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1、第C 嚣分E E D G P - 一种能源有效的无线传感器网络数据收集协议周东清朱娜葛午未大连理工大学计算机科学与工程系A 0 8 1 9 室大连1 1 6 0 2 4摘要：由于无线传感器网络节点具有有限的能源，设计高效节能的协议来延长网络寿命就成为解决该问题的关键技术之一。S i n c e t h ee n e r g y l i m i t a t i o no f w i r e l e s ss e n s o r n o d e o n eo f t h e k e yt e c h n o l o g yt op r o l o n gt h el i f eo f n e t
2、w o r ki st od e s i g nap o w e re f f i c i e n tp r o t o c 0 1 本文通过对网络节 点能量消耗问题的分析，提出了一种能源有效的集中式网络数据收集协议E E D G P 。在E E D G P中，聚类首领均匀分布于网络内部，聚类内部节点间通信遵循自由空间模型。同时在聚类内 部和聚类首领之间采用最小路由树算法来缩短各节点到聚类首领的传输距离，减少与基站直接通信的节点数目。所有接收到数据的中间节点对数据进行融合，以降低每轮中传输的数据 量。每隔一段时同基站重新进行聚类分割以平衡节点间的能量消耗。仿真结果表明，E E D G P有效的
3、延长了节点和网络的寿命。关键字：无线传感器网络集中式能源有效聚类E E D G P ：E n e r g y - E f f i c i e n tD a t aG a t h e r i n g P r o t o c oJ _ nW i r e l e s sS e n s o rN e t w o r k sZ h o uD o n g q i n g ，Z h uN a , G eW u w e iA b s m ”f S i n c et h ee n e r g yl i m i t a t i o no fw i r e l e s ss e n s o rn o d e i t
4、t o m si n t oak e yt e c h n o l o g yt Od e s i g na l le n e r g ye f f i c i e n tp r o t o c o lt op r o l o n gt h el i f e t i m eo fn e t w o r k B a s e dO nt h ea n a l y s i so fe n e r g yc o n s u m e do fn o d e s ，t h i sw o r kp r o p o s e dan e wc e n t r a l i z e de n e r g ye f
5、f i c i e n c yd a t ag a t h e r i n gp r o t o c o l c a l l e d E E D G P E E D G P a c h i e v e s f a i r l yu n i f o r m c l u s t e r h e a d d i s t r i b u t i o n a c r o s s t h e n e t w o r k T h ec o m m u n i c a t i o na m o n gn o d e sf o l l o w sf r e es p a c em o d e la n di n
6、 i n - r o u t e rt r e ei su s e dt os h o r t e nt h ec o m m u n i c a t ed i s t a n c ei nc l u s t e r i n g A m o n gc i n s t e rh e a d sr a i n - r o u t e rt r e ei sa l S Ou s e dt Or e d u c et h et r a f 丘cb e t w e e nn o d e sa n db a s es t a t i o n N o d e sa g g r e g a t et h er
7、 e c e i v e dd a t aw i t hi t ss e n s e dd a t at or e d u c et h et r a f f i ce v e r yr o u n d A f t e ra ni n t e r v a lt h eb a s es t a t i o nr e c a l c u l a t e st h er o u t i n gi R f o r m a t i o l l S Ot h a ti tb a l a n c e st h ee n e r g yc o n s u m p t i o na m o n gt h en
8、o d e s T h es i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s W a t et h a tE E D G Pe f f i c i e n t l yp r o l o n g st h en e t w o r kl i f e t i m e K e yw o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ；c e n t r a l i z e d ；e n e r g y - e f f i c i e n t ；c l u s t e r i n g 1引言随着微机电系统、无线通信技术
