Сочинение на тему Распределенный энергоэффективный и позиционно-ориентированный протокол маршрутизации для гетерогенных беспроводных сенсорных сетей

Беспроводные сенсорные сети (WSN) состоят из крошечных и маломощных устройств, которые обычно разбросаны в географически изолированных областях. В WSN датчики собирают данные, агрегируют их и отправляют на базовую станцию. Полученные данные затем становятся доступными для конечного пользователя. Фундаментальная задача при разработке WSN заключается в том, чтобы максимально увеличить срок их службы, поскольку у них ограниченный и незаменимый источник питания. Алгоритм кластеризации – основной метод, используемый для увеличения времени жизни гетерогенного WSN. В этой статье мы представляем и оцениваем протокол распределенной энергоэффективной и позиционно-зависимой (DEEP) для гетерогенных WSN. В DEEP главы кластеров (CH) выбираются с использованием того же порога вероятности, который используется LEACH-E. Более того, он использует второй иерархический уровень, выбирая наиболее мощный. Головка кластера, которую мы называем главной головкой кластера для передачи данных на базовую станцию. Мы навязываем головку главного кластера (MCH) в положении, близком к базовой станции, чтобы снизить затраты на передачу. Результаты моделирования показывают, что предлагаемый нами протокол DEEP увеличивает срок службы всей сети и работает лучше, чем LEACH-E, с точки зрения рассеивания энергии и получения сообщений на базовой станции.

Введение

Последние достижения в области беспроводных технологий и электроники позволили создать недорогие, маломощные, многофункциональные датчики, которые являются крошечными и способны связываться на небольших расстояниях. Беспроводная сенсорная сеть состоит из большого количества микродатчиков, пространственно распределенных по географической области, для измерения и мониторинга физических параметров окружающей среды и организации собранных данных на базовой станции, чтобы дать конечному пользователю возможность контролировать , наблюдать и реагировать на события и явления в определенной среде. Беспроводные сенсорные сети предоставляют несколько приложений от военных приложений, таких как картирование поля битвы и наблюдение за целями до создания умных домов и мониторинга окружающей среды. В большинстве приложений датчики используются для сбора данных в удаленной среде с целью обнаружения события, а затем передают собранную информацию на удаленную базовую станцию ​​(BS), откуда она становится доступной для конечного пользователя. [

Энергия сенсорных узлов обычно ограничена, так как суровые условия и удаленная область применения делают невозможным перезарядку или замену разряженных батарей. Энергия сенсорных узлов потребляется при зондировании, обработке и передаче данных, а также в других операциях, выполняемых узлами. Коммуникация – самая жадная часть, которая потребляет наибольшее количество энергии в WSN.

