无线传感器网络中的节点部署技术对寿命提高的影响：MLT协议与LEACH协议的性能比较

埃及信息学杂志（2015）16，23开罗大学埃及信息学杂志www.elsevier.com/locate/eijwww.sciencedirect.com原创文章提高无线传感器网络寿命的节点部署创新能源资源合并层技术S.G. Susilaa，b，*，J.ArputhavijayaselvicaAnna University Chennai，Tamil Nadu 600 025，Indiab部印度泰米尔纳德邦Tiruchirappalli，BIT Campus，Anna University Chennai，620c印度泰米尔纳德邦普杜科泰国王工程学院院长研发部613 303收稿日期：2014年2月20日;接受日期：2014年2014年12月29日在线发布摘要无线传感器网络是由大量的小型传感器节点组成的集合，这些节点被部署在一个特定的区域内，以观测周围的环境参数。因为，能源危机-消耗是无线传感器网络中一个重大挑战由于传感器节点配备的电池能量有限。能量有效的信息处理是最重要的，许多路由协议被提出来增加无线传感器网络的生命周期为了提高无线传感器网络的生命周期，建议的MLT路由协议已实现的传感器节点随机部署在外地。融合层节点部署模式的传感器节点系统的运作，最大限度地提高了工作时间的全覆盖在一个给定的无线传感器网络。MLT提供能量平衡，同时为每一轮选择簇头（CH）。簇头选择机制是必不可少的，并且具有与MLT协议中的低能量自适应分簇层次（LEACH）相同的过程。本文的主要思想是将两层属于同一集合但不同组的传感器节点结合起来，以提高无线传感器网络的生命周期。通过MATLAB仿真，分析和比较了MLT协议和LEACH协议的性能.与其他协议相比，所获得的仿真输出具有增强的结果和超级持久的寿命。*通讯作者：系印度泰米尔纳德邦Tiruchirappalli，Tiruchirappalli，Anna University Chennai，BIT Campus 620 024，India电子邮件地址：rsksusi@gmail.com（S.G. Susila），dean@kingsindia. net（J. Arputhavijayaselvi）。开罗大学计算机和信息系负责同行审查。制作和主办：Elsevier1. 介绍无线传感器网络是由大量小型传感器节点组成的网络，其电池电量有限.在文献[1，2]中，路由技术是网络节能的最重要的问题。每个传感器的能量水平有限，通过限制处理能力和感测能力。因此，这些传感器的网络产生了更强大，可靠和准确的http://dx.doi.org/10.1016/j.eij.2014.11.0021110-8665 © 2014由Elsevier B. V.代表开罗大学计算机与信息学院制作和主办。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词分簇概念;同构系统;异构系统;合并层节点部署技术;无线传感器网络p24S.G.苏西拉网络许多研究学者已经在各个领域引入了新的应用，例如在军事中用于战场监视的偏远和敌对地区，监视敌方土地，检测攻击和安全信息传递。对可用能量的过度使用导致网络性能低下.为此，这些传感器中的能量是一种稀有资源，必须以有效的方式进行管理。在本章中，我们提出的算法在同构和异构系统中实现，其中网络的合并层技术（MLT）节点部署系统有助于提高无线传感器网络的能量经济性。在这种情况下，节点的随机部署被部署在具有相同能量和相同头部选择过程概率的两个层中。两层传感器节点属于同一个集合，但在不同的组。根据LEACH原理，传感器节点将其感测数据发送到CH，CH将聚合数据发送到基站（BS）。与LEACH协议相比，融合层概念网络具有更好的效果。这些章节的构成如下。 第二节简要回顾了相关工作。第三部分描述了异构传感器网络系统。第4节分析了传感器网络模型。在第5节中，我们提出了MLT协议。在第6节中，从能量消耗、每轮活节点数、两层传感器节点的单独基站位置和比较结果图方面讨论了所提出的协议的仿真结果。最后，在第七节中，对所提出的算法进行了总结，并对未来的工作进行了展望.2. 相关作品[3，4]中的分层路由技术是保持传感器节点能量节省以提高[5，6]中的无线传感器网络寿命的有效技术之一。它通过执行数据聚合在特定集群和传感器节点内进行多跳通信，并将数据传输到[7，8]中的sink。2.1. 低能耗自适应分簇层次协议LEACH（Heinemann等人，2002）是传感器网络的第一个分层路由协议。LEACH中提出的想法对[9在LEACH中，传感器节点之间的簇的形成是基于[12]中为到基站（BS）的路由器选举的簇头。在[13，14]中簇头的选择之后是等式。（一）.图1LEACH协议。2.2. 稳定选举协议（SEP）稳定选举协议（SEP）是文献[15]中LEACH协议的改进版本。在该协议中，异构传感器节点用于无线传感器网络。