分析无线传感器网络中能量全局优化精确数据收集

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  摘要:无线传感器网络(Wireless Sensor Networks简称WSN)是一种分布式传感网络,它由大量传感器节点、汇聚节点和用户管理节点组成,因为微电机系统、片上系统、无线通信和低功耗嵌入式技术等相关技术的飞速发展,导致了WSN的不断发展,并被广泛应用于各个领域。其中环境监控离我们的日常生活最为接近。数据收集是无线传感器网络应用的基本功能,它是将传感器节点放置在监测区域内,通过这些节点之间相互协助,对环境参数或监测对象进行感知进行记录,并将记录传送给用户。在实际的应用中,数据收集的过程就是传感器节点收集数据,并传送到sink节点。常见的数据收集分为相关数据收集和精确数据收集。本文主要对精确数据收集进行分析。
  关键词:无线传感器网络;数据收集算法;能量全局化
  在多条无线传感器在网络进行数据收集的时候,靠近汇聚点的传感器节点因为其需要转发来自其他节点的数据,导致了该传感器节点能力消耗过快,由于过度使用,加大了该传感器节点的损耗,缩短了使用期限,影响数据的传递。在这一情况下,本文基于精确数据收集的基础上提出了更为全面的全局优化算法EGODGA暨能量(energy)全局(global)优化(optimization)数据(data)收集(gathering)算法(algorithm)。
  1 EGODGA算法简介
  EGODGA算法是一种能够对数据高效收集的模式,能有效地收集传感器节点的数据,它与最短路径算法Djikstra不同,EGODGA算法同时考虑链路代价和节点代价,找出从源节点到目标节点的最快速且消耗低的路径,实现网络能力全局优化。根据有关计算结果表明在相同条件下,Djikstra最短路径算法与精确数据收集算法相比,EGODGA算法可以对通过优化网络拓扑子树的节点数目进行有效计算,实现网络的能力平衡。该算法适用于多跳静态无线传感器网络的全局优化。EGODGA算法综合了其他算法的优势,通过寻找源节点与sink节点间总代价最小的路径,来建设sink附近节点的能量消耗,达到延长网络的使用期限[1] 。
  2 与其他算法的对比
  EGODGA算法与其他算法相比有什么优势呢,我们选取了常用的几种无线传感器网络数据收集的算法,例如LET、CCM、LORA_SPT等。LET算法是主要优点是保证网络拓扑中的每个节点到sink节点的耗能最小,但是这个优点有时也是他的缺点,因为如果该算法每颗子树上的节点数目不一致,就会出现节点数目分布不均匀的情况,这种情况就会导致节点能量使用不均勻,如果局部节点转发数据过多,就会造成局部节点的过早死亡;CCM算法是把整个网络作为一个通信代价图来处理,CCM算法自身的动态规划算法与Dijkstra算法相结合,用最小通信代价作为Dijkstra算法的权值,在此基础上产生一个新网络拓扑[2] 。该算法的优点是优化了局部耗能,缺点是无法对网络进行全局优化;LORA_SPT算法是基于LET算法的一种算法,它有效的考虑了临近节点的剩余能量,此外还考虑了其他因子[3] 。但是该算法在构建权值函数的时候,对于求出各个因子的准确值,还较为困难。而精确数据收集算法可以有效均衡网络耗能,有效延长网络的使用期限,还可以在较短时间内建立网络拓扑。该算法在执行过程中,传感器节点不仅需要考虑链路代价,还需要考虑节点代价,算法以链路代价与节点代价之和作为最小代价路径。在算法运行的过程中,每隔传感器都都会计算到达sink的最小代价路径,当所有结果算出之后,将数据进行综合、根据转移节点的方式得到最终的网络拓扑。这种结构能全面有效的对各项数据进行平衡,提高工作的效率。
  3 EGODGA算法的设计
  网络的使用期限与sink的临近节点有关。EGODGA算法的设计思路是从叶子节点出发,顺着链路找到树枝,根据从下往上倒推,逐级推到sink节点,从而形成一颗能量全局优化的类树[4] 。在局部优化的时候,还需要考虑通行链路代价和上级节点的负载情况。
  4EGODGA算法的实现
  EGODGA算法的实现需要通过sink节点与传感器节点不断进行数据发送,保证sink节点接收数据并不断更新信息。在实现过程中Sink节点需要给所有节点发送数据,并要求所有数据将自身节点位子、自身能量、节点ID等信息发送回sink节点,sink节点收到各节点的信息后,对其进行计算,将计算出来的初始节点代价及链路代价发给所有节点,各节点收到数据后,及时开展计算工作,寻找最小代价路径[5] 。在寻找最小路径工作中,sink节点根据节点通报的信息不断更新网络中的节点代价,直至最后建立完整的网络拓扑结构,sink节点统治所有节点停止运算,进入数据收集阶段,在该算法的过程中,节点发送的各项数据里,不仅需要有检测到的任务数据,还需要有传感器节点自身的ID号、路由器、剩余能量信息等。这样有利于sink的运行。
  5结束语
  EGODGA算法可以构造子树节点数量相对平衡的网络拓扑,使节点能量得到全局的优化,从而延长网络使用期限。他与最短路径算法Dijikstra和MAXLAT算法相比,EGODGA算法可以使网络瓶颈节点的降到最低,达到延长网络的使用期限。但是在算法上来说,EGODGA算法较为复杂。
  参考文献:
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