帶狀無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有特殊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),滿足很多重要領(lǐng)域的應(yīng)用需求。針對(duì)帶狀網(wǎng)絡(luò)中的能量消耗不均衡問題,分析了帶狀無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在多跳通信時(shí)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和能耗模型,在對(duì)帶狀網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分簇的基礎(chǔ)上,提出一種非均勻的節(jié)點(diǎn)部署策略,該策略量化了帶狀傳感器網(wǎng)絡(luò)中簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的數(shù)目關(guān)系,并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的路由協(xié)議。仿真結(jié)果表明,非均勻的節(jié)點(diǎn)部署策略可以緩解帶狀網(wǎng)絡(luò)的能量空洞問題,使網(wǎng)絡(luò)能耗趨于均衡,延長整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。 

【文章來源】：計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)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(luò)模型

能量消耗也越大。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)采用隨機(jī)部署的方式，將會(huì)造成整個(gè)帶狀網(wǎng)絡(luò)的通信中斷。3部署策略針對(duì)帶狀網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)。通過計(jì)算不同簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的能耗，使各個(gè)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(yīng)部署節(jié)點(diǎn)的數(shù)量關(guān)系，并通過調(diào)度機(jī)制合理組織節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)，盡可能讓不同節(jié)點(diǎn)同時(shí)消耗完自身的能量，以提高網(wǎng)絡(luò)的能量效率，延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。3.1節(jié)點(diǎn)數(shù)量關(guān)系距離Sink節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)的簇產(chǎn)生的數(shù)據(jù)經(jīng)過多跳傳輸才能到達(dá)Sink節(jié)點(diǎn)。在圖2所示的k跳轉(zhuǎn)發(fā)模型中，節(jié)點(diǎn)A與Sink的距離為D，數(shù)據(jù)傳送到Sink節(jié)點(diǎn)，中間需要k-1個(gè)簇首節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，簇首節(jié)點(diǎn)的位置將會(huì)影響轉(zhuǎn)發(fā)的能耗。定理1設(shè)f(k)=xn1+xn2+…+xnk,n≥2，在∑i=1kxi≥D的情況下，當(dāng)且僅當(dāng)x1=x2=…=xk=D/k時(shí)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(shè)鏈路上第i個(gè)節(jié)點(diǎn)到第i-1個(gè)節(jié)點(diǎn)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(dāng)d1=d2=…=dk=D/k時(shí)，Ek的取值最校在帶狀傳感器網(wǎng)絡(luò)中，簇首節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，在劃分簇時(shí)考慮對(duì)帶狀網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行均勻分簇，使簇首節(jié)點(diǎn)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(diǎn)遠(yuǎn)近不同的簇盡可能同時(shí)消耗完能量，各個(gè)簇的總體能量與能量消耗速度之比應(yīng)盡可能相等，即滿足：NiEinit/Ei=NnEinit/En（6）其中

2017，53（23）出的節(jié)點(diǎn)非均勻部署策略和另外兩種路由協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)生命周期的對(duì)比結(jié)果如圖4所示。從圖4的仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)帶狀網(wǎng)絡(luò)的長度不等時(shí)，本文提出的非均勻節(jié)點(diǎn)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(luò)生命周期，而且隨著網(wǎng)絡(luò)長度的增加網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)部署策略具有較好的擴(kuò)展性，適用于較長距離的帶狀網(wǎng)絡(luò)。圖5所示的是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期結(jié)束時(shí)，不同路由協(xié)議的剩余能量占總能量百分比的比較結(jié)果。采用本文提出的非均勻部署策略，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)生命周期結(jié)束時(shí)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(shí)，雖然網(wǎng)絡(luò)具有較多的剩余能量，但是網(wǎng)絡(luò)生命周期已結(jié)束，而且隨著帶狀網(wǎng)絡(luò)長度的增加，能量剩余的問題會(huì)更加嚴(yán)重。圖6是實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景為600m×20m時(shí)節(jié)點(diǎn)的存活數(shù)隨仿真時(shí)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(diǎn)死亡緩慢，存活數(shù)隨時(shí)間變化不明顯，在仿真后期節(jié)點(diǎn)死亡速度加快，表明不同節(jié)點(diǎn)能量消耗的速度一致。6結(jié)束語本文針對(duì)帶狀無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量消耗不均勻的現(xiàn)象，提出節(jié)點(diǎn)非均勻部署策略，從理論上分析了該策略的能耗并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的路由協(xié)議。該策略量化了帶狀傳感器網(wǎng)絡(luò)中相鄰分簇間的節(jié)點(diǎn)數(shù)目關(guān)系，在此基礎(chǔ)上得出了一個(gè)部署傳感器節(jié)點(diǎn)的密度函數(shù)。仿真實(shí)驗(yàn)表明，使用本文提出的非均勻部署策略及相應(yīng)的路由算法可以使整個(gè)帶狀網(wǎng)絡(luò)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(luò)的生命周期。節(jié)點(diǎn)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(luò)長度的增加，節(jié)點(diǎn)總數(shù)呈指數(shù)級(jí)增長，使用該策略依托于傳感器節(jié)點(diǎn)能夠低成本大規(guī)模生?

【參考文獻(xiàn)】：
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