高效節(jié)能的能量異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)聚合協(xié)議

摘 要:介紹了一種有效地用于能量異構(gòu)傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集協(xié)議EDGA。EDGA在能量最小化的網(wǎng)內(nèi)通信和均衡能量負(fù)荷等性能上有很好的表現(xiàn)。它通過基于權(quán)重選擇概率選取的簇頭獲得了更好的處理能量異構(gòu)環(huán)境的能力，并且利用一種簡(jiǎn)單但有效的方法解決了簇內(nèi)的面積覆蓋問題。仿真結(jié)果表明，該EDGA方法在能量異構(gòu)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用中比LEACH和HEED等方法有明顯的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞:簇協(xié)議; 分層數(shù)據(jù)采集; 異構(gòu)節(jié)點(diǎn)

中圖分類號(hào):TP393文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1001-3695(2010)06-2267-04

doi:10.3969/j.issn.10013695.2010.06.077

Effective data gathering scheme in heterogeneous energy WSN

LIU Zhen1， MAO Yingchi2， DONG Chen1

(1.School of Computer Science Information Technology， Zhejiang Wanli University， Ningbo Zhejiang 315100， China; 2.College of Computer Information Engineering， Hohai University， Nanjing 210098， China)

Abstract:This paper proposed an effective data gathering scheme for heterogeneous energy WSNs (EDGA). EDGA achieves a good performance in terms of lifetime by minimizing energy consumption for innetwork communications and balancing the energy load. EDGA is based on weighted election probabilities of each node to become a cluster head， which can better handle the heterogeneous energy capacities. Moreover， EDGA adopt a simple but efficient method to solve the area coverage problem in a cluster range， namely intracluster coverage. Finally， the simulation results demonstrate that the proposed EDGA significantly outperforms LEACH， HEED in terms of network lifetime and the amount of data gathered in the heterogeneous energy network.

Key words:clustered scheme; hierarchical data gathering; heterogeneous node

無線傳感網(wǎng)絡(luò)由微型、低成本、低功耗的微傳感器組成，這些傳感器可以通過通信來協(xié)同工作進(jìn)行監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)處理。它們被協(xié)同起來，從目標(biāo)區(qū)域采集信息進(jìn)行檢測(cè)同時(shí)將信息傳送至基站[1]。層次化的機(jī)制對(duì)數(shù)據(jù)延遲進(jìn)行優(yōu)化可以增加網(wǎng)絡(luò)的可升級(jí)性，同時(shí)數(shù)據(jù)通過層次化的方式進(jìn)行整合，可以降低數(shù)據(jù)冗余度和減少通信負(fù)荷，從而優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)壽命[2]。換句話說，在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中植入異構(gòu)節(jié)點(diǎn)是增加網(wǎng)絡(luò)壽命和可行性的有效方式。本文主要介紹一種名為EDGA的有效用于能量異構(gòu)環(huán)境的層次化數(shù)據(jù)采集協(xié)議。該協(xié)議包括兩個(gè)周期，即簇頭信息周期和遍歷樹構(gòu)建周期。在簇頭信息周期中，EDGA利用權(quán)重選擇概率來選擇簇頭，即通過節(jié)點(diǎn)的初始能量權(quán)重來進(jìn)行判斷。這一方法比僅利用節(jié)點(diǎn)的殘余能量來選出簇頭更適用于能量異構(gòu)環(huán)境。在簇頭信息周期之后，EDGA開始對(duì)簇頭集合構(gòu)建遍歷樹，只有根節(jié)點(diǎn)可以通過單跳通信與下層節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。同時(shí)，EDGA引入了一個(gè)內(nèi)部簇覆蓋機(jī)制，使得網(wǎng)絡(luò)壽命隨著分布節(jié)點(diǎn)樹的增加而線性延長(zhǎng)。

