在 IEEE 802.15.4 无线传感器网络中通过节能路由来增加无线传感器寿命

Increasing Network Lifetime Of An IEEE 802.15.4 Wireless Sensor Network By Energy Efficient Routing

摘要 在一个多跳 802.15.4 无线传感器网络交通量是

处理的中间节点增加的数据相当重要的问题。 这个问题是被称为 reachback 问题。在这工作中我们专注于一个更基本的含义 reachback 对802.15.4 为基础的无线传感器网络的网络寿命。本文提出了联合尽量减少两个网络寿命指标，先前的建议独立使用，更准确的特点程度的延长无线传感器网络的寿命。该方法使用的 K - 最短路径算法简单和基于业务率失真 (RD) 理论动态规划法，以增加无线传感器网络运行寿命。

关键词： IEEE 802.15.4 ；无线传感器网络；节能

路由。

Ｉ。写作背景和动机

无线传感器网络由大量便宜的，空间分布的收集传感器读数的装置组成，其工作环境恶劣。这是人所共知的限制，有限的电池寿命和一旦使用完则无法再补充了。在一般的通信，传感器节点和一个基地站的地方，可以采取直接在一个单跳或多个跳。在多跳通信模型的传感器节点报告数据到一个基地站和合作，提出的数据包从其他传感器节点位置，远离基地台。　

这样，许多到一沟通模式带来了什么是形容为reachback 问题，网络在一般和 wsns ，尤其是（塞尔韦托 [ 2 ] 界定 reachback 渠道，多跳 wsns 与移动基站。不过，我们指以多跳渠道，与移动和固定的基地台作为 reachback 渠道） 。广义 reachback 的问题，适用于任何网络服从一，许多到一通信模型。一些传感器将坐落远离基站比别人。这种传感器不能直接沟通，与基地台和聘请多跳通信将数据发送到基站的使用中介传感器。

流量从边缘的传感器网络，对基地站。因此，交通量转达了由节点接近基站是显着高于节点的更远。因此，节点位于接近基站是消费能力较高的费用。最终，这些节点将一发不可收拾电池电源迟早比更遥远的节点和模具。一旦所有节点直接的沟通范围内的基地台停止运作，该网络将经历一个分区与基地台完全切断从其余的 wsn 。

在本文中，我们处理的不良影响，该 reachback 问题上一生的 IEEE 802.15.4 的 wsns追求一个优化的框架植根于更基本的学科，如信息理论 [ 20 ] 。特别是，我们的目标是找出最佳wsn 路由的所有节点在一个特定的传感器网络由以下一 jointoptimization 的做法，是灵感的业务率失真（路）的理论意义 [ 22 ] -[ 2 5] 。根据业务路的理论，一个编码器有效地降到最低均率 R 和水平的失真 d造成的代表性，随机来源由一个扭曲的（量化）版本的源。

II. 网络模型及 IEEE 802.15.4标准概述

泛协调员指派发展筹资识别 0 和履行的作用，基地台。通用当量为潘协调员，协调员和设备，在 IEEE 802.15.4 的标准是基地台， 簇头 clusterhead和传感器，并会互换使用。唯一的限制上的立场基站是，它必须是在通信范围内至少有一个簇头 clusterhead。这是进一步假设指出，所有 clusterheads内部沟通，各种传感器，该传感器的联营公司与一个提供最低成本的联系。

标准规定，兼容设备应当能够调整发射功率之间的最低 -3 dBm 的和允许的最大传输功率所指定的本地监管机构。这意味着成本分配到一个通信链路，给出了一个链接成本函数这将是一个功能的传感器和资源（能源）的成本超过通信， [ 28 ]介绍的一条有效途径代码和沟通的能源地图的制作使用的事实，能源的消耗率是空间相关，在传感器领域。在 [ 29 ] Mini, Loureiro 和 Nath目前的预测为基础的方法使用Markov模型，以大幅降低的频率讯息给协调员，必须保持能源地图。

III. 问题定式化 在以显着延迟网络分区和非均匀分布的损失范围，所

有节点都被认为是同样重要的。我们想，以确保没有节点，消耗能源的速度显着高于其他节点 ; 同时，保持平均电力消费率低，即双方的差异，平均电力消费率在传感器节点应尽量减少。

先前的建议指标的寿命 wsns 包括能源消耗量每包，时间，网络分割，差额在节点功率水平，成本每包，最高节点的成本等等。有兴趣的读者在背后的理据使用这些数量作为指标，是指 [ 13 ] [ 14 ] 。 SPF级算法，只有尽量减少Ｅ，不过，这第一顺序统计本身并不提供给我们的任何信息模式的能源消费，这是首要的原因，网络分割发生