9、和数据处理技术的迅猛发展，已经出现了集这三种技术为一体的传感器器件。大量的这种传感器器件通过一定的协议构成自组织网络，可以进行数 据收集和传输，为用户提供有用信息，这就是无线传感器网络( W L r e l e s sS e n s o r N e t w o r k s ) 技8 6 术。无线传感器网络能够实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种监测对象信息，并对这些信息进行处理，传送给需要这些信息的用户。无线传感器网络扩展了人们的信息获取能力，将客观世界的物理信息同传输网络连接在 一起，在下一代互联网中将为人们提供最直接、最有效、最真实的信息。无线传感器网络能够在恶劣的环境条件下获取大量详
10、实而可靠的信息，在军事国防、环境监测、工农业控制、医疗健康监护、建筑与家居、抢险救灾以及商业等诸多领域都有着广阔的应用前景“4 1 。2 研究背景m ，= 声二G8 7 P E G A S I S ( p o w e r - e f f i c i e n tg a t h e r i n gi ns e n s o ri n f o r m a t i o ns y s t e m ) 9 1 由L E A C H 发展而来，其关键技术是在传感器结点之间形成一条链路，使得每个节点从最近的邻居接受和发送。收 集到的数据沿节点移动，进行融合，由最后一个指定的节点传送到基站。节点循环传送到基站，这
11、样每个节点每轮消耗的平均能量降低了。但是P E G A S I S 传输网络时延大，不能很好的满足实时系统的需求。T E E N ( t h r e s h o l ds e n s i t i v ee n e r g ye f f i c i e n ts e n s o rn e t w o r kp r o t o c 0 1 ) _ 和L E A C H 的实现机制非常相似，只是前者是响应型的，而后者属于主动型传感器网络。在T E E N 中定义了硬、软两个门限值，以确定是否需要发送监测数据。当监测数据第一次超过设定的硬门限时，节 点用它作为新的硬门限，并在接着到来的时隙内发送它。在
12、接下来的过程中，如果监测数据的变化幅度大于软门限界定的范围。则节点传送最新采集的数据，并将它设定为新的硬门限。通过调节软门限值的大小，可以在监测精度和系统能耗之间取得合理的平衡，但是它只适应于监视一些突发事件。通过对现存协议的研究和分析，本文提出了一种集中式的均匀聚类分割算法。该算法在 选择聚类首领时，综合考虑节点密度和节点剩余能量，使聚类首领均匀分布于网络内部，平衡了节点间的能量消耗。仿真结果表明，该算法在需要连续数据发送的大型网络中能够得到很好的应用。2 1无线信道传输模型在无线传输中，发射功率的衰减随着传输距离的增大而呈指数衰减。文献 1 4 中提出了两种信道模型，自由空间( f r e
13、 es p a c e ) 模型和多路径衰减( m u l t i - p a t hf a d i n g ) 模型，当发送节点和接收节点之间的距离d 小于某个值氏时，采用自由空间模型，发射功率呈d 2 衰减；否则采用多路径衰减模型，发射功率呈d 4 衰减。2 2 无线能量模型本文采用与文献 6 】相同的无线能量模型，式( 1 ) 为发射k 比特数据损耗的能量，由发射电路耗损和功率放大耗损两部分构成，其中以= 8 0 2 。功率放大耗损则根据发送者和接收者之间的距离分别采用自由空间模型和多路径衰减模型。z o k 为发射电路的耗损能量，、分别为两种信道模型下功率放大所需能量。式( 2 ) 为
14、接收女比特数据的能量耗损，仅由电路耗损引起。 、I 七4 k c + k * e f s d 2d d o 仕户扣三+ 电唧d 4d 南( 1 )之( 七) = 最。m4 k( 2 )此外，对数据信号进行融合等处理时也将耗损能量，由巨。表示融合单个数据信号所耗损的能量。对于任意节点，假设其有M 个子节点，则将M 个子节点的数据信号和自身的数据信号融合为一个有效信号所耗损的能量为E ，= ( l f + 1 ) 4 巨一甘4 k 。8 8 3 系统模型描述本文假定N 个传感器节点随机均匀分布在矩形区域A 内，并假设传感器网络具有如下性质：1 ) 传感器节点位置固定；2 ) 基站事先已知所有传感器
15、节点位置；3 ) 传感器节点在其他节点的直接通信范围内，并且可以直接和基站通信；4 ) 传感器网络中的所有节点都是同构的，并且能量有限。在本文中，我们主要考虑的传感器网络节点随机分布在个兴趣区域内。节点周期性地感知环境并且通常每轮都有数据传输。节点将其所有收到的数据和自己感知的数据进行融合，产生个新数据包。网络节点间的通信( 包括聚类成员与聚类首领的通信、聚类首领之间的通信) ，应该遵循自由空间模型o ，避免远距离传输的高能量衰减因此聚类的大小应该限制在一定范围内。在L E A C H 协议中，成为聚类首领的节点在全网范围内广播消息，其功率衰减遵循多路径衰减模型。其它所有接收此消息的节点也将损
16、耗一定的能量，对于多数未成为此聚类成员的节点而言，接收此消息的能量损耗是不必要的。另外这些随机选取的聚类首领，可能在网络的边缘如图1 所示，A E 为聚类首领。成员与A 、C 的距离较远，势必增加通信能量的消耗。在网络覆盖区域很大的情况下，成员与聚类首领间的通信能量急剧上升，能量耗损相当大。 麟jf ”。X9 懑图lL E A C H 协议图2E E D G P 协议聚类首领彼此不应相距太近，应该较为均匀地分布在网络中。在L E A C H 中，随机选取的聚类首领可能相距很近，如图1 中的D 、E 节点，接收聚类成员的数据时，可能会由于电磁波的互相干扰导致数据的重发，引起不必要的能量损耗。在我们的设计中。聚类覆盖范围限制在半径为r ( r 为聚类半径) 的区域内，即在聚类首领通信半径r 内的节点才能成为此聚类的成员。其中，值应小于d 0 ，2 ，使聚类首领之间的距离限制在范围以内，这样就保证了聚类成员到聚类首领的通信以及聚类首领之间的通信都基于自由空间的低能量衰减，同时也保