1 相關(guān)工作

Heinzelman等人[3]給出了一種名為L(zhǎng)EACH的簇選擇算法，為了節(jié)約功耗，LEACH僅選取所有傳感器節(jié)點(diǎn)的小部分p來當(dāng)做簇頭，p是預(yù)先設(shè)定的參數(shù)值，剩下的傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)連接到各簇頭的信號(hào)強(qiáng)弱來選擇合適的簇加入。為了分享能量負(fù)荷，將其工作劃分成環(huán)的形式來保證簇頭可以在每個(gè)環(huán)中循環(huán)。在文獻(xiàn)[4]中，為了處理能量異構(gòu)環(huán)境，能量高的節(jié)點(diǎn)被認(rèn)做簇頭的可能性更大，將每個(gè)節(jié)點(diǎn)相對(duì)于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)的能量進(jìn)行比較，從而計(jì)算其成為簇頭的可能性。因此，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只有在全面了解其本地特征后才可能成為簇頭，大大影響了其可升級(jí)性。Lee等人在文獻(xiàn)[5]中推薦了一種新的簇算法:CODA來減輕因?yàn)楦鞴?jié)點(diǎn)到信息匯入點(diǎn)的距離不同帶來的能量損耗失衡現(xiàn)象。CODA將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)各節(jié)點(diǎn)到基站的距離和分布策略來劃分成數(shù)個(gè)組，每組均有各自的簇成員和節(jié)點(diǎn)成員，并將離基站遠(yuǎn)的組分配更多的簇。這種方法相對(duì)于全網(wǎng)絡(luò)用同一概率選擇簇的方式來說，顯示出更好的性能、網(wǎng)絡(luò)壽命和功耗。但是，由于它依賴于全局的節(jié)點(diǎn)信息，使得系統(tǒng)同樣不易升級(jí)。Younis等人[6]提出了一種HEED簇化算法，周期性的根據(jù)節(jié)點(diǎn)殘余能量和節(jié)點(diǎn)地位來選取簇頭。它在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上得到一個(gè)均勻分布的簇頭集。Lee等人[7]考慮通過將節(jié)點(diǎn)分成類型1和0來進(jìn)行事件驅(qū)動(dòng)檢測(cè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，類型1節(jié)點(diǎn)能量比類型0的高，其研究的關(guān)鍵點(diǎn)在于將電源節(jié)點(diǎn)構(gòu)建進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)，以及其對(duì)網(wǎng)絡(luò)壽命的分析。近年來，介紹了一種用fuzz邏輯選出簇頭的方法來彌補(bǔ)LEACH的缺陷，認(rèn)為fuzz邏輯的使用能有效延長(zhǎng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的壽命，但其異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)還是不同于能量異構(gòu)環(huán)境。

2 系統(tǒng)模型

2.1 網(wǎng)絡(luò)模型

假設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)N隨機(jī)均勻分布在場(chǎng)地A中，其傳感網(wǎng)絡(luò)具有如下特征:

a)該網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)靜態(tài)分布網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點(diǎn)N均勻分布在一個(gè)二維空間中，同時(shí)這些節(jié)點(diǎn)是靜止不動(dòng)的。

b)所有節(jié)點(diǎn)在秒級(jí)的精度上基本同步。

c)僅存在一個(gè)基站，其位置在區(qū)域A外且固定。

d)節(jié)點(diǎn)位置未知，如沒安裝GPS天線。

e)傳感器的無線傳輸功率可連續(xù)可調(diào)，可以達(dá)到不同的傳輸范圍。

f)所有節(jié)點(diǎn)具有不同的初始能量，一些節(jié)點(diǎn)具有比普通(normal)節(jié)點(diǎn)更高的能量，設(shè)m為總節(jié)點(diǎn)N的一部分，m0為具有normal節(jié)點(diǎn)β倍能量的節(jié)點(diǎn)比率，稱為super節(jié)點(diǎn)，數(shù)量為N×m×m0。剩余的N×m×(1-m0)節(jié)點(diǎn)具有normal節(jié)點(diǎn)能量的α倍，稱為advanced節(jié)點(diǎn)，其余的N×(1-m)為普通節(jié)點(diǎn)。

2.2 無線射頻模型

筆者用與文獻(xiàn)[4]中相同的無線傳播模型來進(jìn)行研究，一個(gè)L位的信號(hào)傳播距離d后的信噪比如式(1)所示，當(dāng)接收該信號(hào)時(shí)，射頻能量消散比如式(2):

ETx(L，d)=L×Eelec+L×εfs×d2 if d≤d0L×Eelec+L×εmp×d4if d>d0(1)

ERx=L×Eelec(2)