该协议具有类似LEACH的操作，但是在两个不同的能量节点中。SEP算法根据每个节点的能量加权选举成为簇头的概率。这种方法确保了簇头选举是随机选择的，并根据每个节点的能量分数进行分配，从而确保了节点能量的均匀使用。在SEP中，考虑两种类型的节点（正常和高级）[16]。它是基于加权选举概率的每个节点成为簇头。这延长了稳定期，即第一个节点死亡前的时间间隔2.3. 异构传感器网络簇头中继路由协议在[17]中，提出了一种用于异构传感器网络的簇头中继路由协议。该协议使用两种类型的传感器来形成具有单个sink的异构网络：大量的低能量传感器和少量的高能量传感器。这两种类型的传感器都是静态的，并且使用一些位置服务来知道它们的位置。此外，这两种类型都均匀随机地分布在一个特定的区域。该协议将异构网络划分为簇，每个簇由较低和较高能量的传感器组成。在集群内，较低能量传感器负责感测环境并在多跳传输中将由其他较低能量传感器发起的数据分组转发到它们的集群头。另一方面，更高能量的传感器负责在它们自己的簇内进行数据融合，并且仅由簇头在多跳传输中将聚合的数据分组从其他簇头转发到接收器。唐p1-pωr mod1如果n2Gð1Þ3. 异质性的性能指标0否则其中LEACH的概念如图所示。1.一、下面列出了一些用于评估分簇协议性能的性能指标，用于WSNs的异构性[18]。网络寿命（稳定期）：它是从（传感器网络的）操作开始到第一个存活节点死亡的时间间隔每轮簇头数：瞬时度量反映了（创新的能源资源合并层技术（MLT）25将直接向基站发送从它们的集群成员聚集的信息的节点能源效率：智能能源消费的创新方式每轮的活节点数：这个瞬时度量反映了节点的总数以及尚未耗尽所有能量的每种类型的节点数。吞吐量：这包括通过网络发送的数据的总速率、从簇头发送到基站的数据速率以及从节点发送到其簇头4. 传感器网络能量模型4.1. 网络模型对于图1中的网络能量模型中的传感器节点，假设以下属性。 二、汇聚节点位于域的中心，具有足够的内存和计算能力。无线传感器网络由异构的传感器节点组成。传感器节点中有百分之几的节点比其他节点拥有更多的能量资源.让可以基于无线电信号功率来测量距离。所有的传感器节点都是固定的，并且具有有限的能量。所有节点都配备有功率控制能力，以改变它们的发射功率。无线电能量耗散模型采用了文献中的无线信道模型。因此，为了将1比特消息发送距离（kEkefsd2dd0<被部署在具有相同能量和相同头选择过程概率的两个层中。这两层为砂夹岩，属同一套，但不同组.根据LEACH公式，节点将它们的数据发送到CH，并且CH将聚合数据发送到BS。合并层概念网络与遵循相同过程的LEACH协议相比具有更好的性能。5.1. 均相合并层LEACH系统在提出的HHMTL算法中，传感器节点部署的均匀合并层LEACH系统有50个传感器节点为蓝色，另外50个传感器节点为红色。这两层传感器节点被部署和合并在同一个集合中，但在不同的组。与LEACH操作类似，在某些回合之后，传感器节点失去能量并且将成为死节点。死节点在某些回合耗尽能量后用红点表示。图2所示为基站位于（45m，45 m）和（55 m，55 m）的两层传感器节点部署。3.第三章。每个传感器节点到其CH和CH到BS的数据传输可能在两层的单独BS中消耗大量能量。两个基站分别位于（45米，45米）和（55米，55米）处。结果，通过在中心（50 m，50 m）处为每层传感器节点提供公共基站，以具有比用于两层的单独基站更少的用于数据通信的能量消耗，如图4所示。从图中可以看出，具有普通BS系统的均匀合并层LEACH在寿命提高的情况下产生了更好的能耗结果。5.2. 异构传感器网络两个不同能量水平的传感器节点形成异质结构，ETX k; d¼kE克雷奇河ampD4dP d0ð2Þ网络的新系统，例如在相同的随机环境中，较少的节点比其他节点具有更高的能量电子能量E取决于因素，如挖-信号的基本编码、滤波和读取，而放大器能量efs、d2、emp、d4取决于到接收机的距离和可接受的误码率，并且d0是距离常数。为了接收这条信息，无线电消耗：ERx（接收） d（接收） kE（接收）305. 提出了一种提高无线传感器网络生存时间的融合层节点部署技术（MLT）路由算法该算法适用于同构和异构系统的合并层节点部署技术（MLT）.在这些随机部署的传感器节点部署指定区域。能量有效的异构无线传感器网络簇头分配协议是由李涵于2010年提出的。无线传感器网络簇间路由的一种改进算法。它考虑了三种类型的传感器节点。1. 能量较低的正常节点2. 一部分传感器节点被分配比称为高级节点的节点3. 簇头节点建立TDMA调度，并将该调度发送到簇中的节点它假设所有的传感器节点均匀分布。在该协议中，簇头节点还允许每个非簇头节点的无线电组件被图2无线电能量模型●●●●●26S.G.