無線傳感器網(wǎng)絡的動態(tài)拓撲能量有效成簇算法
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3．5數(shù)據(jù)傳輸
在傳感器網(wǎng)絡中，簇內數(shù)據(jù)傳輸為單跳的，在簇首和各成員節(jié)點之間進行，而對于簇頭到Sink節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸，LEACH算法及一部分改進算法是采用簇頭到匯聚節(jié)點的單跳傳輸，這種方法使簇頭使用了多徑衰落的通信模型(文獻[3])，能量消耗很大，本文采用基于距離因子的多跳傳輸方式。由于采用多跳通信，能量消耗為自由空間模型，而且消息在傳送過程中進行了多次數(shù)據(jù)融合，使各級數(shù)據(jù)轉發(fā)中的數(shù)據(jù)量都有所減少，也減少了通信能耗。網(wǎng)絡所有節(jié)點都存儲有根據(jù)接收到Sink節(jié)點的信號確定的自己到Sink的距離值，這一距離值在第一輪成簇前就已確定，我們稱之為距離因子。當每個簇的簇內數(shù)據(jù)融合進行之后，就會開始各簇到Sink的多跳數(shù)據(jù)傳輸。
首先，發(fā)送數(shù)據(jù)的簇頭以確定的半徑RD發(fā)送出消息，消息報文中還包含了此簇頭的距離因子，周圍的簇頭收到消息后，各簇頭將些距離因子與自己的進行比較，若發(fā)現(xiàn)其距離因子小于報文中的距離因子，且自己的剩余能量值不低于簇間傳輸所需的最小能量閾值Emin后，確定自己將此數(shù)據(jù)進行轉發(fā)，將消息報文中的距離因子替換為其距離因子后以半徑RD繼續(xù)轉發(fā)，之后傳輸過程相似。由于轉發(fā)消息的簇頭的距離因子小，從而其離Sink節(jié)點更近，這樣消息報文在簇間就以多跳的最優(yōu)路徑傳向了匯聚節(jié)點。傳輸能量開銷得以最小化。
3 仿真研究
NS2(Network Simulator 2)是著名的用于網(wǎng)絡研究的離散事件仿真工具，里面包括了大量的用于有線和無線、本地連接或通過衛(wèi)星連接進行TCP協(xié)議、路由算法、多播協(xié)議仿真的網(wǎng)絡協(xié)議、調度器和工具。NS的核心部分是一個離散事件模擬引擎。NS中有一個“調度器”(Scheduler)類，負責記錄當前時間，調度網(wǎng)絡事件隊列中的事件，并提供函數(shù)產生新事件，指定事件發(fā)生的時間。在仿真過程中，將執(zhí)行相關算法，并且將網(wǎng)絡運行的具體情況寫到文件當中，包括數(shù)據(jù)分組的傳遞情況、節(jié)點的能量狀況等，這些文件對算法之間進行比較有很大的作用。本文在仿真場景設置方面，使用了如下場景設置方案：
(1) 仿真區(qū)域大小為(100*100)。
(2) 所有節(jié)點的初始能量相同。
(3) 傳感器節(jié)點在區(qū)域(100*100)內隨機分布。
仿真開始時，網(wǎng)絡內傳感器節(jié)點的分布狀態(tài)如圖1所示。
仿真結束之后得到了LEACH和DTEE算法生成的相關文件，使用awk程序提取算法生成的相關文件中的關鍵數(shù)據(jù)，然后利用gnuplot工具將這些數(shù)據(jù)顯示于圖表上，得到兩個算法相比較的曲線圖如圖2所示。
從圖可以看出在仿真過程中，節(jié)點的能量會隨著時間的推移逐漸減少，直至節(jié)點能量耗盡而死，所以在各個時段傳感區(qū)內仍存有能量的節(jié)點數(shù)是不同的，圖對兩種算法在不同時段仍然存活的節(jié)點個數(shù)做出了比較。首先，LEACH算法在第120秒時第一個節(jié)點出現(xiàn)了死亡，而DTEE是在130多秒時第一個節(jié)點死亡。從節(jié)點存活數(shù)目圖可以看出，在300秒左右，LEACH算法的存活節(jié)點數(shù)已經(jīng)為0，而DTEE算法仍有8個節(jié)點能量并未耗盡，直到320秒左右，DTEE算法的節(jié)點才全部死亡，所以DTEE算法中節(jié)點的生命周期比LEACH提高了約6%，可以看出，DTEE算法由于采用多跳的路由方式，網(wǎng)絡生命周期得到了一定程度的延長。
本文通過采用引入能量因子的低復雜度簇頭選擇算法降低了網(wǎng)絡通信能耗，在數(shù)據(jù)傳輸上通過多跳方式進行信息路由。仿真結果顯示,改進后的DTEE協(xié)議能更好地平衡網(wǎng)絡負載、節(jié)約能量消耗且具有更高的能量使用效率，對分簇算法的的路由協(xié)議實現(xiàn)了優(yōu)化。
仿真結束之后得到了LEACH和DTEE算法生成的相關文件，使用awk程序提取算法生成的相關文件中的關鍵數(shù)據(jù)，然后利用gnuplot工具將這些數(shù)據(jù)顯示于圖表上，得到兩個算法相比較的曲線圖如圖2所示。
從圖可以看出在仿真過程中，節(jié)點的能量會隨著時間的推移逐漸減少，直至節(jié)點能量耗盡而死，所以在各個時段傳感區(qū)內仍存有能量的節(jié)點數(shù)是不同的，圖對兩種算法在不同時段仍然存活的節(jié)點個數(shù)做出了比較。首先，LEACH算法在第120秒時第一個節(jié)點出現(xiàn)了死亡，而DTEE是在130多秒時第一個節(jié)點死亡。從節(jié)點存活數(shù)目圖可以看出，在300秒左右，LEACH算法的存活節(jié)點數(shù)已經(jīng)為0，而DTEE算法仍有8個節(jié)點能量并未耗盡，直到320秒左右，DTEE算法的節(jié)點才全部死亡，所以DTEE算法中節(jié)點的生命周期比LEACH提高了約6%，可以看出，DTEE算法由于采用多跳的路由方式，網(wǎng)絡生命周期得到了一定程度的延長。
本文通過采用引入能量因子的低復雜度簇頭選擇算法降低了網(wǎng)絡通信能耗，在數(shù)據(jù)傳輸上通過多跳方式進行信息路由。仿真結果顯示,改進后的DTEE協(xié)議能更好地平衡網(wǎng)絡負載、節(jié)約能量消耗且具有更高的能量使用效率，對分簇算法的的路由協(xié)議實現(xiàn)了優(yōu)化。
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