[论文解读] EDDEEC: Enhanced Developed Distributed Energy-Efficient Clustering for Heterogeneous Wireless Sensor Networks

Nadeem Javaid, Talha Naeem Qureshi+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2013

Energy Efficient Wireless Sensor Networks参考文献 10被引用 24

一句话总结

该论文提出EDDEEC，一种增强型分布式节能聚类协议，适用于异构无线传感器网络，可根据剩余能量和节点类型动态调整簇头选举概率。通过引入自适应能量平衡阈值，EDDEEC延长了网络寿命和稳定期，相较于DEEC、DDEEC和EDEEC，在存活节点数和发送至基站的数据包数量方面表现更优。

ABSTRACT

Wireless Sensor Networks (WSNs) consist of large number of randomly deployed energy constrained sensor nodes. Sensor nodes have ability to sense and send sensed data to Base Station (BS). Sensing as well as transmitting data towards BS require high energy. In WSNs, saving energy and extending network lifetime are great challenges. Clustering is a key technique used to optimize energy consumption in WSNs. In this paper, we propose a novel clustering based routing technique: Enhanced Developed Distributed Energy Efficient Clustering scheme (EDDEEC) for heterogeneous WSNs. Our technique is based on changing dynamically and with more efficiency the Cluster Head (CH) election probability. Simulation results show that our proposed protocol achieves longer lifetime, stability period and more effective messages to BS than Distributed Energy Efficient Clustering (DEEC), Developed DEEC (DDEEC) and Enhanced DEEC (EDEEC) in heterogeneous environments.

研究动机与目标

• 解决异构传感器网络中节点间能量消耗不均的问题，特别是高能节点被过度用作簇头的情况。
• 克服现有协议（如DEEC、DDEEC和EDEEC）在三级异构网络中的局限性，这些协议因持续过度惩罚高级节点和超级节点，导致公平性不足。
• 通过引入动态能量阈值，使剩余能量低于临界水平时各类节点的簇头选举概率趋于均等，从而提升网络稳定性和寿命。
• 通过平衡普通、高级和超级节点之间的能量负载，优化大规模、能量受限的WSN中的聚类效率。
• 通过自适应、能量感知的簇头选择机制，实现异构WSN部署中更高的数据交付可靠性和更长的运行寿命。

提出的方法

• 提出一种改进的簇头（CH）选举概率函数，根据剩余能量和初始能量水平，对普通、高级和超级节点进行差异化处理。
• 引入基于阈值的能量水平 $ T_{absolute} = 0.7E_0 $，当能量低于此水平时，所有节点类型的簇头选举概率相等，以防止对高能节点的过度惩罚。
• 采用加权公式动态调整簇头选择概率，综合考虑剩余能量 $ E_i(r) $、网络平均能量 $ ar{E}(r) $ 以及节点类型特异性系数（a=2.0，b=3.5）。
• 使用基于轮次和节点资格的动态簇头阈值函数 $ T(s_i) $，随时间调整以确保簇头分布均衡。
• 利用基于能量和距离模型推导出的最优簇数 $ k_{opt} $，以最小化每轮总能耗，提升网络效率。
• 采用混合能量模型，设置不同能量等级：普通节点（0.5J）、高级节点（2.0倍）、超级节点（3.5倍），以模拟真实的异构WSN。

实验结果

研究问题

• RQ1 在三级异构WSN中，所提出的EDDEEC协议相较于DEEC、DDEEC和EDEEC，在网络寿命和稳定期方面有何改进？
• RQ2 剩余能量阈值 $ T_{absolute} $ 对不同节点类型在簇头选择中的公平性和能量平衡有何影响？
• RQ3 EDDEEC相较于现有节能聚类协议，能在多大程度上减少早期死亡节点的数量？
• RQ4 EDDEEC中的自适应簇头选举机制如何提升大规模WSN中的数据交付可靠性和能效？
• RQ5 在 $ T_{absolute} = zE_0 $ 中，$ z $ 的何种取值能最优提升网络性能，包括首次出现死亡节点的时间和总网络寿命？

主要发现

• EDDEEC将网络首次出现死亡节点的时间延长至1717轮，显著优于DEEC（969轮）、DDEEC（1355轮）和EDEEC（1432轮）。
• EDDEEC的网络寿命达到8638轮，与EDEEC持平，但显著优于DEEC（5536轮）和DDEEC（5673轮）的总运行时长。
• EDDEEC向基站发送的数据包数量最多，表明其在数据交付效率方面优于DEEC、DDEEC和EDEEC。
• 由于各类节点间能量消耗更加均衡，EDDEEC的稳定期相比EDEEC提升了20%，相比DEEC提升了40%。
• 通过仿真确定，$ z = 0.7 $ 是 $ T_{absolute} $ 的最优取值，可在三级异构网络中实现公平性与性能的平衡。
• EDDEEC通过在剩余能量低于初始普通节点能量70%（即 $ 0.7E_0 $）时使各类节点的簇头选举概率相等，有效防止了高能节点的过度使用。