Balancing Energy Consumption to Maximize Network Lifetime in Data-Gathering Sensor Networks

Unbalanced energy consumption is an inherent problem in wireless sensor networks characterized by multihop routing and many-to-one traffic pattern, and this uneven energy dissipation can significantly reduce network lifetime. In this paper, we study the problem of maximizing network lifetime through balancing energy consumption for uniformly deployed data-gathering sensor networks. We formulate the energy consumption balancing problem as an optimal transmitting data distribution problem by combining the ideas of corona-based network division and mixed-routing strategy together with data aggregation. We first propose a localized zone-based routing scheme that guarantees balanced energy consumption among nodes within each corona. We then design an offline centralized algorithm with time complexity O(n) (n is the number of coronas) to solve the transmitting data distribution problem aimed at balancing energy consumption among nodes in different coronas. The approach for computing the optimal number of coronas in terms of maximizing network lifetime is also presented. Based on the mathematical model, an energy-balanced data gathering (EBDG) protocol is designed and the solution for extending EBDG to large-scale data-gathering sensor networks is also presented. Simulation results demonstrate that EBDG significantly outperforms conventional multihop transmission schemes, direct transmission schemes, and cluster-head rotation schemes in terms of network lifetime.     

无线传感器网络数据收集算法研究

对于无线传感器网络而言,可靠的数据收集是推进其大规模应用的关键,本文引入了移动传感器网络解决静态传感网络中的通信中断问题.针对移动传感器网络的数据收集,提出了数据收集的分类,分析了移动节点不同移动模式对网络数据收集的影响,比较了移动节点受控移动路径对比固定移动模式的优势,最后介绍了典型的移动节点受控移动的路径规划算法.     

无线传感器网络中移动协助的数据收集策略

利用移动数据收集器(mobile data collector,简称MDC)进行传感器网络中感知数据的收集,可以有效地减少传感器将数据发送到静止基站的传输跳数,节约网络的能量,延长网络寿命.此外,MDC通过循环收集传感器数据或承担数据转发的功能,避免节点间由于多跳传输引起的能量空洞(energy hole)以及节点失效造成的传输链路中断等问题.MDC的移动性也为无线传感器网络的研究带来新的挑战.研究基于移动协助数据收集的无线传感器网络结构,分类总结了近年来提出的一些典型的基于MDC的算法和协议,着重讨论了MDC在网络能量、延迟、路由和传输等方面带来的性能变化.最后,进行了各种算法的比较性总结,针对传感器网络中MDC的研究提出了亟待解决的问题,并展望了其未来的发展方向.     

基于维诺图和二分图的水面移动基站路径规划方法

水面传感器网络（Surface sensor networks,SSNs）具有节点稀疏布置的特点（节点间距离通常大于节点通信半径）,因此难以通过节点间的多跳路由汇聚数据,目前主要采用移动基站（Mobile sink,MS）收集网络中的数据,其中移动基站的路径规划是一个关键问题.该文提出一种基于维诺图和二分图的水面移动基站路径规划方法,首先利用维诺图理论生成数据收集“候选点”;然后以二分图描述候选点对网络中传感器节点的支配关系,并基于支配集理论求解出“最小有效支配集”,即可以收集网络中所有节点数据的最小的候选点集合;最后针对最小有效支配集形成最优路径.大量实验结果表明该方法可以有效地规划出水面传感器网络中移动基站的路径,不仅可以完成全网数据收集任务,而且具有路径长度短、能量效率高和节点能耗均衡的优点.     

Termite-hill: Performance optimized swarm intelligence based routing algorithm for wireless sensor networks

