[论文解读] A Fault Tolerant Trajectory Clustering (FTTC) for selecting cluster heads inWireless Sensor Networks

Hazarath Munaga, J. V. R. Murthy+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2011

Energy Efficient Wireless Sensor Networks参考文献 26被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种容错轨迹聚类（FTTC）算法，用于在无线传感器网络（WSNs）中选择簇头，以缓解热点问题并延长网络寿命。通过基于流量模式选择簇头并实施周期性轮换，FTTC减少了能量不平衡，提高了容错能力，在100个节点的仿真中，相比EECR，网络寿命延长了90%，数据交付率提高了75%。

ABSTRACT

Wireless sensor networks (WSNs) suffers from the hot spot problem where the sensor nodes closest to the base station are need to relay more packet than the nodes farther away from the base station. Thus, lifetime of sensory network depends on these closest nodes. Clustering methods are used to extend the lifetime of a wireless sensor network. However, current clustering algorithms usually utilize two techniques; selecting cluster heads with more residual energy, and rotating cluster heads periodically to distribute the energy consumption among nodes in each cluster and lengthen the network lifetime. Most of the algorithms use random selection for selecting the cluster heads. Here, we propose a Fault Tolerant Trajectory Clustering (FTTC) technique for selecting the cluster heads in WSNs. Our algorithm selects the cluster heads based on traffic and rotates periodically. It provides the first Fault Tolerant Trajectory based clustering technique for selecting the cluster heads and to extenuate the hot spot problem by prolonging the network lifetime.

研究动机与目标

• 解决无线传感器网络中靠近基站的簇头因能量快速耗尽而产生的热点问题。
• 通过智能簇头选择减少簇头间能量不平衡，从而延长网络寿命。
• 通过维护优先排序的备用簇头列表实现容错机制，以应对故障。
• 通过基于轨迹的聚类最小化冗余传输，从而扩展数据聚合的优势。
• 在网络寿命和数据交付效率方面优于现有协议（如EECR）。

提出的方法

• 基于流量模式和能量水平选择簇头，而非随机选择，以实现能量消耗均衡。
• 实施簇头周期性轮换，以在网络中分布能量负载。
• 故障容错机制在基站维护优先排序的备用簇头列表。
• 算法使用能量模型计算传输能量：$E_{1}$ 为簇头到基站的传输能量，$E_{2}$ 为成员到簇头的传输能量。
• 通过最小化总能量耗散推导出最优簇数 $M$，公式为 $M = A\sqrt{\frac{N}{2\pi}\frac{\varepsilon_{1}}{\varepsilon_{2}d_{1}^{4}-E_{Tx}}}$。
• 数据聚合减少了冗余，降低了通信成本，从而减少整体能量消耗。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何优化簇头选择以减少能量不平衡并延长WSN寿命？
• RQ2 基于轨迹的聚类在多大程度上优于随机选择或仅基于能量的簇头选择？
• RQ3 容错的簇头故障切换机制能否提升WSN的网络韧性？
• RQ4 如何确定最小化总能量耗散的最优簇数？
• RQ5 FTTC在网络寿命和数据交付方面与EECR相比表现如何？

主要发现

• 与EECR相比，FTTC使网络寿命延长了90%，节点存活时间从175轮提升至350轮。
• 成功传送到基站的数据包总数从EECR的40,000个增加到FTTC的70,000个。
• 通过解析推导出最优簇数 $M$，以最小化总能量耗散，平衡了传输与数据聚合成本。
• 通过轨迹聚类选择的簇头减少了冗余数据传输，降低了通信成本与能量消耗。
• 容错机制通过预先排序的备用簇头实现快速恢复，保障了网络连续性。
• 所提方法使主簇头的预期寿命（368轮）高于EECR，且在不同节点分布下表现稳定。