SPEAR：无线传感器网络的能量感知路由传感传感器协议

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1、SPEAR：无线传感器网络的能虽感知路由传感传感器协议摘要：经典的分簇算法如LEACH,在簇首的推举时，没把节点能量的分布考虑在内，具有一定的随机性。当节点能量分布不均匀时就会导致状态的不稳定。在本文中我们提出一个分层簇协议SPEAR,给出一个口适应的、新型的概念范式，应用于基于能量公布或空间分布的簇首推举屮。因为它的不均匀感知特性，SPEAR与一些忽视不均匀的协议如LEACH相比，得到更长的稳定阶段，因此得到更高的平均吞吐量及更长的网络寿命。关键词：无线传感器网络，能量，分簇，寿命、LEACH、SPEAR1。引言传感器网络是一些

2、小的、低功耗的传感器纟R成的密集型无线网络，这些传感器布置在物理现象的旁边，进行数据采集及传输。传感器网络已广泛应用在军事、生物及科研上。因连接传感器节点的无线链路上的有限的能量、计算能量及带宽，传统用于网线的及现有的路市办议不适合川于无线传感器网络。路由I办议的设计FI标为低时延、能量效率高、可靠。这些限制及设计目标为WSN的路由方案的选择捉出一个独特的问题。本文给出一个WSN的路由挑战综述，在第二节提出出能量感知、有效通信的需要性。在第三节讨论我们提出的算法，第四节讨论仿真模型、工具及度量来评估协议的性能。第五节给出未来研究的

3、建议及方向，第六节总结。2。相关研究分层协议符合WSN本质的设计冃标。但大部分分层协议都会因一些工作在高层的节点的死亡而遇到失败。MIT-sZu-AMPS项目着重创新出在系统的全部分层优化能蜃的方法。LEACH通过随机轮换当簇首解决这个问题。主要的要求(必须在事件驱动模型中满足，如物体的检测及跟踪)是容错性、扩展性、有限带宽的有效便用及支持非均质最终支持简易及自组的应用。当一些较早的分层协议如LEACH在一定程度上满足前三个耍求时，第四个耍求仍然是一个开放性问题。我们提出的协议，SPEAR通过使用一个能量感知决定簇首推举的方案，充

4、分地满足这个要求。3。SPEAR协议在可用的分层路由亦议中，LEACH使用动态分簇方案进行节点的能量负载分配，从而大大改进了网络寿命及吞吐量的性能。然而LEACH协议因为随机簇百推举方案而在非均匀的情况下表现的性能不那么好。仿真表明因为簇首的随机推举，簇首在应用区域里并不是平均分布的。在我们的SPEAR协议屮，我们提出一个相似的分簇方案。不过当节点分布不均匀时，由能量感知引导簇首的推举从而实现可扩展性。在更深入的协议里，簇首的推举是基于阀值距离的，也确保了簇首的不均匀分布。这种协议在设置两个簇首间的最小距离，导致节点能量分布不均匀

5、。网络模型的假设与LEACH协议体系一样。SPEAR协议的工作有两个阶段：Ao建立阶段一旦基站通过一个广播信号启动了建立阶段，每个节点都会用与知的可用的资源如能量、信道模型进行初始化。每个节点都记下从基站收到的信号的强度，然后建立一个堆栈。堆栈的入口数量与节点的能量级别成反比。T=round(z*VE)(1)其屮z是由所使用的换件的分辨率所决定的比例，E是能量感知节点的瞬时能量级别。在每个吋间单位Tj里，节点的堆栈入口是膨化的。这导致了能量级最大的节点的堆栈最快用完。这里节点向基站广告一个请求成为簇头，请求里.包含它的能量级别及一

6、个随机数。这个广告被相邻的节点记卜•以作进一步借鉴。当节点发送请求的时候，也侦听在阀值距离dth内的节点的请求。如果发生冲突，每个广播的节点都会用传统的回退程序进行回退。这个允许一个簇首分布不均匀的能量感知簇首推举方案。当簇首被推举出來后，簇就形成了。那些随机数被较早注册的节点就加入到簇首中。在LEACH路由协议里，簇里进行TDMA调度。对以看到阀值ckh的选择对协议的性能有直接影响。如果每个传感器节点的足迹可人概为一个圆，有k个簇工作在MXM的区域里，有kX兀Xr2=MXl(2)Orr=V(MXM)/(kXn)⑶现在dth可以

7、取kl*r,其屮kl从1变化到2。问题是非均匀传感器网络的初始化配置。随着网络的运行，各种命令应用在每个节点里，特别是事件驱动器网络，使节点能量分布更不均匀。在研究过程中，发现用于802.11WLAN标准的IFS的一个修改版本比较冇效。本文把这个方案作为一个双音回退战略來捉出。在提出的模型里，当一个堆栈满了之后，冲突就会在建立阶段的传输过程中发工。当多于一个节点有相同的能量级时，这个问题升级，岀现同吋传输。我们提出用对偶传输机制。节点分为主动节点和被动节点。那些还在运行堆栈的是主动节点，完成堆栈的就是被动节点。在给定的时间内，所有

8、主动节点比被动节点能最能小。它们发出一个刚好可以到达阀值距离的广告。接收到的节点通过广告里的一个设置位可以判断出是否第一个或第二个传输。如果是第一个传输，所有阀值距离上的节点重设它们的堆栈。所有被动节点带着一个计时器，运行随机的回退机制。回退计时值