可以看出,在试图改善WSN性能的方法中,缺少统筹考察多项性能的优化方法。本文将在综合考虑节点剩余能量和下一跳距离等要素下寻找下一跳节点、监督节点及选择性的休眠唤醒[5]节点,确保信息安全传输,并通过主副路径[6]的协作确保信息的实时性传输。
1 系统模型
1.1 路由节点的选择
本文的建模采用平面静态网络结构,在初始阶段,节点广播自己的位置、剩余能量,每个节点由此记录下与自己最近的6个节点作为可能的下一跳节点[7],并在6个节点中筛选出3个(在S两侧的概率是1/2)离目的节点最近的节点,确保路由不会往相反方向传递。如下图1所示,源节点S选择最近的6个节点,然后依据目的节点P的距离选择3个候选节点,候选节点里有S的下一跳和S的监测节点。从S,P和目的节点的位置容易看出该路由距离最短,即S不会向远离P的方向传递信息,这样符合GPSR路由的理念,又避免形成热点路由,对节点能耗起到动态控制作用。
1.2 路由的形成
按照上述节点的选择方法,通过初始化阶段的选择,形成主路径和副路径。如图2所示。
图2中,S为源节点,P为目的节点,G为监督节点,G1为n1的监督节点,从S到P的实线部分为主路径,下面的虚线部分属于副路径。本文对比GPSR算法,加入能量(Energy)、距离(Distance)、监督(Monitoring)概念,故命名为GPSR-EDM。
1.3 传输模式
当源节点需要发送信息时,首先发送唤醒信息包给它最近的2个节点(在距离目的节点最近的3个中选择),剩余能量最大的节点为S的下一跳n1,另一个为S的监督节点G0。当n1,G0被唤醒并核实S信息后,S开始传递信息给n1,n1接收完成后参照S操作机制继续传输。监督节点记录唤醒时间以及对数据的缓存传输。当整个路由传递结束后,终端节点向上反馈剩余能量,每个节点记录本节点最近节点的最新剩余能量。一旦主路径发生拥塞或断路现象,副路径承担信息缓存及传递信息的任务,如图3所示。
2 算法分析
2.1 路由节点选择算法
通过对能量和距离[8]的选择,并对两参数加以量化考察,避免了热点路由损耗过快,从而达到能量均衡消耗[9]的目的。根据数据传输损耗公式[10]
ETx(l)=l·Eelec+lεfsd2,ERx(l)=Eelec·l (1)
假设节点剩余能量为Pi,为保证信息有效传输,Pi应大于发送时消耗能量。考虑到Pi大于发送者消耗能量的选择需要有个下限,本文设定Pi下限大于待选节点剩余能量均值,即满足约束关系
在1.1节所叙述的初始化阶段筛选出的节点数目为3,故此处n=3。推导如下:
从以上推导可知:mi与节点剩余能量和距离相关,可以用来表示剩余能量和距离之间的量化关系。
在此基础上,本研究采用主流节能策略,对节点采用休眠唤醒机制,在传输过程中加入的监督节点不会占用大量能量,因为主路径负责主要的数据传输,不会因为监督节点的唤醒而造成不必要的能源浪费,反而在安全传输方面起到了重要作用,而且保证了链路的完整性。
2.2 监督节点作用
在传输率不变的情况下,可以通过增加路径来减轻主路径的负担,进而加快数据的传输,确保传输的实时性。此外由于外部环境的干扰,路由有断裂的可能。监督节点链就可以担当起路由的作用,保证信息的安全传输,如图3所示。
本文在监督节点中设立一个时间门限,记录信息包进入时间和传出时间,通过时间的分析对比可以查证有没有伪造的信息进入或者有复制的迹象。如果有恶意节点延迟传输,信息传递时间则不会与时间门限相吻合。若恶意节点引导信息传递,则原路径下一跳将被跳过,由于监督节点没有相应的时间记录,可以断定信息已丢失。此外,由于监督节点有缓存转发作用,间接保证了信息的完整性和实时性。
3 仿真及结果分析
本文采用MATLAB仿真环境,结合GPSR算法,仿真参数选择如表1所示。
路由一旦发生拥塞,网络稳定性将下降,丢包率随之上升。由于本文提出的算法中加入了副路径,副路径的缓存转发功能,减轻了主路径的负担,利用多路径传输的优势加强了网络的鲁棒性,理论上降低了丢包率。图4验证了以上构想,GPSR由于剩余能量和环境等因素,丢包率快速上升,而本文方法下的丢包率上升平缓,保证了安全传输,达到了预期效果。
由于本文加入了选择性休眠唤醒机制,在信息传递之前需要发送唤醒信息包,会存在一定的延迟,但由于副路径的加入形成了多路径传播模式,加快了信息的传递,延迟将减小。综合以上因素,通过图5的仿真结果,本文算法下的延迟会比GPSR的大,但延迟上升率相近,平均相差0.07 s,在可接受范围之内。
GPSR的路径选择是以距离最近为原则的,容易形成热点路由,剩余能量相差很大。而本文采用动态选择机制,加入休眠唤醒机制,在能量消耗上是均衡的,节点能量利用率相比GPSR较高。从仿真图6可以看出上述分析基本符合,而且在200 s以后比GPSR优势更加明显。
4 结束语
本文在研究GPSR路由的基础上,充分考虑能量均衡消耗及信息传输安全,加入监督节点及休眠唤醒机制,提出一种GPSR-EDM策略,提升了GPSR路由的性能(基于距离选择)。从仿真结果可以看出,本文提出的策略在降低系统功耗和保证信息传递完整性方面具有很大的优势,但在网络传输延迟方面略显不足。本研究下一步将针对该策略在传输延迟方面的不足进行改进,以期达到更好的传输效果。
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节能路由 篇2
1 网络互连
网络中获取更多的信息和向网络发布自己的消息，是网络互连的最主要的动力。网络的互连有多种方式，其中使用最多的是网桥互连和路由器互连。
1.1 网桥互连的网络
网桥工作在OSI模型中的第二层，即链路层。完成数据帧（frame）的转发，主要目的是在连接的网络间提供透明的通信。网桥的转发是依据数据帧中的源地址和目的地址来判断一个帧是否应转发和转发到哪个端口。帧中的地址称为MAC地址或硬件地址，一般就是网卡所带的地址。网桥的作用是把两个或多个网络互连起来，提供透明的通信。网络上的设备看不到网桥的存在，设备之间的通信就如同在一个网上一样方便。由于网桥是在数据帧上进行转发的，因此只能连接相同或相似的网络（相同或相似结构的数据帧），如以太网之间、以太网与令牌环（token ring）之间的互连，对于不同类型的网络（数据帧结构不同），如以太网与X.25之间，网桥就无能为力了。网桥扩大了网络的规模，提高了网络的性能，给网络应用带来了方便，在以前的网络中，网桥的应用较为广泛。但网桥互连也带来了不少问题：一个是广播风暴，网桥不阻挡网络中广播消息，当网络的规模较大时（几个网桥，多个以太网段），有可能引起广播风暴（broadcasting storm），导致整个网络全被广播信息充满，直至完全瘫痪，
第二个问题是，当与外部网络互连时，网桥会把内部和外部网络合二为一，成为一个网，双方都自动向对方完全开放自己的网络资源。这种互连方式在与外部网络互连时显然是难以接受的。问题的主要根源是网桥只是最大限度地把网络沟通，而不管传送的信息是什么。