A wireless sensor network (WSN) is a large collection of sensor nodes with limited power supply, constrained memory capacity, processing capability, and available bandwidth. The main problem in event gathering in wireless sensor networks is the formation of energy-holes or hot spots near the sink. Due to the restricted communication range and high network density, events forwarding in sensor networks is very challenging, and require multi-hop data forwarding. Improving network lifetime and network reliability are the main factors to consider in the research associated with WSN. In static wireless sensor networks, sensors nodes close to the sink node run out of energy much faster than nodes in other parts of the monitored area. The nodes near the sink are more likely to use up their energy because they have to forward all the traffic generated by the nodes farther away to the sink. The uneven energy consumption results in network partitioning and limit the network lifetime. To this end, we propose an on-demand and multipath routing algorithm that utilizes the behavior of real termites on hill building termed Termite-hill which support sink mobility. The main objective of our proposed algorithm is to efficiently relay all the traffic destined for the sink, and also balance the network energy. The performance of our proposed algorithm was tested on static, dynamic and mobile sink scenarios with varying speed, and compared with other state-of-the-art routing algorithms in WSN. The results of our extensive experiments on Routing Modeling Application Simulation Environment (RMASE) demonstrated that our proposed routing algorithm was able to balance the network traffic load, and prolong the network lifetime.     

无线传感器网络移动簇头节能传输协议

无线传感器网络具有资源的有限性和传感器采集数据的特点,许多在传统网络中运作良好的通信协议,在一些由固定节点和移动节点组成的无线传感器网络中不能很好地管理网络和处理传感器数据。该文提出一种移动簇头的节能通信协议,使用自组织传感器簇来处理和散发数据。通过与LEACH协议的对比,证明该协议具有更好的节能性和更长的网络寿命,更适用于无线传感器网络。     

基于虚拟力的混合感知网节点部署

感知网一般是由静态的或移动的节点组成,为保证感知网的感知功能,节点应该有自部署和自修复能力.然而全部由移动传感器组成的感知网的成本太高,为保证感知网的覆盖功能和低成本,提出了一种在静态传感器节点中加入移动传感器节点的混合感知网形式.为了更好地部署这些节点,最大化覆盖待感知区域,提出了一种基于节点间虚拟力的移动节点部署方法,利用静态节点和移动节点以及移动节点之间的虚拟人工势场产生的作用力来控制移动节点的运动,使移动节点能够在较短的时间内,以较少的能量消耗到达自己合适的位置.在理论上分析了算法的可行性,用仿真实验验证了此算法的有效性,并和其他3种类似算法进行了性能比较.     

基于SDMA应用的移动Sink节点的设计与实现

静态无线传感器网络(所有节点均为静止)不可避免地存在能量空洞(energy hole)、冗余覆盖(overlap)和热点(hot spot)等问题.在无线传感器网络中引入节点的移动性来解决上述问题.移动节点可以完成数据收集和转发等功能,有效地减少静态节点数据传输的跳数,节约静态节点的能量,延长网络的寿命.实现了一个基于ARM7内核的移动汇点DataTruck,具有容量大、速度快等特点.在此基础上引入SDMA(space-division multiple access)技术,在移动汇点上加入智能天线,使得该节点能同时接收同一频率上多个静态节点传输的数据.实验表明基于SDMA技术的移动汇点能高效地收集数据,并减少数据延时.     

基于虚拟栅格的传感网能量空洞缓解方法

为延长无线传感网的生命期,提出了一种能量空洞缓解方法。网络被划分为若干虚拟栅格,以便于多跳传输。树形结构的数据上传路径则由各个簇头和移动Sink构成。此外,为缓解能量空洞的出现,Sink的移动轨迹被设计为可控的,从而有效均衡了能耗。仿真结果表明,该方法在多跳传感网络的节能方面表现较为良好。     

传感网中延迟限定的非汇聚数据移动式收集

在大规模的无线传感器网络中收集数据,不仅需要考虑节点的能量消耗,而且还需要考虑数据收集延迟.如何有效地均衡节点的能量消耗,同时最小化数据收集延迟,是一个具有挑战性的问题.为了均衡节点的能量消耗,利用移动数据收集器收集数据.以此为基础,提出一种DC-Collection算法来解决数据收集延迟和能耗的问题.首先,在网络中构造最短路径树,网络非连通时,不同的网络子图可以构造多棵最短路径树,它们构成一个最短路径树集合;其次,在每一棵最短路径树上选取部分节点作为采集节点和逗留节点,使得以采集节点为根的限高树的高度不超过h,且在每个采集节点的通信区域内至少有一个逗留节点;再次,在每棵限高树内调整树的结构,让能量高的节点承担更多的子孙节点,最大化限高树的生命周期;最后,移动数据收集器从Sink出发,遍历逗留节点所在位置收集数据,最终回到起点,并将数据发送给Sink.通过理论分析和大量仿真实验,其结果表明:与现有的数据收集协议相比,DC-Collection不仅能够均衡各节点的能量消耗从而延长网络生命周期,而且能够缩短移动数据收集器收集数据行走的路径长度,从而缩短数据收集延迟.     

