[论文解读] Hybrid DEEC: Towards Efficient Energy Utilization in Wireless Sensor Networks

M. Khan, Nadeem Javaid+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2013

Energy Efficient Wireless Sensor Networks参考文献 16被引用 19

一句话总结

本文提出 Hybrid-DEEC（H-DEEC），一种用于异构无线传感器网络（WSNs）的混合链式与簇状路由协议，通过基于剩余能量选择簇头（CHs）并借助β选举的中继节点实现多跳通信，从而提升能量效率。改进的 MH-DEEC 变体优化了链路构建方式，在能量利用方面实现更优性能，相比现有协议展现出更长的网络稳定期与生命周期。

ABSTRACT

The clustering algorithm are considered as a kind of key technique used to reduce energy consumption. It can help in increasing the stability period and network life time. Routing protocol for efficient energy utilization should be designed for heterogeneous Wireless Sensor Networks (WSNs). We purpose Hybrid-DEEC (H-DEEC), a chain and cluster based (hybrid) distributed scheme for efficient energy utilization in WSNs. In H-DEEC,elected Cluster Heads (CHs) communicate the Base Station (BS) through beta elected nodes, by using multi-hopping. We logically divide the network into two parts, on the basis of the residual energy of nodes. The normal nodes with high initial and residual energy will behighlyprobable to be CHs than the nodes with lesser energy. To overcome the deficiencies of H-DEEC, we propose Multi-Edged Hybrid-DEEC (MH-DEEC). In MH-DEEC the criteria of chain construction is modified. Finally, the comparison in simulation results with other heterogeneous protocols show that, MH-DEEC and H-DEEC achieves longer stability time and network life time due to efficient energy utilization.

研究动机与目标

• 解决异构无线传感器网络（WSNs）中能量不平衡与网络生命周期短的问题。
• 设计一种结合簇状与链式结构的混合路由协议，以提升能量效率并延长网络稳定性。
• 通过利用剩余能量进行簇头选择，降低数据传输过程中的能量消耗。
• 通过β选举中继节点实现多跳通信，提升网络的可扩展性与可靠性。
• 提出改进版本 MH-DEEC，通过优化链路构建准则，实现更优的能量分布。

提出的方法

• 网络根据节点剩余能量被逻辑划分为两个区域：高能量节点与低能量节点。
• 从剩余能量较高的节点中选择簇头（CHs），以减少关键节点的能量耗竭。
• 簇头与基站（BS）之间通过β选举的中继节点建立多跳通信，以最小化长距离传输带来的能量消耗。
• 采用混合架构，结合链路形成与簇的构建，实现网络中能量负载的均衡分布。
• 在 MH-DEEC 中，链路构建过程经过优化，以改善能量分布并减少热点效应。
• 协议能够动态适应节点能量水平，确保更长的运行稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过智能簇头选择最小化异构 WSN 中的能量消耗？
• RQ2 通过中继节点实现的多跳通信对网络生命周期与稳定性有何影响？
• RQ3 基于剩余能量的簇头选择如何影响能量平衡与网络寿命？
• RQ4 优化链路构建在混合路由协议中能在多大程度上提升能量效率？
• RQ5 MH-DEEC 在稳定性与生命周期方面相较于现有异构路由协议有何优势？

主要发现

• MH-DEEC 与 H-DEEC 显著延长了与现有异构协议相比的网络稳定期。
• 所提出的协议由于高效的能量利用与均衡的能量消耗，实现了更长的网络生命周期。
• 簇头优先从剩余能量较高的节点中选择，有效减少了能量过早耗尽的情况。
• 通过β选举中继节点实现的多跳通信，降低了长距离传输的能量开销。
• MH-DEEC 中改进的链路构建方式带来了更优的能量分布与更少的能量洞现象。
• 仿真结果证实，H-DEEC 与 MH-DEEC 在稳定性与持久性方面均优于传统协议。