1.2 路由器互连网络
节能路由 篇3
1 Ad Hoc网络
Ad Hoc网络又被称为无基础设施网和多跳网。其是一种自组织形式、无中心的无线网络。作为无线通信网络, Ad Hoc网络具有不同于其他通信设备的特殊性, 其在网络中没有固定的基础设施, 也无需设置中心节点, 所有存在节点都是平等的, 该网络中的每个节点不仅具有基本设施功能, 同时还能够进行报文转发。网络中间节点是各节点信息转发中最重要的传输途径, 而Ad Hoc网络的传输途径与其他网络通信也存在着一定的差别, 特别是在通信算法与分布式协议之下, 移动节点完全能够满足网络自主运行。
2 Ad Hoc网络层的节能机制
Ad Hoc网络层的节能机制如图1, 源节点S将数据传送到目的节点D处, 按照常规路由协议计算方式来看, 通常会优先选择最小跳数S-C-D路径进行传输, 节点C位于网络中心节点位置, 其必然会同时被多条路径选用, 这样一来, C节点使用量过多, 能量的消耗也会加快, 当节点C能量消耗完毕时就容易出现网络分割现象, 从而迫使节点G、E、F从原网络中脱离出去。因此, 为了提高网络使用寿命, 就需要合理规划网络节点之间的能量消耗, 使节点内能耗达到平衡。故图1中的理想路径应为S-A-B-D和S-C-D。
3 AODV路由协议及其优化
3.1 AODV路由协议
AODV路由协议指的是以DSDV为主的一款按需路由协议, AODV路由协议主要包括路由发现、路由确认和路由维护三个阶段。路由的发现和维护阶段指的是路由源节点将信息传输到目的节点, 无传输途径时则发起路由请求, 主要有以下四个步骤, (1) 源节点广播RREQ到整个网络中; (2) 中间节点接收到RREQ信息后建立起符合源节点需求的路径; (3) 目的节点在接收到RREQ后进行处理并建立反向路径, 将确认报文发回源节点; (4) RREQ传送到中间节点时建立起正向路径, 并按方向传送回源节点, 使源节点能够对第一个RREQ进行处理, 实现与目的节点的传输路径。
3.2 QEC-AODV协议
⑴QEC-AODV协议。基于AODV算法之上, QEC-AODV协议为能量考虑进行了改进, 其设置能够为网络提供给基本的Qo S保障, 并且在保证宽带资源充裕的前提下, QEC-AODV协议能够很好的实现宽带中网络节点的能量分配。网络节点可分为三类, 这三类节点在进行RREQ信息接收后会进行不同的延迟转发机制, 以此为用户建立最为适宜的传输途径。这些传输途径在节点宽带资源、电池剩余以及总能量消耗上有着明显优势, 其他相关路径传输只有在符合以上协议的基础上才能作为备份路径存在。因此, QEC-AODV协议在网络中的运用能够有效减少网络能源消耗实现节点低耗能, 同时提高了宽带的利用率。
⑵QEC-AODV运行机制优化。QEC-AODV运行机制在网络中主要分为路由发现阶段和路由维护阶段两方面。
1) 路由发现阶段。当在网络运行过程中存在路由需求, 而目的节点与源节点之间没有传输路径时, 源节点自动进行路由发现过程, 即广播RREQ, RREQ格式如表1所示。
2) 路由维护阶段。在源节点广播RREQ并成功传送到目的节点时, 网络传输会自动进入路由维护阶段, 维护格式如下表:
QEC-AODV路由协议基于AODV路由维护之上, 还运用了节点切换中的路由维护模式。QEC-AODV协议中的每个节点都可以向自身邻节点发送消息报文, 且可以预测出传输路径状态, 在路径失效之前找到替换节点并利用替换节点进行数据传输, 如果没有找到替换节点则以AODV方式来完成路由维护工作, 并选择路径发送RERR错误报文。
4 结语
总之, 只有基于Ad Hoc网络基础上进行节能优化, 并通过QEC-AODV协议来进行节点剩余能量分析, 才能够达到减少能源消耗, 提高宽带传输资源效率的目的。
摘要：Ad Hoc网络没有固定的基础设施且可以进行快速组网, 通过多节点转发来实现数据传输功能。但由于中心节点的路径重复使用率高, 容易造成能量消耗过快, 为了解决这一问题, 本文将以Ad Hoc网络作为切入点, 对其网络层的节能机制及相关的QEC-AODV协议进行探讨。
关键词：Ad Hoc网络,能量,QoS路由协议
参考文献
[1]刘大伟, 金伟, 王晓洁.一种节能的Ad hoc网络路由协议[J].计算机工程与应用, 2011, 47 (26) :93-94.
网卡和路由的无线路由连接设置 篇4
本文以市场上比较热销的TP-link域展54M无线套装为例讲解怎样操作电脑上安装的无线网卡去连接无线宽带路由器,构建自己的无线局域网.本文中的无线路由器选取的是TP-LINK域展?54M无线宽带路由器TL-WR541G,无线网卡选取的是TP-LINK域展/速展无线网卡TL-WN510G/550G/610G/650G系列产品.
一、无线路由连接设置
◆进入TL-WR541G的配置界面,在“无线网络基本设置”界面默认配置如下:
◆页面中的各个参数的含义:SSID:用于识别无线设备的服务集标志符.无线路由器就是用这个参数来标示自己,以便于无线网卡区分不同的无线路由器去连接.这个参数是由无线路由器来决定的而不是由无线网卡决定,换个角度思考,比如无线网卡周围存在A和B两个无线路由器,它们分别用SSIDA和SSIDB来标示自己,这时候无线网卡连接谁,就是通过SSID这个标示符号来分辨的.
◆这里我们采用默认的SSID就是TP-LINK,当然您可以根据自己的喜好更改这个参数,改为一个容易记忆的数字或字母或两者的组合.频道:用于确定本网络工作的频率段,选择范围从1到13,默认是6.这个参数在应用当中只需要注意一点:假设您的邻居家也布放了无线网络,而且使用的频道也是6,这个时候为了减小两个无线路由器之间的无线干扰,可以考虑将这个参数更改为1或者13都可以.
◆无线路由连接设置模式:这个参数用来设置无线路由器的工作模式,这里有两个可选项分别是54Mbps(802.11g)和11Mbps(802.11b),一般这个参数我们也没有必要做改动,默认就可以.有一点需要注意的是:假设您购买的是我司速展?108M无线宽带路由器TL-WR641G,那么在这个参数里会多出两个可选项总共有四个分别是11Mbps(802.11b)、54Mbps(802.11g)、108Mbps(Static)和108Mbps(Dynamic),多出了静态108M和动态108M的两个模式.
◆那么什么时候选择108Mbps(Static),什么时候选择108Mbps(Dynamic)呢?可以这样来确定:如果与WR641G连接的无线网卡型号全部是我司的速展?108M无线网卡TL-WN610G/650G,这时候就可以选择WR641G工作在静态(Static)108Mbps的模式,除此之外的别的情况,都选择动态(Dynamic)108Mbps或者54Mbps(802.11g)模式.