苏西拉1009080706050403020100HOMO MER LAYER-SBS均质层沥滤节点部署10090807060504030201000102030405060708090 1000102030405060708090 100图3具有两个BS和单个BS的同质合并层节点部署1009080706050403020100HomoLEACH与Homo合并层LEACH在某些回合。图5中示出了两层的传感器节点部署，其基站位于（45 m，45 m）和（55 m，55 m）处。从每个传感器节点到其CH和CH到BS的数据传输会消耗大量的数据在两层的单独BS中的能量。两个基站分别位于（45米，45米）和（55米，55米）处。结果，通过在中心（50 m，50m）处为每层传感器节点提供公共基站，与用于两层的单独基站相比，用于数据通信的能量消耗更少示于图第六章从图中可以看出，对于两个层具有共同BS的层LEACH产量更好0 500 1000 1500 2000 2500回合数图4具有分离BS的同构合并层LEACH与具有同构LEACH协议的公共BS的比较。在所有时间关闭，除了在其传输时间，从而最大限度地减少能量消耗的个别传感器。为了降低距离基站较远的簇头节点的能量消耗，均衡距离基站较近的簇头节点的能量消耗，提出了一种簇头多跳路由算法，该算法在选择簇头节点和基站节点之间的短期节点时引入了剩余能量约束因子，并引入了最小生成树算法。该协议不仅可以减少簇头节点的发送能量消耗，还可以减少非簇头节点与簇头节点之间的通信能量消耗。仿真结果表明，该协议在网络生命周期方面优于LEACH协议。为此，我们提出的算法还实现了异构属性，以提高无线传感器网络的生命周期。例如，在合并层中，10%的节点是比（100 m，100 m）场中的普通节点部署更高能量的高级节点。这使得更好的性能比正常的LEACH异质性。在HHTML算法中，异构合并层LEACH节点部署有50个节点是蓝色的，其他50个节点是红色的。这两个层节点部署和合并在同一个集合中，但在不同的组中。在这种异质性中，10%的节点具有来自每个层的更高能量。这些节点由绿色（+）和红色（+）颜色表示。与LEACH操作类似，在某些回合之后，传感器节点失去能量并且将成为死节点。死节点在耗尽其能量能源消耗的结果与寿命的改善。6. 仿真结果6.1. 能耗分析HHMLT与原始LEACH在能量方面的性能比较如图7所示。在CH到BS的数据传输中，采用传感器节点部署的合并层技术，降低了网络的能量这是由于簇头向基站耗散的能量的增益。从图中可以清楚地看出，HHMLT可以实现比LEACH协议更好的节能。使用的模拟参数如表1所示。6.2. 网络寿命HHMLT算法通过观察每轮数据传输中存活的节点数来评估网络的生命周期。将分离BS和单个BS的整体同构异构合并层概念与同构异构LEACH协议进行了比较。最重要的观察是异构合并层单个BS对于两层LEACH概念产生能量消耗和寿命改进的最佳结果。这是清楚地描绘在图。第七章6.3. 结果分析从我们的模拟中，我们观察到以下图。第七章HHMLT比LEACH协议具有更好的节能效果。Homo LEACHHomo Mer LEACH（45，45）m，（55，5）Homo Mer LEACH（50，存活节点●创新的能源资源合并层技术（MLT）27具有单独基站的异构合并层具有单个BS的异构合并层00102030405060708090 10000102030405060708090 100图5具有单独BS和单个BS的异构合并层100908070605040302010010002000 3000 4000 5000 6000回合数图6独立BS和单个BS的异构合并层与LEACH的比较。对于两个单独的基站，与LEACH相比，HHMLT的能效性能有所改善。在异构无线传感器网络中，HHMLT延长了LEACH协议的生命周期，1009080706050403020100Hemo合并LEACH VS正常LEACHHHMLT较LEACH延长。7.结论与未来的工作提出了一种基于同质异构合并层技术（HHMLT）的无线传感器网络能量有效路由协议。HHMLT路由协议的能量效率和节点部署的合理性使得它成为无线传感器网络中令人羡慕的鲁棒路由协议。为了提高网络的寿命和性能HHMLT路由建议。0 1000 2000 3000 4000 5000 6000轮数图7同构与异构LEACH协议HHMLT采用两层融合技术，均衡了无线传感器网络中各节点的能量消耗，有助于延长网络寿命。仿真结果表明，HHMLT改进了分簇层次的稳定区域，降低了失效节点的概率，增加了网络的生命周期，这是由于MERGED层节点部署概念使整个网络中单个节点的能量消耗均衡，延长了网络的生命周期。平衡能量消耗，减少单个基站位置快速死亡节点的发生，比两个基站的合并层节点部署概念具有更好的能量效率。随着基站进一步远离网络，能量效益性能可以比LEACH提高最后，HHMLT是可扩展的，异质LEACH与异质合并层肝素浸出HEALTH Merged layer LEACH（50，50）mHEALTH Merged layer LEACH（45，45），（55，55）表1模拟参数。