基于分簇机制的移动无线传感器网络数据采集协议*

为了均衡无线传感器网络的能量消耗,提出了一种基于分簇机制的移动无线传感器网络数据采集协议。该协议中,整个网络使用网格均匀分簇,节点根据加权能量—邻居规则选出分布在簇中间区域的簇头,簇头负责收集簇内兴趣事件并进行数据融合,移动sink依次运动到簇的中心点位置收集簇内兴趣事件。仿真结果表明,该协议有效地均衡了网络的能量消耗,延长了网络的生存时间。     

具有移动sink 的无线传感器网络能量均衡分簇路由协议

提出了一种具有移动sink的无线传感器网络能量均衡分簇路由协议.将整个网络划分为若干个网格,每个网格采用簇头评判模型选出簇头,簇头负责收集簇内兴趣事件,进行数据融合后转发给移动sink.当sink在同一个网格内移动时,只需要将新位置通知当前网格的簇头;当sink移动到新的网格时,先将位置报告给新网格的簇头,然后由该簇头将位置信息分发给其他簇头.该协议能够有效地均衡节点的能量消耗,延长网络的生存时间.     

针对单区域突发流量的移动Sink路径规划

在传感器节点定期收集全网数据且单区域可能突发事件的密集型无线传感网中,如果产生区域突发事件,需要在短时间内将突发事件数据准确地发送到基站,同时也要兼顾其他区域定期产生的数据。提出针对单区域突发流量的移动Sink路径规划算法,首先将网络划分为虚拟网格,每个网格为一个簇,将节点划分到各个网格并选举簇头;然后通过TSP相关算法建立最短遍历路径, Sink节点通过该路径收集全网数据。如果某区域有突发流量产生,Sink节点将动态改变移动路径去收集数据。大量基于NS-2平台的仿真实验结果表明,该路径规划算法能动态改变路径来收集数据,均衡突发数据流量的准确性、实时性和定期产生的区域数据流量的丢包率、数据收集时延,延长网络生命周期。     

机会移动传感网中基于感知方向的数据收集

机会移动传感网中数据收集策略既要保证传输成功率、减小网络开销,也要尽量降低传感器的能量消耗,从而延长网络生命期。遵循简单实用的原则,提出了基于方向感知的数据收集策略(Data Gathering based on Perceptive Direction,DGPD)。当两个传感器相遇时,以距离它们最近的Sink节点为参照点,分别计算各自的感知方向。把感知方向作为一个重要参数来确定两个相遇传感器的消息转发路由,把消息转发给更有利于接近Sink节点的传感器,从而提高数据收集成功率,减少过多的消息转发。模拟实验结果表明,这种策略可以有效地完成数据收集,并获得较高的网络性能。     

Improved sensor network lifetime with multiple mobile sinks

A critical issue for data gathering in wireless sensor networks is the formation of energy holes near the sinks. Sensors near the sinks have to participate in relaying data on behalf of other sensors and thus will deplete their energy very quickly, resulting in network partitioning and limitation of the network lifetime. The solution that we propose in this paper is to use mobile sinks that change their location when the nearby sensors’ energy becomes low. In this way the sensors located near sinks change over time. In deciding a new location, a sink searches for zones with richer sensor energy.First, we study the improvement in network lifetime when sinks move on a predetermined path, along the perimeter of a hexagonal tiling. Two cases are considered for data gathering when sinks stop in the hexagon’s corners and when the sinks stop on multiple locations on the hexagon perimeter. This study shows an improvement of up to 4.86 times in network lifetime. Second, we design a distributed and localized algorithm used by the sinks to decide their next movement location such that the virtual backbone formed by the sinks remains interconnected at all times. Two extensions of the distributed algorithm, coverage requirement and limitation of the time-delivery requirement, are also addressed. Simulation results are presented to verify our approaches.     

