无线传感器网络的节能研究（本科毕业论文）(8)

潜在的危险性，簇头的高负载使网络瘫痪的可能性增加，因此要求算法具有一定的容错能力。

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第3章 EDEBCRP-MN协议设计

无线传感器网络性能的好坏取决于路由算法的选择，路由算法在各种网络中都起着至关重要的作用，采用何种路由算法决定了最终的数据路由路径，直接影响网络的整体性能，因此针对传感器网络的自身特点，设计一种性能好的路由协议是非常具有挑战性的。通过前面对传感器节点能量消耗情况和无线传感器网络路由协议的研究，我们提出一种基于能量均匀分配的带管理节点的分簇路由协议EDEBCRP-MN (Evenly distributed Energy-based Cluster Routing Protocol with Monitoring Node)，该协议的主要思想是利用可补充能量的汇聚节点采用集中式方式将覆盖的区域内所有传感器节点按能量均匀划分的做法，划分为许多小区域，每个小区域作为一个簇。在每个簇中设置一个管理节点，管理节点以分布式方式实现每个簇中簇头的重新选举，以减少成簇的开销，同时增强网络的健壮性。

3.1 EDEBCRP-MN 协议假设条件

假设传感器节点随机分布在一个正方形监测区域内，并且该传感器网络具有以下性质：

(1) 汇聚节点位于监测区域外远处一点，以正方形区域某一顶点为坐标原点，以该顶点所在的两条边为坐标轴建立坐标系，正方形区域位于第一象限，本文假设汇聚节点的坐标为（－100，0）。

(2) 汇聚节点具有较强的计算、存储能力，且能量能够得到补充。

(3) 所有传感器节点部署后静止不动，具有相似的处理通信能力，地位是对称平等的。

(4) 节点无线发射功率可以调节，即节点通信半径可以改变。

3.2 EDEBCRP-MN 协议无线通信模型

本文采用无线通信模型，该模型给出一个阈值r0，当发送节点与接收节点的距离小于r0 时，发送端发送数据的能量损耗与距离的平方成正比，否则与距离的四次方成正比。这两种不同的能量衰减模型分别称为自由空间模型和多路衰减模型。

当网络选用单跳路由协议方式时，簇头节点以单挑方式接收每个传感器发送的数据，此时节点能量衰减模型为自由空间模型，节点发送信息消耗的能量E与通信距离d的平方成正比。在单跳路由情况下，距离簇头越远的节点消耗的能量越大，在各传感器初始能量都相等的情况下，远距离节点会因能量耗尽而很快就无法工作，距离簇头较近的节

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点还会有很多能量，使得整个网络的能量消耗极不均匀，整个网络系统的实用性会大大降低。

若网络选用多跳路由协议，每个节点都把数据传送到下一跳的节点，这样就大大缩短了节点的通信距离，因此多跳路由协议和单跳路由协议相比，从节点消耗能量总和来看有很大的降低，比如每个节点传送一个单位的数据到簇头节点，单跳路由情况下能量总消耗为

E?d2E?(4d)?(3d)?(2d)?(d)22222?30d2，而多跳路由消耗能量总和仅为

?2d?3d2?4d2?10d2。

根据发送节端与接收节端之间的距离，发送节点可以使用不同的能耗模型计算发送数据所需要的能量。例如A节点向距离为d的另一节点B发送k字节的数据，其能量消耗的计算如下：

ETx(k,d)?ETx?ekec(k)?ETx?amp(k,d)?kEelec?k?ampf(d)2??kEelec?k?fsd?? (3-1)

4??kEelec?k?trd

当B接收到A发送的消息时，其无线接收装置的能耗为：

ERx(k)阀值r0由下式决定：

r0??kEelec (3-2)

?fs/?tr (3-3)

以上公式中，ETx?elec表示启动无线收发电路所消耗的能量，ETx?amp表示放大器消耗的能量，且=87.7m。

Eelec?50J/bit,?fs?10pJ/b/m2,?tr?0.0013pJ/b/m4.由上式可得r03.3 EDEBCRP-MN 协议分簇阶段

EDEBCRP-MN是基于分簇的路由算法，它和LEACH 算法一样，但不同之处是：LEACH 算法是所有传感器节点动态的形成多个簇，且经过一段时间的数据传输之后，会进行重新分簇；而EDEBCRP-MN 算法将所有传感器节点按地理位置划分为多个簇，簇的划分由能量充足的汇聚节点来完成，并且簇一旦形成，分簇在整个稳定数据通信阶段不再变化，当簇头节点出现故障或者能量小于某个阈值时，采用分布式方式在簇范围内重新选举簇头，而不是在整个网络中实行新一轮的聚簇。

EDEBCRP-MN 协议作为层次协议，其分簇过程包括三个阶段，传感器节点被随机地部署在监测区域中后，

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第一步：通过节点定位算法或者GPS 获得每个节点的能量与位置信息，然后将每个节点的节点能量信息和位置信息发送到汇聚节点，如图3.1（a）所示，节点的通信则满足多路衰减模型，此时能量消耗较大，考虑在整个协议运行过程中只有一次，此后所有节点进入非活动状态，相对于较长时间的稳定工作阶段，这种方法是可取的。

第二步：汇聚节点接收所有节点的位置和能量信息，根据监测区域中节点的数量以及区域内所有节点的能量信息，就近地将整个监测区域划分成若干个小区域，且满足各区域中所有节点能量之和基本相等，划分的每个小区域作为一个簇，同时，将节点的能量划分层次，依次为0、1、2顺序增大，层次之间的能量差不一定是相等的；在每个小区域内选取能量水平值最大的两个节点分别作为簇头节点和管理节点（如果几个节点具有相同的最大能量水平值则选取距离各小区域中心最近的两个节点分别作为簇头节点和管理节点）。 …… 此处隐藏：617字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……