的参数网络面积（可变）传感器节点数（可变）参数值100米·100米100均匀节点的初始能量（可变）0.5 JE≤50 nJ/位Etx=E50 nJ/bitefs（Friss-amp）10 pJ/bits/m2eamp0.0013 pJ/bit/m4Distancedosqrt（efs/emp）EDA50 nJ/bit/signal数据包大小（可变）4000 bits异构节点的初始能量（可变）1 J肝素浸出Heavenly Mer LEACH BS（50米，50米）Heidelier LEACH BS（45m，45m）（55m，55m）Homo LEACHHomo Mer LEACH BS（50米，50米）Homo Mer LEACH BS（45米，45米）（55米，55米）存活节点活动节点●●100100909080807070606050504040303020201010●28S.G.苏西拉与LEACH相比，在非均质和均质环境中均实现了更好的性能。计划在LEACH协议的同构系统和异构系统中采用合并层技术实现节点调度。引用[1] Akyildiz IF，Su Weilian，Sankarasubramaniam，Cayirci E.传感器网络综述IEEE通信2002年8月[2] Singh Shio Kumar，Singh MP，Singh DK.无线传感器网络路由协议综述。Int J Comput Sci Eng Survey（IJCSES）2010;1（2）.[3] 帕特尔·拉杰什帕里亚尼·苏尼尔乌卡尼·维杰无线传感器网络分 层 路 由 协 议 （ LEACH ） 的 能 量 和 吞 吐 量 分 析 。 Int JComputAppl 2011;20（4）.[4] Venkataramanan C，Girirajkumar SM.无线传感器网络分层能量 和 时 延 感 知 MAC 协 议 。 Int RevComput Software 2013;8（3）：762-9.[5] 范香凝，宋玉琳。无线传感器网络LEACH协议的改进。在：传感器技术和应用国际会议; 2007。[6] 艾蕾西·阿卜杜勒·拉赫曼，刘贡新。无线传感器网络生存期仿真模型。Int J Ad hoc SensorUbiquitous Comput（IJASUC）2011;2（4）.[7] Ye M，Li C，Chen G，Wu J. EECS：无线传感器网络中的能量有效分簇方案。在：性能，计算和通信会议，2005年。IPCCC 2005年。第24届IEEE国际; 2005年4月。p. 535-40[8] 龙承志，李义兴，李义宏。一种改进的基于SEP协议的多跳通信算法。 Int RevComput Software 2012;7 （ 5 C 部分）：2779-84。[9] Heinzelman WB，Chandrakasan AP，Balakrishnan H.无线微传感器网络的应用特定协议架构。IEEE Trans Wireless Commun2002：660-70.[10] 放大图片作者：Ye W，Heidemann J.一种能量有效的无线传感器网络MAC协议。收录于：IEEE INFO-COM会议录; 2001年.[11] 吴伟杰，王伟杰，王伟杰.一种用于无线微传感器网络的专用协议体系结构。IEEE Trans Wireless Commun2002;1（4）：660-70.[12] 王志华，王志华，等.无线传感器网络节点调度算法研究.北京 ： 清 华 大 学 出 版 社 ， 2001. WSEAS Trans Commun2011;10（4）.[13] 胡兴华，罗健，夏真，毛毛。 基于LEACH的无线传感器网络簇头自适应算法; 2011 IEEE.[14] 作者声明：David Vipin，Singh Girdhari.无线传感器网络中聚类算法的簇头选择方案（http://www.SciRP.org/journal/wsn>）; 2012.[15] Khan AA，Javari N，Qasim U，Lui Z，Khan ZA. HSEP：异构感知的无线传感器网络分层稳定选举协议。COMSATS信息技术研究所; 2012年8月。[16] 巴拉·曼朱，阿瓦斯蒂·拉利特。具有异构性的高效D-SEP协议，用于最大化无线传感器网络的生命周期。国际智能系统应用杂志2012;7：1-15.[17] Shringi Sakshi，Taruna S.异构无线传感器网络中延长网络生命周期的分簇路由协议。 Int J Adv Res Comput Sci SoftwareEng 2013;3（4）.[18] Saravanakumar R，Mohankumar N，Raja J.同构和异构无线传感器网络的高效节点调度协议。Int J Distributed SensorNetworks 2013;2013. 文章ID 826482 July.