Поскольку основным препятствием является энергия, основной идеей WSN является разработка энергосберегающих алгоритмов для оптимизации потребления энергии. Кластеризация является наиболее используемым методом оптимизации энергопотребления в WSN. Он состоит из разделения датчиков на группы, так что они передают информацию только головкам кластера, а затем головки кластера отправляют агрегированные данные в обрабатывающий центр, что экономит энергию. Кроме того, лучше разделить сеть на кластеры, причем каждый кластер имеет свой собственный канал CH, который отправляет собранные данные от своих соседей-датчиков в BS. Таким образом, каналы CH, которые выбираются случайным образом с использованием вероятностного порога, агрегируют данные своих членов кластера и отправляют их на базовую станцию, откуда конечные пользователи могут получить доступ к этим обнаруженным данным. Таким образом, только некоторые узлы обязаны передавать данные на большое расстояние от имени остальных узлов, которые должны будут выполнять только передачу на короткие расстояния. Следовательно, экономится больше энергии, а общее время жизни сети увеличивается. Существует два вида схем кластеризации. Алгоритмы кластеризации, применяемые в однородных сетях, называются схемами однородной кластеризации, где все узлы имеют одинаковую начальную энергию, например LEACH, PEGASIS и HEED, а алгоритмы кластеризации, применяемые в гетерогенных сетях, называются гетерогенными схемами кластеризации, где все узлы WSN снабжены разным количеством энергии, например SEP, LEACH-E и DEEC. На основе протокола LEACH-E мы разрабатываем и проверяем протокол распределенной энергоэффективной и позиционно-ориентированной (DEEP) маршрутизации для гетерогенных беспроводных сенсорных сетей. Этот протокол предназначен для увеличения всей жизни сети гетерогенного WSN. DEEP добавляет концепцию второго иерархического уровня, основанную на двух критериях: положение и уровень энергии CH. Этот метод улучшает и оптимизирует использование энергии, рассеиваемой в сети. Использование дополнительного иерархического уровня для передачи данных на базовую станцию ​​использует преимущества многопереходной передачи и передачи на небольшие расстояния и уменьшает количество избыточных сообщений для BS. Как следствие, для передачи собранных данных на дальние расстояния в BS требуется только один канал CH. Это позволяет лучше распределять энергетическую нагрузку и использование энергии через сенсорную сеть и соответственно увеличивает весь срок службы сети. Остальная часть этой статьи организована следующим образом. В разделе II представлена ​​гетерогенная модель WSN. Раздел III показывает детали и анализирует свойства DEEP. В разделе IV оценивается эффективность моделирования корыта DEEP и сравнение результатов с протоколом LEACH-E. Наконец, раздел V дает заключительные замечания и некоторые перспективы.

Модель гетерогенной сети

Основная цель протокола маршрутизации на основе кластера состоит в том, чтобы эффективно поддерживать энергопотребление сенсорных узлов, вовлекая их в многопереходную связь и выполняя агрегирование и объединение данных, чтобы уменьшить количество передаваемых сообщений в BS. В этом разделе мы сделаем несколько заявлений и предположений о схеме сети и представим модель сети и энергии, использованную в этой работе. В этом исследовании мы опишем модель сети. Мы предполагаем, что имеется N сенсорных узлов, которые равномерно разбросаны по квадратной области M x M. Узлы всегда имеют данные для передачи на базовую станцию, которая находится далеко от зоны обнаружения. Этот вид WSN может использоваться во многих областях, таких как исследование космоса, дистанционный мониторинг окружающей среды или в военных и сельскохозяйственных приложениях. Сеть организована в кластерную иерархию, и каналы CH выполняют функции агрегирования и объединения, чтобы уменьшить коррелированные данные, генерируемые сенсорными узлами.

Обычно каналы CH передают агрегированные данные непосредственно на базовую станцию. Мы предполагаем, что узлы являются стационарными, как и предполагалось. В двухуровневых гетерогенных сетях есть два типа сенсорных узлов: расширенные узлы и нормальные узлы. является начальной энергией нормальных узлов и является частью продвинутых узлов, которым в разы больше энергии, чем нормальным узлам. Таким образом, существуют усовершенствованные узлы, снабженные начальной энергией, и нормальные узлы, снабженные начальной энергией. Общая начальная энергия двухуровневой гетерогенной сети дается формулой. (1): (1) Кроме того, мы используем модель рассеивания энергии радиосигнала и для достижения приемлемого отношения сигнал / шум (SNR) при передаче L-битного сообщения на расстояние, рассеиваемая энергия при радиопередаче дается уравнением (2): (2).

Где энергия, рассеиваемая на бит для запуска передатчика или схемы приемника, зависит от используемой модели усилителя передатчика и является расстоянием между отправителем и получателем. Мы зафиксировали значение в 87,7 метра. В большинстве WSN сенсорные узлы имеют ограниченное электропитание, так как они обычно питаются от батарей. Энергия играет важную роль в дизайне WSN. Поэтому оптимизация энергопотребления в каждом узле является важным фактором при разработке протокола маршрутизации для WSN. Одним из недостатков LEACH-E является то, что CH связывается напрямую с BS.