其中:Eelec為每位信號(hào)由發(fā)射電路到接收電路的能量消散比，εfs和εmp由放大器模型決定。

3 EDGA協(xié)議設(shè)計(jì)

接下來，將介紹異構(gòu)EDGA協(xié)議，該協(xié)議用于增加網(wǎng)絡(luò)壽命和各異構(gòu)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性。由于簇頭比簇成員在從成員節(jié)點(diǎn)處接收傳感器數(shù)據(jù)、進(jìn)行信號(hào)處理、發(fā)射數(shù)據(jù)至其他節(jié)點(diǎn)和基站等任務(wù)中需要更多的功耗，應(yīng)該讓各節(jié)點(diǎn)輪流充當(dāng)簇頭的角色。EDGA的工作過程類似一個(gè)在選擇簇頭時(shí)作了進(jìn)一步優(yōu)化的循環(huán)LEACH流程。

3.1 簇頭選擇

EDGA對(duì)于簇頭的選擇過程類似于LEACH，出于對(duì)能量異構(gòu)節(jié)點(diǎn)的考慮，EDGA基于節(jié)點(diǎn)的選擇概率來選擇簇頭，該概率依據(jù)相對(duì)于其節(jié)點(diǎn)的初始能量來分配權(quán)重。接下來，討論如何計(jì)算最佳概率的簇頭，及其選擇過程。

為了簡(jiǎn)化，假定基站置于監(jiān)測(cè)場(chǎng)地的正中央，其與所有節(jié)點(diǎn)的距離小于d0，因此可以給出簇頭節(jié)點(diǎn)的能耗為

Ech=(N/k-1)×L×Eelec+N/k×L×EDA+L×

Eelec+L×εfs×dBS2(3)

其中:k為簇的數(shù)目;L為傳輸?shù)男盘?hào)位數(shù);EDA為傳遞一位信號(hào)給下級(jí)節(jié)點(diǎn)或基站時(shí)的損耗;dBS為簇頭與節(jié)點(diǎn)間的平均距離。非簇頭節(jié)點(diǎn)的能量消耗為:

Enon-ch=L×Eelec+L×εfs×d2CH(4)

其中:dCH為簇成員與簇頭間的平均距離。

假設(shè)所有節(jié)點(diǎn)均服從均勻分布，則可以表示為

d2CH=∫x=max0∫y=max0(x2+y2)×ρ(x，y)dxdy=M22πkd(5)

其中:ρ(x，y)為節(jié)點(diǎn)分布密度，M2為檢測(cè)場(chǎng)地面積。

網(wǎng)絡(luò)消耗的總功耗為

Etotal=L×(2×N×Eelec+N×EDA+(k×d2BS+N×d2CH))(6)

通過將式(6)對(duì)k微分后值為0，可以得到簇頭對(duì)于信息匯入點(diǎn)的最優(yōu)數(shù)目為[3]

dBS2=∫A(x2+y2)×1A=0.765×M2(7)

如果重要節(jié)點(diǎn)相對(duì)于信息匯入點(diǎn)的距離大于d0，可以得到簇頭的最優(yōu)數(shù)目為[9]

kopt=N2πεfsεmpMdBS2(8)

由式(7)(8)可以得出，EDGA協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)成為簇頭的最優(yōu)概率popt為

popt=koptN=10.7652πNεfsεmp(9)

節(jié)點(diǎn)成為簇頭的最優(yōu)概率popt非常重要，在文獻(xiàn)[10]中，證明了如果簇的構(gòu)建不是最優(yōu)，即使簇的數(shù)量略大于甚至小于最優(yōu)化的簇?cái)?shù)目，總的功耗也會(huì)呈指數(shù)形式增長(zhǎng)。

接下來討論如何計(jì)算權(quán)重概率。由于所有節(jié)點(diǎn)基于網(wǎng)絡(luò)模型隨機(jī)分布，新的異構(gòu)結(jié)構(gòu)不會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)的空間密度，LEACH中的概率pleach亦不變。

假設(shè)E0為normal節(jié)點(diǎn)的初始能量，則super節(jié)點(diǎn)的能量為E0×(1+β)，advanced節(jié)點(diǎn)為E0×(1+α)，則新的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)總能量為

Einit=N×(1-m)×E0+N×m×(1-m0)×(1+α)+N×m×m0×

E0×(1+β)=N×E0×(1+m×(α+m0×β))(10)