◆开启无线功能:使TL-WR541G的无线功能打开和关闭.允许SSID广播:默认情况下无线路由器都是向周围空间广播SSID通告自己的存在,这种情况下无线网卡都可以搜索到这个无线路由器的存在.如果将这里的复选框里的钩去掉,也就是无线路由器不进行SSID的广播,这种情况下无线网卡就没有办法搜索到无线路由器的存在了.
◆上面这是TL-WR541G“无线设置”里面默认的各个参数情况,当给WR541G加电以后,就会在WR541G周围生成一个无线网络,这个网络的SSID标示符是“TP-LINK”,工信道作是6,网络没有加密.这时候一个没有加密的无线网络就存在于WR541G的周围了,可以提供给无线网卡来连接;
二、无线网卡配置
无线路由连接设置方式一、设置无线网卡链接无线路由器的基本设置算是完成了,现在就以WN510G为例,讲解如何在电脑上配置无线网卡:
◆安装过程结束以后,会在电脑“设备管理器”里面看到网卡驱动正常安装.
◆同时桌面上产生如下一个图标――“TP-LINK域展速展客户端管理程序”,这个程序就是我们管理网卡的管理工具:
◆同时在桌面右下角的任务栏图标上我们会看到如下显示:
◆就像上面这两个图标,显示TL-WN510G已经和TL-WR541G建立好了无线网络连接,绿色图标就是“TP-LINK域展速展”管理程序的显示;如果您的电脑任务栏没有显示那是因为在“网上邻居”右键属性里面,“无线网络连接”的显示属性没有选中.
◆原因就在红色标记里没有打钩选中!另外我们在上面也用红线标示了一个“无线网络连接”的属性页.
◆上面红线标注的这个选项,是Windows自带的无线网卡管理程序,我们不推荐使用,如果这里打钩的话表示启用Windows自带的无线配置程序对网卡进行管理,这个管理程序和“TP-LINK域展速展”客户端管理程序会产生冲突,而且Windows自带的这个管理程序不能完全发挥TP-LINK无线网卡的作用,所以这里我们不推荐使用.
一种节能的分簇路由算法研究 篇5
无线传感器网络是一种面向具体应用、以数据为中心、传感器节点资源有限、网络拓扑经常发生变化的大规模自组织网络。随着传感技术、微电子技术、嵌入式计算技术和通信技术的快速发展和高度集成, 它的应用前景也越来越广阔, 如:军事领域、防恐与反恐、环境监测与预报、空间探索、城市交通管理、智能家居等, 已逐渐深入到人类生活的各个领域, 被认为是对21世纪产生巨大影响力的技术之一[1]。传感器节点通常由能量有限的电池供电, 在目前的技术水平下, 通过提高电池的容量或人工更换电池的方式补充能源是不切实际的。因此, 对无线传感器网络路由算法的设计应当把节约能源放在首要位置, 综合考虑能量消耗的均衡性问题, 以达到最大限度的延长网络生命周期的目标。
对无线传感器网络的节能研究主要集中在硬件的设计、MAC协议及路由协议设计方面。目前提出的无线传感器网络路由协议主要有两类:平面路由协议和层次路由协议。传统的平面路由协议需要在每个节点中维护一张路由表, 通过节点之来的信息交换来实现路由的选择, 这样需要消耗大量的路由空间并增加了网络的通信负担。层次路由协议的基本思想是将网络分成多个簇, 由簇头节点对各自簇内的数据进行简单的处理并传输到sink节点, 这样簇头节点便成为分层路由协议中的瓶颈节点。采用基于分簇的层次路由算法相对平面路由算法具有更好的适应性和节能性[2]。文献[3]提出了DDCH算法, 利用由具有局部最大剩余能量的节点所构成的“能量核”来进行路由, 选择一条自源节点到目的节点的局部最短路径来进行数据的传输该算法具有较低的时间复杂度和较好的可扩展性文献[4]提出了DEEC算法, 从节点剩余能量及其与基站之间的距离为出发点, 提出按功能设置四种不同类型的节点, 除簇头节点外, 其余三种分别完成数据收集、数据处理、数据转发的功能。该算法能在较小的网络延迟下有效地延长网络的生命周期并均衡网络的能量消耗, 但增加了信息交换与数据传送的次数, 增加了额外的消耗能量。文献[5]提出了一种基于簇的多跳高效节能路由算法, 该算法中节点自主地根据其剩余能量来竞争簇头, 分簇完毕簇成员如果没有感知任务就处于休眠状态;簇头之间通过建立路由树以多跳方式将收集到的数据经根节点发送到sink节点。文献[6]对最小ID分簇算法进行了改进, 通过调整簇头节点的功率大小来增加或减少簇内节点的数量, 以达到最佳的网络性能。文献[7]提出了一种基于LEACH的固定聚类路由算法。
本文在基于LEACH的固定聚类路由算法的基础上结合已有的研究, 提出了一种新的节能的分簇路由算法, 其基本思想是在簇头节点的选举过程中引入了“捎带”技术以减少网络的通信流量, 降低延时;簇头节点之间通过构造邻节点的路由表并选择具有较大剩余能量值、通信距离较短的路径将数据发送到基站, 以实现使能量的消耗均衡的目的, 从而延长网络的生命周期。理论分析和仿真结果表明, 该算法是可行的并表现出更好的性能。
1 一种节能的分簇路由算法
1.1 相关工作及问题分析
基于LEACH的固定聚类路由算法的是以聚类的方式来组织节点的, 其基本思想为: (1) 根据被监测区域的面积以及传感器节点的总数目, 通过数学计算得到固定聚类路由算法的最优聚类首领数; (2) 根据节点的地理位置信息及最优聚类首领数, 由BS统一将被监测区域划分为面积大体一致的固定聚类区域; (3) 聚类区域一旦划定便固定下来, 从第二轮开始由具有最大剩余能量值的节点担任聚类首领; (4) 聚类内节点采用单跳的方式与聚类首领通信; (5) 聚类首领之间通过建立路由树, 形成层次化聚类结构与BS进行通信。
该路由算法可以延长网络的生命周期, 并在一定程度上均衡了能量的消耗。但是在步骤 (3) 聚类首领的选举过程中, 聚类内的所有节点将自己的当前能量值与阈值相比较, 若大于阈值, 则向前一轮的聚类首领报告自身的能量值, 再由前一轮的聚类首领选定具有最大剩余能量值的节点担任聚类首领, 并将信息广播给聚类内的所有节点。该过程进行了一轮计算机和两轮额外的信息传输, 虽然减少了需要传输信息的节点的数量, 但还是增加了通信的流量和能量的消耗。步骤 (5) 聚类首领通过比较自身和其它聚类首领的剩余能量值, 选择具有最大剩余能量值的聚类首领作为其父节点的方式建立路由树。该过程忽略了节点之间的距离信息。由于通信损耗能量同传送的数据量和到达目标的距离平方成正比, 在通信方式上, 一般认为短距离的无线低功率通信技术最适合传感器网络使用[8]。
1.2 算法模型和假设
本文中采用二层架构模型。上层为簇头节点层, 主要负责通过簇头之间的路由表选择最佳的转发路径将簇内收集的数据发送给基站以及下一轮簇头节点的选举;下层是簇内节点层, 主要负责完成数据的收集任务。本文在该模型中做如下假设:
(1) 网络中所有的节点功能都是一致的 (即簇内所有的节点是平等的) ;
(2) 每个节点均有一个固定的ID号, 并且具有获取本身当前剩余能量值的能力;
