[论文解读] Energy Efficient Clustering and Routing in Mobile Wireless Sensor Network

Getsy S. Sara, R Kalaiarasi+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2010

Energy Efficient Wireless Sensor Networks参考文献 13被引用 13

一句话总结

本文提出一种用于移动无线传感器网络（MWSNs）的能量高效聚类与多路径路由协议（E2RP），通过基于剩余能量、低移动性和高传输范围的能源感知（EA）机制选择簇头。仿真结果表明，与AODV相比，E2RP在分组交付率和网络寿命方面均有显著提升，同时由于动态链路中断导致的路由重新发现次数减少，能量消耗也更低。

ABSTRACT

A critical need in Mobile Wireless Sensor Network (MWSN) is to achieve energy efficiency during routing as the sensor nodes have scarce energy resource. The nodes' mobility in MWSN poses a challenge to design an energy efficient routing protocol. Clustering helps to achieve energy efficiency by reducing the organization complexity overhead of the network which is proportional to the number of nodes in the network. This paper proposes a novel hybrid multipath routing algorithm with an efficient clustering technique. A node is selected as cluster head if it has high surplus energy, better transmission range and least mobility. The Energy Aware (EA) selection mechanism and the Maximal Nodal Surplus Energy estimation technique incorporated in this algorithm improves the energy performance during routing. Simulation results can show that the proposed clustering and routing algorithm can scale well in dynamic and energy deficient mobile sensor network.

研究动机与目标

• 为解决由于节点移动性和有限电池资源导致的移动无线传感器网络（MWSNs）中的能量效率挑战。
• 减少因频繁拓扑变化和路由重新发现导致的网络开销与能量耗散。
• 通过基于剩余能量、低移动性和最优传输范围的簇头选择，延长网络寿命。
• 通过结合剩余能量动态路径选择的混合多路径路由机制，提升路由可靠性和能量效率。
• 通过避免过度使用低能量传感器，最小化关键节点的过早能量耗尽。

提出的方法

• 网络被划分为正方形区域（街区），融合节点（簇头）根据剩余能量、移动性度量和传输范围进行选择。
• 计算虚拟ID（VID）：VID = 剩余能量 / 街区中节点数量，以优先选择潜在的融合节点。
• 剩余能量通过能量模型估算：eij = Eelec + Eamp * dij^α，其中Eelec = 50 nJ/bit，Eamp = 100 pJ/bit/m²。
• 路由协议采用混合方法，通过RREQ和RREP进行路由发现，维护按剩余能量降序排列的多路径路由列表。
• 源节点选择剩余能量最大的路径进行数据转发，确保负载均衡与能量节约。
• 路由表结构包含多条路径，每条路径包含下一跳、跳数、就绪状态及每条路径的最大剩余能量，确保无环且自适应的路由。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在MWSNs中优化簇头选择，以在最小化能量消耗的同时延长网络寿命？
• RQ2 结合剩余能量和移动性度量在多大程度上能提升移动传感器网络中的路由稳定性和能量效率？
• RQ3 混合多路径路由协议能否在节点移动环境下减少路由重新发现并提高分组交付率？
• RQ4 与传统协议AODV相比，所提出的能源感知（EA）选择机制在能量效率和网络寿命方面表现如何？
• RQ5 聚类对动态、能量受限的移动传感器网络中多路径路由性能有何影响？

主要发现

• 所提出的E2RP协议在低至中等移动性（最高20 m/s）条件下，分组交付率高于AODV，交付率接近100%。
• 仿真结果证实，与AODV相比，E2RP显著延长了网络寿命，表现为首次节点死亡时间延迟。
• 基于剩余能量的路径选择减少了能量不平衡，防止了低能量节点的过早耗尽。
• 通过维持多条可行路径，减少了频繁路由重新发现的需求，提高了对移动性引起的链路中断的鲁棒性。
• 能量感知聚类与多路径路由的结合带来了更好的负载均衡和更低的整体能量耗散。
• 所提出的聚类技术有望通过延长融合节点的寿命进一步提升性能，尽管聚类的完整仿真尚待进行。