帶狀無線傳感器網(wǎng)絡具有特殊的拓撲結構,滿足很多重要領域的應用需求。針對帶狀網(wǎng)絡中的能量消耗不均衡問題,分析了帶狀無線傳感器網(wǎng)絡在多跳通信時的拓撲結構和能耗模型,在對帶狀網(wǎng)絡進行分簇的基礎上,提出一種非均勻的節(jié)點部署策略,該策略量化了帶狀傳感器網(wǎng)絡中簇內(nèi)節(jié)點的數(shù)目關系,并設計了相應的路由協(xié)議。仿真結果表明,非均勻的節(jié)點部署策略可以緩解帶狀網(wǎng)絡的能量空洞問題,使網(wǎng)絡能耗趨于均衡,延長整個網(wǎng)絡的生命周期。 

【文章來源】：計算機工程與應用. 2017年23期 北大核心

【文章頁數(shù)】：6 頁

【部分圖文】：

帶狀傳感器網(wǎng)絡模型

能量消耗也越大。當網(wǎng)絡中的節(jié)點采用隨機部署的方式，將會造成整個帶狀網(wǎng)絡的通信中斷。3部署策略針對帶狀網(wǎng)絡能耗不均衡的問題，考慮在不同簇內(nèi)部署數(shù)目不等的傳感器節(jié)點。通過計算不同簇內(nèi)節(jié)點的能耗，使各個簇所包含的總能量與該簇能量消耗速度的比值近似相等，得出不同簇內(nèi)應部署節(jié)點的數(shù)量關系，并通過調(diào)度機制合理組織節(jié)點的工作狀態(tài)，盡可能讓不同節(jié)點同時消耗完自身的能量，以提高網(wǎng)絡的能量效率，延長網(wǎng)絡的生命周期。3.1節(jié)點數(shù)量關系距離Sink節(jié)點較遠的簇產(chǎn)生的數(shù)據(jù)經(jīng)過多跳傳輸才能到達Sink節(jié)點。在圖2所示的k跳轉發(fā)模型中，節(jié)點A與Sink的距離為D，數(shù)據(jù)傳送到Sink節(jié)點，中間需要k-1個簇首節(jié)點轉發(fā)，簇首節(jié)點的位置將會影響轉發(fā)的能耗。定理1設f(k)=xn1+xn2+…+xnk,n≥2，在∑i=1kxi≥D的情況下，當且僅當x1=x2=…=xk=D/k時f(x)取最小值。定理1屬于帶約束條件的多元函數(shù)極值問題，可用拉格朗日乘數(shù)法證明。設鏈路上第i個節(jié)點到第i-1個節(jié)點的距離為di，根據(jù)能量模型，該鏈路傳輸lbit數(shù)據(jù)的能耗為：Ek=∑i=1kErelay(l,di)=(2k-1)lEelec+lεfx∑i=1kd2i;∑i=1kdi≥D（5）由定理1，當d1=d2=…=dk=D/k時，Ek的取值最校在帶狀傳感器網(wǎng)絡中，簇首節(jié)點負責轉發(fā)數(shù)據(jù)，在劃分簇時考慮對帶狀網(wǎng)絡進行均勻分簇，使簇首節(jié)點趨于分布在等分多跳傳輸路徑上，以降低鏈路的傳輸能耗。即式（3）、式（4）中di的值近似相等，表示為r。為了使距離Sink節(jié)點遠近不同的簇盡可能同時消耗完能量，各個簇的總體能量與能量消耗速度之比應盡可能相等，即滿足：NiEinit/Ei=NnEinit/En（6）其中

2017，53（23）出的節(jié)點非均勻部署策略和另外兩種路由協(xié)議在網(wǎng)絡生命周期的對比結果如圖4所示。從圖4的仿真結果可以看出，當帶狀網(wǎng)絡的長度不等時，本文提出的非均勻節(jié)點部署策略的生命周期都略大于EBUC-M協(xié)議和CRLDB協(xié)議的網(wǎng)絡生命周期，而且隨著網(wǎng)絡長度的增加網(wǎng)絡生命周期的變化趨于平緩，可以看出本文提出的非均勻節(jié)點部署策略具有較好的擴展性，適用于較長距離的帶狀網(wǎng)絡。圖5所示的是當網(wǎng)絡的生命周期結束時，不同路由協(xié)議的剩余能量占總能量百分比的比較結果。采用本文提出的非均勻部署策略，當網(wǎng)絡生命周期結束時只有較少的剩余能量未被利用，說明該策略具有較高的能量利用率。采用另外兩種路由協(xié)議時，雖然網(wǎng)絡具有較多的剩余能量，但是網(wǎng)絡生命周期已結束，而且隨著帶狀網(wǎng)絡長度的增加，能量剩余的問題會更加嚴重。圖6是實驗場景為600m×20m時節(jié)點的存活數(shù)隨仿真時間的變化情況，可以看出，本文提出的非均勻部署策略在仿真的前期節(jié)點死亡緩慢，存活數(shù)隨時間變化不明顯，在仿真后期節(jié)點死亡速度加快，表明不同節(jié)點能量消耗的速度一致。6結束語本文針對帶狀無線傳感器網(wǎng)絡能量消耗不均勻的現(xiàn)象，提出節(jié)點非均勻部署策略，從理論上分析了該策略的能耗并設計了相應的路由協(xié)議。該策略量化了帶狀傳感器網(wǎng)絡中相鄰分簇間的節(jié)點數(shù)目關系，在此基礎上得出了一個部署傳感器節(jié)點的密度函數(shù)。仿真實驗表明，使用本文提出的非均勻部署策略及相應的路由算法可以使整個帶狀網(wǎng)絡的能耗趨于均衡，獲得較高的能量利用率，有效延長帶狀傳感器網(wǎng)絡的生命周期。節(jié)點非均勻部署策略可以獲得較高的能量利用率，需要指出的是這種部署策略隨著帶狀網(wǎng)絡長度的增加，節(jié)點總數(shù)呈指數(shù)級增長，使用該策略依托于傳感器節(jié)點能夠低成本大規(guī)模生?

【參考文獻】：
期刊論文
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本文編號：2914335