(3) 所有节点具有感知自身地理位置及路由的功能;
(4) 初始状态各节点的能量是相同的;
(5) 被监测区域面积及传感器节点的数目是已知的。
1.3 算法详细描述
本文所提出的节能的分簇路由算法其基本思想为:将节点分成簇内节点与簇头节点两级拓扑结构, 簇内节点负责某个具体区域内的数据采集任务, 簇头节点负责将本簇内的数据进行必要的处理并传送给基站。固定的分簇及第一轮簇头的选举在初始阶段由基站完成, 其余簇头节点的选举依据最大剩余能量值的原则通过在簇内节点的最后一个数据包中“捎带”自身剩余能量信息竞争完成, 簇头节点之间形成网状拓扑结构, 并维持一张由邻居节点梯度、距离及剩余能量值组成的权值路由表, 通过选择权值最小的路径进行数据的传输。
算法描述为如下步骤:
Step1:在监测面积 (a×a) 和传感器节点总数
(N) 已经确定的情况下, 由公式推导出最优的分簇数, 其中LBS表示节点与基站之间的距离, λ为无线信号传播参数;
Step2:基站根据已经推导出的最优分簇数把被监测区域划分成k个固定的分簇, 并随机的为每个簇指定一个簇头节点;
Step3:成为簇头的节点发送一个消息给基站, 基站根据接收到信号的时间先后及强度给每个节点返回一个梯度值, 建立一个梯度场, 如下图1所示;
Step4:每个簇头节点在一跳的范围内 (邻节点) 建立一张路由表, 保存其邻节点的梯度值、当前剩余能量值、两节点之间的距离等信息, 其格式如表1。
簇头节点以一定的功率发送消息给它周围一跳范围内的邻居节点, 邻居节点收到消息后返回一个包含自身ID号、梯度值及当前剩余能量值的消息给该簇头节点, 簇头节点根据收到消息的时间及强度判断与邻居节点的距离, 并按上表设计的格式将信息存储在路由表中;
Step5:簇内节点将收集到的数据在自己的时间间隙内发送给簇头节点, 在簇头节点进行必要的数据融合等处理后发送给基站。由于网络内节点密度大导致同一分簇区域内数据的相关性与冗余性比较大, 数据融合技术是指在数据收集的过程中, 利用节点本地计算机和存储能力对数据进行操作, 去掉冗余信息, 达到减少通信量, 节约能量的目的;
Step6:簇头节点向基站发送信息时首先在路由表中找出所有梯度值比自己小的邻节点, 然后将其当前剩余能量值与一个参考量ξ进行判断, 若该值小于ξ则不再考虑将数据转发至此邻节点, 若该值大于ξ再根据两节点间的距离进行选择。节点之间的距离可以转化为它们之间响应的时间长短及信号的强弱, 距离越近, 响应时间越短, 信号越强。簇头节点选择距离较近的邻节点进行数据的发送。
Step7:数据发送完成后进行下一轮的簇头节点的选举。上一轮中簇内节点在发送最后一个数据包的时候将自身的当前剩余能量值插入到数据包的尾部进行“捎带”传送, 簇头节点通过判断提取出它们的当前剩余能量值并进行比较, 选择具有最大当前剩余能量值的簇内节点成为下一轮的簇头节点, 并将自己的梯度值嵌入到通知包中发送给下一轮的头节点;如果簇内节点的当前剩余能量均小于簇头节点, 则簇头节点继续担当下一轮的簇头节点;最后一个数据色的结构如表2;
Step8:返回step4重复执行, 直到网络内大部分的节点因能量耗尽而失效, 那么网络也就死亡。
2 仿真实验及性能分析
为了更好、更准确的评价本文所提出的节能的分簇路由算法, 本文设计了以下场景, 并从节点的死亡率与算法轮数的关系以及节点数据发送量与能量消耗之间的关系两方对其性能进行了分析。
无线传感器网络由200个传感器节点组成, 节点随机分布在被监测区域面积大小为100m×100m的区域内, 基站位于坐标为 (50, 100) 的位置。节点初始能量1.5J, 数据包长度500Bytes, 发送和接收数据的能量消耗为50nJ/bit, 放大电路功耗为100pJ/bit·m-2。
从图4 (a) 实验结果可以看出, 由于本文中所提出的分簇路由算法在簇头节点之间通过构造路由表并选择最佳路径进行数据的发送, 第一个节点的死亡时间比基于LEACH的固定聚类路由算法有明显的延迟, 节点全部死亡的时间也有明显的延迟。这说明本文中所提出的算法能更有效的延长网络的生命周期, 使能量的消耗更加均匀的分配到所有节点上。
从图4 (b) 的实验结果可以看出, 由于本文中所提出的分簇路由算法使用了最后一个数据包“捎带”节点当前剩余能量值的技术, 减小了网络中的通信流量, 所以算法的能量有效率相对于基于LEACH的固定聚类路由算法来说有明显提高。这表明本文中所提出的算法能够更加有效的利用能量, 更好的实现了能量的节约。
3 结论
本文所提出的分簇路由算法在簇头节点的选举方面主要考虑了通过减少网络的通信流量来达到减少开销, 节约能量的目的;簇内节点将数据发送到簇头节点后进行必要的数据融合, 去掉冗余的信息;簇头节点到基站之间的数据通过构造路由表并选择一条最佳路径进行发送。仿真实验结果表明, 本算法能有效的提高能量的使用效率, 达到节约能量, 均衡能量消耗, 延长网络生命周期的目的, 具有较好的性能。
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节能路由 篇6
在无线传感器网络WSN中，由于各个节点的电量是有限的，而且想要对分散的节点进行充电或更换电池比较难以实现，因此选择一种合理的路由协议，降低网络各个节点的能耗，延长整个WSN的生存时间是当前WSN的主要研究方向之一。
一般来说WSN路由算法主要分为两大方面，一是平面路由算法，包括Flooding路由协议和Gossiping协议[1],MTE算法[2]等;另一种是分簇路由算法，包括LEACH协议[3],HEED协议[4],PEGAGIS协议[5]等。在平面路由算法中的各个节点地位都是相同的，没有等级和层次的限制，因此平面路由算法拥有组建简单，易于扩展，网络健壮等特点。与此同时，也造成了它灵敏性较弱，网络生存时间较短等缺点。在分簇路由中，WSN通常会被划分为多个簇，每个簇都相当于一个小型的WSN，最后由每个簇的簇头将信息传输给基站。分簇路由算法通过数据融合，集中传送的方法，有效地减小信息的传输量，大大减小了能量的消耗，从而延长了网络的生存周期。
由于分簇路由协议较平面路由协议相比，能有效地解决节点能耗过高，生存时间较短的问题;使得整个WSN灵活性增强，适合大规模网络的组建和扩展;分簇路由算法中动态成簇的思想，大大提高了网络的鲁棒性。LEACH协议作为分簇路由协议的基础，许多分簇协议也正是通过该协议演变而来，因此该协议具有极强的研究价值，本文对LEACH协议的算法进行了研究和改进，尽量使整个网络的能耗趋于平衡，延长网络节点的工作时间，进而延长WSN的生存时间[6]。
1 LEACH协议
LEACH协议[3]是由MIT的Heinzelman等人在2000年时提出的低功耗自适应分层路由协议，它是无线传感器网络中第一个被提出的分簇路由算法，在无线传感器路由算法的研究中有非常重要的位置[7]。