從式(10)可以看出系統(tǒng)總能量隨因子(1+m×(α+m0×β))增加而增加。比LEACH更優(yōu)的一點(diǎn)是增加了傳感網(wǎng)正比于能量增加的時(shí)段。為了優(yōu)化系統(tǒng)的穩(wěn)定范圍，新的epoch必須與(1/popt)(1+m×(α+m0×β))相等，因?yàn)橄到y(tǒng)能量增大至m×(α+m0×β)倍。

如果對(duì)super、advanced和normal節(jié)點(diǎn)設(shè)置相同的閾值，則每個(gè)時(shí)段的(1/popt)(1+m×(α+m0×β))次循環(huán)中normal節(jié)點(diǎn)成為簇頭;每個(gè)時(shí)段的(1+β) (1/ popt)(1+m×(α+m0×β))次循環(huán)中super節(jié)點(diǎn)成為簇頭;每個(gè)時(shí)段的(1+α) (1/ popt )(1+m×(α+m0×β))次循環(huán)中advanced節(jié)點(diǎn)成為簇頭。因而無法保證每次循環(huán)中每時(shí)段的簇頭數(shù)為popt×N。因此，將簇頭數(shù)限制為popt ×N是不對(duì)的。推薦的方法是設(shè)定一個(gè)權(quán)重給最優(yōu)概率popt，該權(quán)重為每個(gè)節(jié)點(diǎn)的初始能量除以normal節(jié)點(diǎn)的初始能量。設(shè)pn、pa和ps分別為normal、advanced和super節(jié)點(diǎn)的權(quán)重。

事實(shí)上，有(1+m×(α+m0×β)×N個(gè)節(jié)點(diǎn)能量等于normal節(jié)點(diǎn)的初始能量。為了保持每次循環(huán)的功耗最小，每次循環(huán)每個(gè)時(shí)段的簇頭平均數(shù)必須限制在popt×N內(nèi)。在異構(gòu)環(huán)境中每次循環(huán)每個(gè)時(shí)段的簇頭平均值為(1+m×(α+m0×β)×N×pn，normal、advanced和super節(jié)點(diǎn)的權(quán)重概率:

pn=popt1+m×(α+m0×β)pa=popt1+m×(α+m0×β)×(1+α)ps=popt1+m×(α+m0×β)(1+β)(11)

基于式(8)(9)(11)，可以通過權(quán)重概率解得LEACH中用來作為EDGA中選擇簇頭的閾值pLEACH，將normal、super和advanced節(jié)點(diǎn)閾值分別定義為T(sn)，T(ss)和T(sa):

T(sn)=pn1-pn×(r mod 1/pn)if s∈G′0ifsG′

T(sa)=pa1-pa×(r mod 1/pa)if s∈G″

0ifsG″

T(ss)=ps1-ps×(r mod 1/ps)if s∈G

0ifsG(12)

其中:r為當(dāng)前循環(huán)，G′、G″和G分別為最后1/pn，1/pa和1/ps次循環(huán)of the epoch中未選做簇頭的normal、advanced和super節(jié)點(diǎn)。T(sn)作為N(1-m)個(gè)normal節(jié)點(diǎn)的閾值保證了每個(gè)normal節(jié)點(diǎn)在每(1/popt)(1+m×(α+m0×β))次循環(huán)每時(shí)段中會(huì)成為一次簇頭，其平均數(shù)量為N×(1-m)×pn。同樣，可以計(jì)算出advanced和super節(jié)點(diǎn)的閾值。

在EDGA協(xié)議中，當(dāng)前循環(huán)中被選為簇頭的節(jié)點(diǎn)需向鄰近節(jié)點(diǎn)廣播簇頭信息，其他非簇頭節(jié)點(diǎn)在收到簇頭信息后根據(jù)信號(hào)強(qiáng)弱選擇要加入的簇。同時(shí)，向加入的簇頭發(fā)送加入信息。

3.2 簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)的選擇性激活

覆蓋率是近年來無線網(wǎng)研究中比較重要的一個(gè)話題。一般情況下，覆蓋率指的是面積覆蓋率，盡管假設(shè)所有傳感器都在工作，也很難保證目標(biāo)區(qū)域的隨機(jī)覆蓋率為100%。小的監(jiān)測(cè)漏洞在大部分的應(yīng)用環(huán)境中影響很小并可以接受。一些應(yīng)用中，常要求部分節(jié)點(diǎn)保持激活，覆蓋機(jī)制用來保證制定節(jié)點(diǎn)保持激活同時(shí)滿足覆蓋率預(yù)期。筆者將覆蓋機(jī)制應(yīng)用到簇內(nèi)，稱做簇內(nèi)覆蓋，基于之前的工作[11]，最小簇頭數(shù)的隨機(jī)選擇計(jì)算如下:

Pcover=1-(1-area(N(x，y))/area(M))K(13)

設(shè)Pcover為某一應(yīng)用中的覆蓋率預(yù)期，k為簇頭最小值，area(N(x，y))表示簇頭q(x，y)的信號(hào)采集范圍，area(M)為簇范圍，K為:

K=「ln(1-Pcover)/ln(1-R2s/Rcluster2)(14)

其中:Rs為節(jié)點(diǎn)采集半徑，Rcluster為簇半徑。

利用簇內(nèi)覆蓋機(jī)制可以通過在每次循環(huán)中關(guān)閉冗余節(jié)點(diǎn)來延長(zhǎng)壽命降低功耗。同樣，在簇頭廣播TDMA包時(shí)可以減少TDMA消耗，在節(jié)點(diǎn)密度很高，簇成員數(shù)量較大時(shí)，有大量的能量消耗在TDMA過程中。另外，簇內(nèi)覆蓋機(jī)制并不消耗額外的能量。

3.3 構(gòu)建遍歷樹

在網(wǎng)絡(luò)簇化后，簇內(nèi)部組織方式由網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用來決定，例如，簇頭可以通過多跳方式與其他簇頭通信來抓取信息，或直接與基站通信。在多跳通信中，簇頭間的傳輸范圍可能發(fā)生變換，以保證一定的連接度以及處理沖突的能力。簇內(nèi)通信時(shí)，連接度由簇內(nèi)傳輸范圍R，簇間傳輸范圍r和節(jié)點(diǎn)密度決定。Kim等人[8]指出，如果R≥6r，簇頭組成的圖將被連接起來。而筆者認(rèn)為，理論的連接值不一定適用于實(shí)際應(yīng)用。考慮一個(gè)典型的傳感網(wǎng)設(shè)置，如文獻(xiàn)[6]所述(網(wǎng)絡(luò)大小從(0，0)~(100，100)，簇范圍為30 m，信息匯入點(diǎn)(sink)位于(50，175))。從上述連接方程得出簇內(nèi)的通信輻射范圍為180 m，意味著簇頭基本上可以直接與基站進(jìn)行通信。這里，將簇內(nèi)傳輸范圍設(shè)為R=2.5r。

簇化之后，簇頭將自身權(quán)重與鄰近簇頭權(quán)重相對(duì)比，如果值小于其他簇頭，該簇將選擇最大權(quán)重簇頭作為其父節(jié)點(diǎn)，并發(fā)送CHILD MSG信號(hào)通知其父節(jié)點(diǎn)。一段時(shí)間后，一個(gè)遍歷樹將被構(gòu)建出來，其根節(jié)點(diǎn)具有最大的權(quán)重。一旦遍歷樹建立成功，簇頭將廣播TDMA數(shù)據(jù)流來通知其成員節(jié)點(diǎn)開始數(shù)據(jù)采集過程。

本文定義節(jié)點(diǎn)i的權(quán)重為Wi=Ecurren×D(RSSi)/D(RSSmax)。其中:RSSi表示子節(jié)點(diǎn)i接收基站信號(hào)的強(qiáng)度;RSSmax為由基站位置決定的常量;函數(shù)D用來估計(jì)節(jié)點(diǎn)i到基站的距離。當(dāng)布置好傳感器后，基站向所有傳感器廣播測(cè)試信號(hào)，傳感器根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度來獲得RSS，RSS將一直保持不變直到基站或傳感器位置發(fā)生改變。很明顯，離基站近的節(jié)點(diǎn)擁有更多的能量，從而權(quán)重更大，成為根節(jié)點(diǎn)。