传感器网络中基于簇的多路径路由协议

针对事件驱动型传感器网络的应用,提出一种基于簇的多路径路由协议CBMRP(Cluster-Based Multi-path Routing Protocol),以平衡节点能耗和提高能量效率。根据应用特点,位于事件区域的节点根据部居节点的分布情况和自身的剩余能量进行簇首竞争;然后,利用蚁群算法有效搜索多路径,并动态地选择一条路径传输数据。此外,该协议还采用一种简单的簇内调度方法,使其在满足监测精度的情况下,通过关闭冗余节点来进一步降低网络能耗。仿真结果表明,与传统协议相比,该协议具有更低的能耗和更长的网络生存期。     

EADEEG:能量感知的无线传感器网络数据收集协议

提出了一种基于簇结构的无线传感器网络数据收集协议EADEEG(an energy-aware data gathering protocol for wireless sensor networks).EADEEG通过最小化网络通信开销以及良好的能量负载平衡方法,可以有效地延长网络寿命.与以前的相关研究相比,EADEEG采用了一种全新的簇头竞争参数,能够更好地解决节点能量异构问题.此外,EADEEG也采用了一种简单而有效的簇内节点调度算法,通过控制活动节点的密度,可以在不增加额外控制开销的条件下关闭冗余节点并保证覆盖要求,因此可以进一步延长网络寿命.模拟实验证明,在节点初始能量同构和异构两种情况下,EADEEG协议都能够满足用户对覆盖率的要求,并在网络寿命上大幅度优于LEACH(low energy adaptive clustering hierarchy),PEGASIS(power-efficient gathering in sensor information systems)和DEEG(distributed energy-efficient data gathering and aggregation protocol)协议.     

基于静态和移动传感器的WSN的k-覆盖研究

针对无线传感器网络的k-覆盖问题进行了研究。首先定义一个表征网络覆盖效率的过度提供因子,并在此基础上对静态传感器网络和全移动传感器网络的k-覆盖问题进行分析,得到这两种情形下的过度提供因子以及全移动传感器网络中移动传感器的最大移动距离;进而提出一种由静态传感器和少量移动传感器构成的混合网络结构,并得到了这种网络结构下不依赖于网络大小的k-覆盖以及调度移动传感器移动的分布式移动调度算法,从而实现有效覆盖。仿真结果表明,提出的混合网络结构不仅能够实现精确的k-覆盖,而且相比于其他k-覆盖算法,有更高的覆盖率。     

能量有效和延迟敏感的无线传感器网络数据收集协议

利用移动Sink进行数据收集是无线传感器网络数据收集的一个趋势。本文提出一种能量有效、延迟敏感的移动数据收集协议（Energy—efficient and Delay—Sensitive Data Gathering Protocol for Wireless Sensor Networks,简称EEDS）。EEDS中,移动Sink在网络中穿行,从代理节点收集传感器节点监测到的数据。为了减少数据收集的延迟,采用类TSP（Traveling Salesman Problem）的解决方法,确保移动Sink在各个代理节点中收集数据时,始终选择一条最短路径在网络中行走。模拟仿真表明,提出的数据收集协议在延长网络生命周期以及减少数据收集延迟方面都有显著的优势。     

权衡能耗与延迟的数据融合算法研究

在无线传感器网络的路由协议中考虑数据融合能极大地提高网络生存期性能,但随之会带来网络可靠性下降、数据传输延迟增加等问题。设计一种新的可权衡能耗与延迟的数据融合算法ECLT,通过二级模糊综合评判的方式来调整原有的路由信息,增加数据传输路径间的交叠,以提高数据融合度、延长网络生存期;同时,传感节点在转发数据的过程中还可根据本身状态来动态调整进行数据融合的等待时间,从而在均衡网络中各节点能耗的同时减少了数据传输延迟。经仿真验证,该算法能在极大的延长无线传感器网络使用寿命的同时降低数据的平均传输延迟。