LEACH算法的过程主要分为成簇阶段和数据传输阶段，而将两个过程和起来称之为“轮”。在成簇阶段，节点会选择一个0至1的随机数，如果该随机数小于当前设定的阈值T(n)[3]时，该节点被选为簇头。T(n)[3]的公式为:
式中，P为整个WSN中簇头个数与节点总数的比值;r为当前所进行的“轮”数;G为近期1/P轮中未当选过簇头的节点集合。根据公式，在第0“轮”中，所有节点成为簇头的概率都为P，当选过簇头的节点，在之后的“轮”中不会再被选为簇头。经过1/P“轮”后，所有节点又会以P概率成为簇头。
当簇头选定后，簇头节点会向周围所有节点发送成簇广播，在WSN中的所有非簇头节点均会收到一个或多个成簇广播，他们会通过接收到信息的强度，来判定与哪个簇头成簇。最后，非簇头节点会发送一个“Join”信息至对应的簇头，成簇阶段完成。
在WSN完成分簇后，每个簇的簇头会给自己的簇分配TD-MA间隙，规定了簇内各个节点在该“轮”内的数据传输时段和休眠时段。簇内节点根据TDMA，在自己的时间段内向簇头传送信息，簇头节点在接收所有的非簇头节点的信息并进行数据融合后，将数据集中发送给基站BS。至此，LEACH协议中的一“轮”的工作完成[8]。
通过对LEACH路由协议的详细介绍，我们可以了解到，LEACH协议作为无线传感器网络中首个分簇路由算法，有着之前平面路由算法无法比拟的优势。它通过成簇，减少了网络中节点长距离传输数据的次数，进而减少了能耗。在每个簇的信息集中在其所属簇头后，簇头将集中的数据进行数据融合操作，减少了整个WSN的数据传输总量，达到减少能耗，延长网络寿命的目的[9]。但是LEACH协议也无法避免的存在着缺陷。由于LEACH协议在簇头的选区方面是随机产生的，并没有能对节能的剩余能量进行考虑，当某些剩余能量较少的节点被选成簇头后，大量数据的长距离传送会加速该节点的死亡。在一个节点死亡后，其周围的节点工作量随之加大，也加速了周围节点的死亡，进而缩短整个无线传感器网络的生存时间。在之后的一些基于LEACH协议的改进算法中，加入了节点剩余能量的因素，但仅仅考虑了单个节点的剩余能量，没有将地理位置对节点剩余能量的影响考虑其中。因此在无线传感器网络中，靠近基站的节点往往剩余能量较多，成为簇头的概率也相对较高，这样会造成网络簇头分布过于集中，这样不但没能体现出分簇路由协议的节能效果，反而增加了网络能耗负载，加速网络的死亡。
针对上述缺陷，提出了一种LEACH协议的改进算法。
2 改进的基于LEACH协议的节能算法
2.1 EB-LEACH算法思路
EB-LEACH算法的主要思想，是使无线传感器网络中的簇头分布更为合理，均衡网络中所有节点的能耗，从而实现延长无线传感器网络的寿命。
在分簇路由协议中，最重要的就是对簇头节点的选举，需要充分考虑其剩余能量以及节点位置。因此，在改进算法中将节点的剩余能量分为两个因素，分别为绝对剩余能量和相对剩余能量。绝对剩余能量是就网络全域而言的，即网络中节点的实际剩余能量;相对剩余能量是就簇内节点而言，即网络中各个簇内节点的剩余能量。在无线传感器网络节点工作中，距离基站远的节点因传输距离长，能耗较多，剩余能量普遍较距离基站近的节点少，因此仅从剩余能量方面决定簇头的选举，容易造成簇头过于集中。在引入了相对剩余能量后，针对距离基站较远，剩余能量较周边节点多的节点，也同样容易成为簇头，这样便使得簇头的分布更加均匀。
通过使剩余能量相对较多的簇头节点均匀分布，达到均衡网络节点能耗，最终实现延长网络工作时间的目的。
2.2 EB-LEACH算法描述
因为影响节点成簇的因素有多种多样，针对LEACH协议及其改进算法中的不足之处，单纯的选择剩余能量大的节点成为簇头，容易造成在网络运行一段时间后，簇头选定位置相对集中，进而造成网络节点的能耗过大[10]。
在无线传感器网络运行过程中，假设网络中有N各节点，随机分布在面积为M的区域之中，其中有K个簇头节点，因此平均一个簇中有N/K-1个节点，当网络中节点足够多时，N/K-1=N/K，融合一个单位数据的能耗为EDA，数据融合率为q，消息长度为l，数据长度为L，由于数据长度远大于消息长度，因此(1+L)=L。在网络一轮的工作中，首先在成簇阶段，簇头节点发送广播宣布成为簇头，在接收到其他节点发送过来的入簇消息后，向其发送簇内节点确认消息。在数据传输阶段，簇头依次接收簇内节点传输的数据后进行数据融合，最后将收集到的数据发送给基站[11]。因此簇头的能耗为:
作为普通节点，在接收到簇头节点发来的广播后，根据能量判断加入某个簇，并向该簇头发送入簇消息，在接收到簇头发送过来的确认消息后，簇内节点根据确认消息里的时间安排，在某个时间段内向簇头发送数据。因此簇中每个节点的能耗为:
综上所述，因此一个簇中所有节点在一轮中的能耗为:
因此改进的EB-LEACH算法在选举簇头时，加入了能量因子参数，充分地将节点的能量因素考虑在内。通过簇头间传输能量信息，掌握网络的全局能量情况。再通过簇内发送TDMA调度信息时，将能量信息一起发送给簇内成员，掌握网络局部能量情况，让所有节点都获取到其他节点的能量信息。通过网络对节点的能量分析，让剩余能量较多的节点更容易成为簇头，同时也使距基站较远且剩余能量较周围节点多的节点更容易成为簇头。这样不仅能使剩余能量较多的节点更容易成为簇头，同时也能使簇头节点均匀分布。从而使得网络各个节点能耗趋于平衡，大幅度增加节点的工作时间，实现延长网络生存时间的目的。改进后的算法簇头选举流程如图1所示。
通过算法改进，如果当前节点的剩余能量较大，则增加阈值T(n)，使之更容易成为簇头，反之则降低阈值T(n);如果当前节点距离基站较远且剩余能量较周围节点更多，则增加其阈值T(n)，提高其成为簇头的几率，反之则降低阈值T(n)。T(n)的具体公式为:
其中P为百分数，表示整个网络中簇头个数与节点总数的比值;r为当前“轮”数，表示现在正在进行的“轮”数;Ecurrent(r)表示当前节点的剩余能量;Eaverage(r)表示当前网络中所有节点的平均能量;EC-average(r)表示当前网络中其中一个簇内所有节点的平均能量;Eused(r-1)为上一“轮”中节点的使用的能量;α和β为能量平衡因子，其中α+β=1且节点距基站越远，β所占比例越大;G为节点集合，表示近期1/P轮中未当选过簇头的节点集合。
2.3 最优簇头数改进
为了进一步减少网络能耗，可以通过优化网络中的簇头个数，合理分配网络中簇的分布。根据之前推导的能量模型，在一个面积为M的区域之中，有K个簇头节点。根据式(4)中一个簇中所有节点在一轮中的能耗，可以推算整个网络，即K个簇在一轮中的能耗公式为:
为求出簇头数K的最优值，同时将公式两端对K求导，即:
令式(8)等于零，求解得出最优簇头数K值为:
2.4 改进算法复杂度分析