这个问题可以作为制订预算约束的分配问题：尽量减少 σe2 是受约束的意思表示，能源消耗率 E 是少于一些最大的财政预算案值Ｅ budget （ 1 ） ，Ｅ是节点i 的能源消耗率。∀ l≤i≤NFFD ，而 NFFD 是数字协调者。

　在文献 [ 14 ]Ｓ ingh ， Woo 和 raghavendra 形容独立的最小化，只有差异的节点功率水平，延长寿命的一个网络。

我们提出的网络寿命最大化采用 k - 最短的简单路径（ nelmuk ）算法，它采用 K- 最短路径算法简单，再加上业务率失真（或 RD-like ）算法，大大缩短了计算复杂性。

这是类似，以尽量减少扭曲的措施d给予率预算约束的财政预算案Ｒ ≤ Ｒ budget下的 RD框架。因此，我们建议 nelmuk 算法是基于一个业务的 RD -框架，我们努力选择 snlm 的运行点，提供最低实现σE2同时保持 E ≤Ebudget

IV. NeLMUK ：采用 k - 最短的简单路径使网络寿命最大化 A ：寻找计算复杂性的最佳解决方案 类似于业务 RD 的问题，在信源编码 [ 20

] ，我们 snlm优化可以映射到一拉格朗日优化的框架。这一提法是可行的，如果有一个最优的元组 [Ｅ ,σE 2] 。这种E = Ebudget 即一个最佳 /最小整体能源可以找到这样的，这正是等于预算约束。

B: 减少复杂性的动态编程 为了减少计算复杂性寻找船体的 snlm 地区，

我们使用的动态规划（民主党）的做法类似，以所采用的方法是在确定船体的 RD 地区为最优量化的设计。除了复杂性超过详尽无遗的搜索所有的经营点。 DP的优势，确定最佳操作点，不在于对船体的 snlm 地区作为拉格朗日优化方法将需要 σE 2 在一个预算约束 Ebudget内。

C: K - 简单的最短路径减少的复杂性 　在本节中，我们描述的另一种方法，以大幅降低的复杂性，民主党中描述的方法在前面的一节。复杂的分拣过程中，单是显着的。这是其次的 DP执行。很明显，显着降低复杂性可以实现，如果名单排序的路线是保持每个协调员可缩短。这一步，可以合理的事实，即路线，进一步下降的名单有更高的路径精力和可能不会有任何使用，因为他们会造成 E超过Ｅ budget 。

缩短的名单，我们的路径地图的问题，人数减少的路径在每个协调员的名单，以著名的变体类最短路径问题在网络编程。最短路径问题是一个经典的网络编程的问题已得到了广泛的研究，在数以百计的其他参考。该算法需要一个输入图，来源及目的地。输出组成的名单的 K简单的路径，从协调员泛协调员，以递增顺序排序的路径成本。视乎所选择的 K ，可以显着低于在先前的选项，其中利用一切可能的路径而不是

V. 仿真结果和分析 首先，我们比较 nelmuk 的时间复杂与详尽的搜索。由于该望而却步的复杂程度，详尽无遗的搜索，我们开始与一 802.15.4 无线个域网小到足以让我们产生整个 snlm 地区在合理的时间内。我们生成一个泛同一个随机拓扑构成的只有协调员。证明产生的复杂性的减少，我们双方， snlm 地区的船体采用我们建议的方法和整个地区的 snlm 的基础上。既然我们有没有提出任何限制，最高的传输范围传感器节点所产生的基于图的代表性，这是一个完全连通图。

我们选择 k 这样的数目简单的路径，从每个协调员之间， 5 和 20 。运行时间为我们的算法对一 wsn与上述参数是不到 10秒钟。图 3是一个策略的一部份的 snlm 地区连同一估计，其船体得到我们的DP的方法。

曲线开始在这一点得到了从 SPF级网络和称为SPF级的经营点。我们观察到的曲线如下一般的抛物形状为所有的模拟情景。最低点，对曲线是最低的差异点。相当于网络制作这一点是最小方差网络。我们可以看到在图3我们的估计，船体如下实际船体所不欲，最小方差点相当密切。为了深入研究的影响，不同的价值观的 K 我们产生船体估计，而不同吧。我们期望更高价值的 K会产生更好的结果，并采取我们更接近船体的 snlm 地区取得的策划可能的组合

由于正在审议的只是稀少，由此产生的船体估计不同的价值观的 K几乎如出一辙才到达最小方差点，如图 4 所示。

VI. CONCLUSIONS结论 我们介绍了 NeLMUK 算法，该算法采用

了一种运算方法来减小寻求最优的一套路线的复杂性，最大限度地网络的寿命，共同减少均值和方差的电力消耗率。还引入了 kssp算法。我们还表明，一个相对微不足道的Ｅ的增加，能产量显着减少，得出结论认为， snlm性能优异，可以延长该网络的寿命。

谢谢！