3.4 工作周期

數(shù)據(jù)采集在簇頭向保持激活的成員節(jié)點(diǎn)發(fā)送TDMA廣播后開始，激活的成員節(jié)點(diǎn)在TDMA過程中向各自簇頭發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)，簇頭接收完所有數(shù)據(jù)后便將數(shù)據(jù)整合，以便降低信號(hào)中的噪聲。遍歷樹中的底層(即沒有子節(jié)點(diǎn))節(jié)點(diǎn)則直接將數(shù)據(jù)發(fā)送給其父節(jié)點(diǎn);其他節(jié)點(diǎn)則等待其子節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，然后將該數(shù)據(jù)整合后發(fā)往其父節(jié)點(diǎn);最后由根節(jié)點(diǎn)將所有數(shù)據(jù)整合并發(fā)往基站;網(wǎng)絡(luò)隨后即開始下一次循環(huán)過程。為了減少簇化次數(shù)，每次循環(huán)都爭(zhēng)取進(jìn)行更多的數(shù)據(jù)采集次數(shù)(定義所有節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)發(fā)往基站為一次)，在L次數(shù)據(jù)采集后，重新簇化開始新的循環(huán)。其中L為預(yù)先設(shè)定的參數(shù)值。

4 仿真結(jié)果

在仿真實(shí)驗(yàn)中，筆者對(duì)比LEACH、HEED和EDGA在相同的異構(gòu)環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)壽命、每次循環(huán)中的激活節(jié)點(diǎn)數(shù)和網(wǎng)絡(luò)消耗等指標(biāo)。其中EDGA協(xié)議分為EDGA1(不含簇內(nèi)覆蓋機(jī)制)和EDGA2(含簇內(nèi)覆蓋機(jī)制，QoS設(shè)為95%)兩種。評(píng)估結(jié)果如表1所列(200次獨(dú)立實(shí)驗(yàn)的平均值，每次節(jié)點(diǎn)分布為隨機(jī)產(chǎn)生的平均分布拓?fù)洌漕l硬件模型均與文獻(xiàn)[4]中一致)。

表1 模擬中使用的參數(shù)列表

parametersvalue

network field(0，0)~(100，100)

node numbers100~500

cluster radius R30 m

sensing radius Rs10 m

sink position(50，50)

initial energy2 J

data packet size525 Byte

broadcast packet size25 Byte

Ethreshold0.01 J

Eelec50 nJ/bit

εfs10 nJ/bit/(m*m)

εmp0.001 3 pJ/bit/ m4

EDA5 nJ/bit/signal

threshold distance d075 m

data cycle L per round5

圖1和2描述的是節(jié)點(diǎn)數(shù)為200時(shí)不同異構(gòu)參數(shù)設(shè)置下的激活節(jié)點(diǎn)和壽命的關(guān)系對(duì)比。圖1中的初始能量大于圖2，可以看出，在相同循環(huán)次數(shù)下，LEACH中關(guān)閉的節(jié)點(diǎn)比EDGA中的多，其normal節(jié)點(diǎn)很快關(guān)閉，使得監(jiān)測(cè)區(qū)域很快閑置。另一方面，advanced和super節(jié)點(diǎn)關(guān)閉較慢，advanced和super節(jié)點(diǎn)越多，節(jié)點(diǎn)關(guān)閉則越慢，當(dāng)節(jié)點(diǎn)關(guān)閉數(shù)量達(dá)到一定程度時(shí)，簇頭在每次循環(huán)per epoch中的平均值小于1，這就意味著在相當(dāng)一部分循環(huán)中沒有簇頭，節(jié)點(diǎn)無法上報(bào)其數(shù)據(jù)。值得關(guān)注的是EDGA2中節(jié)點(diǎn)關(guān)閉很慢，這是由于簇內(nèi)覆蓋機(jī)制選擇了一些保持激活的節(jié)點(diǎn)。

圖3說明的是展開節(jié)點(diǎn)數(shù)與網(wǎng)絡(luò)壽命間的關(guān)系。在LEACH、HEED和EDGA1中節(jié)點(diǎn)增加時(shí)，延長(zhǎng)壽命失敗，而EDGA2可以保持壽命的延長(zhǎng)隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)線性增長(zhǎng)。這是由于LEACH、HEED和EDGA1沒有用到簇內(nèi)覆蓋機(jī)制，每個(gè)節(jié)點(diǎn)需向其父節(jié)點(diǎn)發(fā)送采集到的所有環(huán)境信息，哪怕是冗余信息。相反，EDGA2通過簇內(nèi)覆蓋機(jī)制，僅一定數(shù)目的激活節(jié)點(diǎn)提供滿足預(yù)期覆蓋率的QoS，其冗余保持休眠狀態(tài)來節(jié)約能量并延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。圖4表明，各種協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)消耗，包括廣播TDMA和簇化的能量消耗，對(duì)于EDGA2還包括構(gòu)建遍歷樹的能量消耗。