当网络节点数为n时，就空间复杂度而言，由于是n个网络节点同时工作，因此LEACH协议与EB-LEACH协议的空间复杂度均为O(n)。就时间复杂度而言，LEACH算法成簇阶段的时间复杂度O(n)。在EB-LEACH算法中，由于簇头间需要传输能量信息，增加了其时间消耗，因此其时间复杂度为O(n(1+p))。在网络足够大时，既n较大时，可近似的认为LEACH协议与EB-LEACH协议的时间复杂度相同。
3 仿真实验和结果分析
在Matlab仿真工具环境下，设置仿真实验参数如表1所示。
根据上述参数，分别对基于LEACH协议，LEACH-NEW协议和EB-LEACH协议的路由算法进行仿真实验，主要对这三种算法在工作中的网络存活节点数，节点能耗数等方面进行数据比较分析。图2为无线传感器网络拓扑图。在面积为100 m×100 m的区域中，随机分布了100个网络节点，图中以“o”表示，基站BS位于零点，坐标为(0,0)。上述三种算法均在该拓扑图中运行。
为了展示三种算法的网络生存时间，列出了在1000轮工作时间内三种算法的网络剩余活节点的变化曲线，随着工作轮数的不断推进，网络中的活节点数也将不断减少。如图3所示。
从图3中可以看到，在相同的网络节点拓扑图下，基于EB-LEACH协议的路由算法第一个死亡节点出现在第489轮，最后一个死亡节点出现在863轮，网络整体生存时间比其他两种协议更为持久。与之前改进的算法LEACH-NEW协议相比，EB-LEACH协议不仅拥有生存时间的优势，而且从600至700轮间的曲线斜率可以明显得出，EB-LEACH协议中节点的死亡速度也更为缓慢。由此可说明基于EB-LEACH协议的路由算法的网络节点存活时间明显优于使用其他两个协议的路由算法。
为了比较三种算法在工作中的能耗情况，给出了三种算法的网络在每一轮中所有节点剩余能量的总和变化曲线，随着工作轮数的不断推进，网络中的能量总数将不断减少。如图4所示。
从图4中可以看到，随着无线传感器网络的工作不断推进，网络中的死亡节点不断增多，能量消耗不断增大，剩余能量逐渐变小。但通过对比可以明显看出，使用EB-LEACH协议的路由算法直至863轮时才耗尽所有节点能量，且从网络一开始工作其能耗就明显少于其他两种协议。截取200至400轮间的网络剩余能量变化情况进行分析，不难发现基于EB-LEACH协议的路由算法的剩余能量较多，并且能量差距不断加大，通过求导可计算其能耗曲线斜率近似于0.08，小于LEACH-NEW协议曲线斜率的0.09和LEACH协议曲线斜率的0.1。这说明经过改进后的EB-LEACH协议中，网络每一轮工作的能耗始终低于另外两种协议的能耗。
除了剩余活节点与剩余节点能量的比较外，改进后的EB-LEACH协议在其它方面也普遍优于其他算法。表2列出了三种协议的死亡节点时间，数据包发送量，数据包平均能耗的比较结果。
通过表2的数据比较可以看出，EB-LEACH协议不仅在网络生存时间上优于另外两种协议，在网络数据传输中，由于延长了网络节点的生存时间，有效数据包传输数量也远高于另外两种协议。从数据包平均能耗可以看出，EB-LEACH协议不仅提升了网络数据包的发送成功率，同时降低了发送数据所需能耗，实现了降低网络能耗，延长网络生存时间的目的。
4 结语
本文对传统的LEACH协议进行了研究和分析，针对协议存在的不足之处进行了改进，提出了EB-LEACH协议。EB-LEACH协议改进了簇头选择方式，将节点剩余能量与地理位置分布相结合，对簇头节点选择条件进行了优化，使无线传感器网络中的簇头分布更为合理。在相同的拓扑图下对基于LEACH协议，LEACH-NEW协议和EB-LEACH协议的路由算法进行了仿真对比实验，实验结果也说明改进后的基于EB-LEACH协议的路由算法第一个和最后一个死亡节点出现时间晚于另外两种算法，网络工作时间比其他两种协议更为持久。此外，通过各项数据的对比也说明了改进后的算法在提高网络数据包的发送成功率的同时也降低了发送数据所需能耗，有效地降低了整个网络的能耗，提高了无线传感器网络的性能。
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节能路由 篇7
传感器网络结 点器件的 电源能量 是有限的, 因此最大化利用结点的有限能量 以延长结 点的工作时间是路由 算法设计 需要考虑 的重要因 素[1,2]。 而分簇路由对于均衡网络的能量 消耗和延 长网络运作时间 具有重要 意义,是适合传 感器网络 通信的一种路由方式。低功耗自适应集簇分层型(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy,LEACH)路由协议是目前 运用较广 的分簇路 由协议,它比传统的平面 路由协议 降低了能 耗,提高了网 络扩展性。但它存在簇首 选择不合 理,簇间单跳 能耗大等问题[3],因为在该协议 的簇结构 中,簇首要收 集簇内结点采集的数据,同时还要 承担路由 功能,将簇内结点的冗 余数据融 合处理后 再转发给 基站。 由于这种独特 的 “多对一”的数据传 输模式,令簇首负担很重,结点能耗不均衡,整个网络 的生存周 期缩短。 这是目前 该路由协 议需要进 行改进的 地方。
文章在LEACH算法基础上研究一种改进的分簇路由算法,它能够考虑结点器件剩余能量以及与基站的距离因素自适应改进簇头选择机制,引入超级簇头作为普通簇头与基站的通信中继。
1改进的分簇路由算法
与LEACH算法基本流程相同,文中提出的改进算法仍然采用轮的运作方式,每轮包括分簇建立和稳定的数据传输两个阶段。在分簇建立阶段,核心是簇头的选举。我们在簇头选举中引入剩余能量和距离因子,推断出合理的加权阈值公式。在稳定的数据传输阶段,综合考虑剩余能量和与基站的距离,从簇头集合中选择一个超级簇头作为其余簇头与基站通信的中继,完成数据汇聚、融合和转发任务。这样处理的目的是进一步均衡结点能量消耗, 延长网络运作时间。
1.1选择最优簇头数目CHopt
选择合适的簇头进行分簇,可以使得网络分布比较均匀,均衡整个网络的能量消耗[4]。当覆盖的网络中簇头数目较多时,可能造成簇头的分布较为密集,产生一些冗余簇头,增加了处理冗余信息以及过多簇头与基站通信带来的额外开销。当网络中簇头数目较少时,会使得每个分簇覆盖的成员结点较多且分布不均匀,簇内通信时距离簇头较远的成员结点会增加能量的消耗,并且随着网络的持续运作, 簇头结点会不断减少以至于满足不了通信的需求, 降低了通信质量而导致网络失效。所以,选取一个最佳的簇头来为网络划分簇是分簇路由算法设计中一个重要环节。文章按公式(1)计算簇头数目的最优值:
其中,CHopt为簇头数目的最优值;N为网络中总的结点数目;是一个阈值,用于判断采用水下自由空间模型还是水下多径衰减模型,记为d0;L是结点分布区域的长度;dtoBS为结点到基站的距离。 由式(1)可以看出,这样就使得簇头数目与网络中结点数、d0值、网络区域大小以及基站位置的分布等建立密切关系,从而保证了能够最优地反映网络各个部分的联系。
1.2选择最优簇直径D
根据上一节推断出的最优簇头数目可以对网络进行簇结构的划分,并由此可以推断出簇间的最优距离(即簇直径)来保证所划分的簇能够覆盖整个网络且簇与簇之间没有重合的结点。这样,在簇头广播控制消息和普通结点发送加入请求消息时只需要考虑在簇直径覆盖范围内的结点即可。文中假定监控的网络区域面积为L×Lm2的一个方形区域,而簇结构覆盖的是一个圆形区域。按公式(2)选择最优簇直径D :
式(2)中的系数k≥1,这样可以保证所有分簇能够覆盖整个监控区域,防止产生监测盲区。这样根据式(2)可以推断出簇半径R的计算公式如下:
R这个值可以作为簇头广播消息的广播半径,在簇头广播阶段,簇头只需 要处理以 其为中心、R为半径的圆形区域内所覆盖的普 通结点的 加入请求消息,普通成员结 点选择与 其距离R范围内的 合适簇头加入成 为其一个 成员。另外,D这个值可以用于调节簇 头的个数。实际上每 轮选举出 来的簇首个数并不都是最优值CHopt,可能在最优值范围内上下波 动,当波动幅 度较大时 将非常影 响系统的性能。当簇头数 目较少时,可以在距 离簇头D范围内添加一个剩余能量较大的结点作为簇头;当距离D范围内有 多个簇头 时可以将 剩余能量较小 的簇头转 变为普通 成员结点[5]。 这样,可以保证簇头的 数目能够 靠近最优 值,保持一个 较为稳定的波动变化。
1.3簇头选举阈值公式Timproved(n)
簇头选举中应该考虑结点的剩余能量和与基站之间的距离这 两个因素。于是对阈 值公式进 行改进,首先根据前面推断出的最优簇头数目,将簇头百分比p的值修改为:
其中,CHopt为最优簇头数;N为网络中总的结点数目。这样求得的簇头百分比popt为最优值。可以保证每轮产生的簇头数目接近这个最优值,使得簇头在网络中的分布比较均匀。
然后引入剩余能量因子,避免剩余能量较低的结点成为簇头来承担主要通信任务,从而可以降低其能量消耗的速度,延长网络生存时间[6]。修改后的公式为:
引入之后,可以降低 低能量结 点成为簇头的概率,高剩余能 量的结点 成为簇头 的可能性大大 增加。但是随着 网络的持 续运作,所有结点的剩余能量 都会变得 较低,这样当选 为簇头的概率会 越来越小,所以这里 进一步修 正阈值公 式为:
式(6)中α 值表示结点连续未当选为簇头的轮数,这样当α值越来越大时结点当选为簇头的概率会随之增大,从而在结点剩余能量较低时仍然保证某些结点来承担簇头。当某个结点当选为簇头后,将其α值置为0重新计数。
2算法仿真实验
这里使用文献[7-8]中针对水声传感器网络提出的能量模型。接收器接收1Bit数据包所需要的最低功率记为P0,则与接收器相距距离为d的接收功率为:
其中,α(f)是吸收系数,取决于水下环境,如水温、 盐度等,一般取中等水平值,单位为分贝/千米;f是传输的载波频率,单位为千赫兹;n是声音传播的损耗系数,一般取值为1.5。
仿真实验中,将100个传感器结点均匀地分布在一个100m×100m的监测区域内,基站位于区域的中心。仿真参数如表1所示。
实验中,将提出的 改进算法 与LEACH、 LEACH-C、DCHS进行了性能对比。首先从4种算法的网络生存时间对比来看,改进算法推迟了第一个结点死亡的时间,大大延长了网络的生命周期。 LEACH算法在1 100轮左右结 点全部死 亡; LEACH-C算法大约在1 300轮结点全部死亡;特定簇头选 取 (Deterministic Cluster-head Selection, DCHS)算法在2 100轮结点全部死亡。而本研究的链路关键 性路由 (Link Criticality Routing Algorithm,LCRA)算法在2 500轮结点全 部死亡,比LEACH延长了127%,比LEACH-C延长了92%, 比DCHS延长了19%,对于网络运作时间有了更进一步的提高。
其次,从4种算法基站接收数据量的对比来看, 基站接收到的数据随时间的变化而增加。由于改进算法充分考虑了结点的剩余能量,并且引入距离因子,给出了合理的簇头选择权重阈值公式。避免了低能量和位置不佳的结点成为簇头,有效优化了能量消耗,使得簇头有更多的能量用于数据传输,并且采用了超级簇头方法,减少了簇首与基站采用单跳通信所带来的大量能耗。
最后从4种算法的网络能量消耗对比来看,采用改进算法,网络能耗 相对于LEACH、LEACH-C和DCHS算法更加平缓,说明LCRA算法整个网络的能耗更加均衡。在网络运行约1 000轮时总体能耗相差最大,LCRA算法与DCHS算法相差最大为5J,相当于约10个传感器结点的初始能量之和;与LEACH-C算法相差最大 约为14J;与LEACH算法相比相差最大约为22J,这相当于40个结点的初始能量和。
实验结果表明,文章提出 的改进节 能算法与LEACH、LEACH-C、DCHS算法比较,首先延长 了网络生存周期;其次,避免了低 能量和位 置不佳的 结点成为簇头,改进了簇头选 择,有效优化 了簇头的能量消 耗,使得簇头 有更多的 能量用于 数据传输,并且采用超级 簇头减少 了簇首与 基站单跳 通信所带来的 大量能耗;最后,提高了能 量使用效 率,结点的能耗更加均 衡,总体能耗 更加平缓。因此,文章提出的改 进节能算 法的各项 性能在一 定程度上都得到了提升。
3结束语
文章在经典的LEACH算法基础 之上结合 现有的一些改进 算法的思 路,研究了一 种改进的 分簇路由算法。引入剩余能 量因素和 距离因素 给出了合理的阈值公式,使得簇首 分布更加 均匀,有效降低了剩余能量较低和位 置不佳的 结点成为 簇头的概率。在簇头与基站通 信阶段利 用超级簇 头来承担普通簇 头的中继 结点,进一步对 数据进行 融合压缩和避免了距离基站较 远的簇头 通信时差 生的巨额能耗。仿真实验 表明,该算法有 效地延长 了网络生存时间。但是,在簇头与 基站通信 阶段, 该算法没有考虑多跳路由的选 择和超级 簇头的最佳数目问题,另外本算 法中没有 更多考虑 簇头与基站通信 时的多跳 路由问题,选择一条 最佳的多 跳路径对于减少 能量消耗 会有重大 帮助,这将是今后进一步的研究重点。
摘要：在传感器网络中,终端器件装置采用的是能量有限的电池供电,结点一旦能量耗尽将会永久丧失。因此能耗问题是传感器网络研究的重点,而分簇网络结构对于均衡网络的能量消耗具有重要作用。文章在LEACH算法基础上研究提出了一种改进的分簇路由算法,它能够考虑结点器件剩余能量以及与基站的距离因素自适应改进簇头选择机制,引入超级簇头作为普通簇头与基站的通信中继。实验表明,该算法能够有效地延长网络生存时间。
节能路由 篇8