在簇信息周期中，HEED由于簇頭的選擇需通過數(shù)次廣播產(chǎn)生而消耗更多的能量，而且，隨著節(jié)點(diǎn)密度的提高，其TDMA數(shù)據(jù)長(zhǎng)度也隨之提高，從而在收發(fā)TDMA時(shí)會(huì)消耗更多的能量。另外，雖然EDGA2消耗一定能量用于建立遍歷樹，但由于只有簇內(nèi)一定數(shù)目的激活節(jié)點(diǎn)收發(fā)TDMA數(shù)據(jù)包，消耗的能量較LEACH少，進(jìn)一步來講，當(dāng)節(jié)點(diǎn)密度提高時(shí)，其簇內(nèi)激活節(jié)點(diǎn)數(shù)并不增多。

5 結(jié)束語

本文給出了一種有效應(yīng)用于能量異構(gòu)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的帶簇內(nèi)覆蓋機(jī)制的數(shù)據(jù)采集協(xié)議EDGA，它利用選擇概率簇化傳感器節(jié)點(diǎn)，更好地處理了能量異構(gòu)環(huán)境，并通過構(gòu)建遍歷樹實(shí)現(xiàn)了能耗的節(jié)約;同時(shí)，EDGA引入的簇內(nèi)覆蓋機(jī)制減少了簇內(nèi)激活節(jié)點(diǎn)數(shù)目。仿真結(jié)果表明，該EDGA方法較LEACH在能量異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的網(wǎng)絡(luò)壽命和數(shù)據(jù)采集量上有明顯的優(yōu)勢(shì)。

參考文獻(xiàn):

[1]TUBASISHAT M， MADRIA S. Sensor networks:an overview[J]. IEEE Potentials， 2003，22(2):20-23.

[2]POTTIE G J， KAISER W J. Wirless integrated network sensors[J]. ACM Communications， 2000，43(5):51-58.

[3]HEINZELMAN W R， CHANDRAKASAN A， BALAKRISHNAN H. Energyefficient communication protocol for wireless microsensor networks[C]//Proc of the 33rd Hawaii International Conference on System Sciences. Washington DC:IEEE Computer Society， 2000:55-60.

[4]HEINZELMAN W R， CHANDRAKASAN A， BALAKEISHNAN H. An applicationspecific protocol architecture for wireless microsensor networks[J]. IEEE Trans on Wireless Communications， 2002，1(4):660-670.

[5]LEE S H， YOO J J， CHUAN T C. Distancebased energy efficient clustering for wireless sensor networks[C]//Proc of the 29th IEEE International Conference on Local Computer Networks. Washington DC:IEEE Computer Society， 2004:567-568.

[6]YOUNIS O， FAHMY S. Distributed clustering in Ad hoc sensor networks: a hybrid， energyefficient approach[C]//Proc of IEEE INFOCOM. 2004:169-175.

[7]LEE H Y， SEAH K G， SUN P. Energy implications of clustering in heterogeneous wireless sensor networks:an analytical view[C]//Proc of the 17th IEEE Intertional Symp on Personal， Indoor and Mobile Radio Communications. 2006:77-83.

[8]KIM J M， PARK S H， HAN Y J， et al. CHEF:cluster head election mechansim using fuzzy logic in wirless sensor networks[J]. ICACT， 2008， 4:654-659.

[9]INTANAGONWIWAT C， GOVINDAN R， ESTRIN D. Directed diffusion: a scalable and roubust communication paradigm for sensor networks[C]//Porc of ACM MobiCom’00. Boston:ACM Press， 2000:56-67.

[10]WAN C Y，CAMPBELL A T， KRISHNAMURTHY L. PSFQ: a reliable transport protocol for wireless sensor networks[C]//Proc of the 1st ACM International workshop on Wireless Sensor Network and Applications.New York:ACM Press， 2002:1-11.

[11]MAO Y C， JUN L， CHEN D. Energy aware partial coverage protocol in wireless sensor networks[C]//Proc of the 3rd International Conference on Wireless Communications， Networking and Mobile Computing. [S.l.]:IEEE Press， 2007:2535-2538.