网络路由有多种分类, 按网络性质可分为多计算机系统路由、有线网络路由和无线网络路由, 大约十年前, 计算机学者们热衷于计算机系统路由, 针对一种特定的拓扑结构, 例如超立方体、网格 (mesh) , 在某些节点或链路故障的情况下寻找最优通路.网络路由按通信方式分, 可以分为单播路由 (即端到端的路由) 、多播路由 (即端到目的节点集中的每一个节点的路由) 及Any cast路由 (即端到目的节点集中的任一个节点的路由) , 网络路由按路由算法来分, 可以分为源路由算法、分布式路由算法和分级路由算法.源路由算法假定每个节点了解整个网络的全局状态, 全局状态用链路状态协议通过广播获得, 或用距离向量协议, 用邻节点周期性交换距离向量获得, 当要发送消息时, 源节点就决定了整条路径, 而分布式路由算法假定每个节点只了解它的邻节点的情况, 即网络局部状态, 包括排队延迟、传播延迟、剩余带宽等, 根据路径的要求, 只决定下一跳应走向哪里.而分级路由算法假定网络节点分级, 每个节点了解聚合的全局状态, 即自己所在范围内的情况, 而对远处的上级节点只了解大致情况, 即每一物理节点保持聚合的网络影像。
2 WIA-P A网络概念及现状
中国自主研发的用于工业过程自动化的工业无线网络WIA-PA (wireless net works for industrial automation-process automation) 规范, 通过国际电工委员会IEC全体成员国投票, 成为第二个被承认的相关国际标准。工业无线网络工作环境恶劣, 需要网络具备较高的可靠性和实时性, WIA-PA采取了星型结构和MESH结构。相结合的两层网络拓扑结构, 第一层是MESH结构, 由网关设备和路由设备、冗余路由设备构成;第二层是星型结构, 由路由设备与现场设备或手持设备构成, 其中现场设备和手持设备不具备路由功能, 应用WIA-PA规范的网络则具有干扰因素较多, 拓扑稳定等特点。
针对MESH结构的无线网络, 现有主要路由协议是基于位置和以数据为中心的, 基于路由协议GEAR, GPSR, GAF等算法没有对多路径进行充分考虑, 而以数据为中心的路由协议SPIN, LEACH, TEEN等算法是通过分簇选择簇首传递数据而达到延长网络生存时间的目的。上述路由协议都是为快速地在各个节点之间建立最短路径, 转发数据较多节点的电量会消耗过快, 存在着单点故障的可能, 因此降低网络的可用性以及存活时间, 对于可用性、实时性需求较高的工业无线网络环境, 这些路由协议不能较好地自适应。
3 多路径路由算法
在工业无线网络中, 网关节点和路由节点的位置已经相对固定, 故多使用静态路由, 具体的路由策略是由网络管理者配置的, 在WIA-PA规范定义中, 每个设备都具有唯一的64位物理地址和一个16位的网络层短地址。终端设备传递数据时, 直接将数据传送给所连接的路由设备, 路由设备则通过目的地址来决定如何进行传输:如果目的地址为网关地址, 则直接传输给网关;如果是簇地址, 则把数据传送给目的簇所对应的路由设备。
3.1 网络模型
WIA-PA规范里所定义的网络模型中, 整个网络建立过程如下, 待加入网络的路由设备侦听由网关的信标, 如果待加入网络的路由设备收到网关的信标, 则向网关发送加入请求, 通过相应的验证之后, 加入网络;如果待加入网络的路由设备收到的是已经加入网络其他路由设备发出的信标, 发送加入请求, 通过验证后加入网络, 然后由路由设备向网络管理者提交更新之后的网络邻居信息。网络管理者由邻居信息表可以得到整个网络的拓扑图。路由设备通过接收到信标的网关或者路由设备加入网络, 但它的位置并不能直接由上游的接入设备来确定考虑节点。
3.2 算法描述
在网络建立好之后, 通过各个节点发送路由泛洪包, 来寻找多路径, 泛洪包的格式协议仿真与性能分析本文使用OMNET++仿真平台对设计的多路径算法进行仿真实验, 对于仿真实验的物理层协议和MAC协议均采用IEEE 802.15.4标准, 仿真时间设置600s, 布置区域800m×600m, 信道2.4 GHz, 带宽250kb/s, 信道错误率0.01%, 射频辐射范围200m。仿真结果显示, 通过使用该算法, 节点在进行数据转发时, 会优先选择有源节点或电量相对充足的节点, 各节点的电量消耗较为平均, 提高了整个网络的生存时间。在端到端延时方面, 运行该算法的节点在传送数据时, 依靠节点自身的电量信息及链路状态来选择下一跳节点, 而现行的一些单路径算法在节点失效时需重新选择路径, 算法运行时间上的差异不大, 不会引起网络端到端延时增大。能量消耗随着干扰强度的增加, 扩展LEACH机制的网络能量开销降低, 逐跳多径机制的网络能量消耗加快, 而节能多径机制的能量消耗增幅较小, 这是因为随着干扰强度增加, 泛洪机制和扩展LEACH机制网络中的转发报文数量减少, 所以能量开销会降低;而对于逐跳单径和节能多径机制, 不仅不会因为干扰导致丢包使得网络中的报文数量减少, 反而会因为备用多径的重新转发报文带来更多的能量开销。
结束语
由于工业无线监测网络的工作环境具有多样性, 因此, 未来的一个重要任务就是提高可用性和抗干扰能力, 克服外界环境变化造成的影响。单路径路由转发数据不但会引起节点电量消耗过快, 并且在环境干扰较大的工业环境中数据传输的可靠性也大大降低。通过采用多路径路由算法, 传输数据时依据节点电量消耗比率来选择优先传输路径, 解决了单一节点转发数据较多引起的能量消耗过快, 网络存活时间低的问题。此外, 改善了单路径中单一节点电量消耗过快问题, 使得各个节点的电量消耗较为均衡, 提高了网络的可靠性和可用性, 从而延长网络存活时间。由于算法使用泛洪的方式来寻找多条路径, 因此, 网络中大量节点受到干扰时, 路由的收敛时间将受到泛洪时间间隔的影响, 快速收敛会变慢, 而对实时性要求较高、大规模的工业无线网络, 多路径路由的快速收敛问题也是今后研究工作的重点。
摘要：网络路由一直是网络的关键问题, 今天的计算机网络非常庞大、高速, 传载着各种多媒体信息, 因此, 网络路由面临新的挑战。本文通过分析工业无线网络环境中网络拓扑结构的特点, 设计了一种适用于工业过程自动化无线网络规范的多路径路由。根据WIAPA网络拓扑稳定、工作环境干扰较大的特点, 通过采用多路径数据传输, 解决了单一节点转发数据较多引起的能量消耗过快、网络存活时间低的问题。
关键词：工业无线网络,多路径路由,路径选择,节能
参考文献
[1]孙利民, 李建中, 陈渝.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社, 2005.[1]孙利民, 李建中, 陈渝.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社, 2005.
[2]张宏科, 张思东, 刘文红.路由器原理与技术[M].北京:国防工业出版社, 2002:70-178.[2]张宏科, 张思东, 刘文红.路由器原理与技术[M].北京:国防工业出版社, 2002:70-178.