[论文解读] Improving Network Efficiency by Removing Energy Holes in WSNs

Muhammad Babar Rasheed, Nadeem Javaid+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2013

Energy Efficient Wireless Sensor Networks参考文献 17被引用 13

一句话总结

本文提出了一种能效高效的HOleRemoving机制（E-HORM），通过根据剩余能量和最大传输距离动态调整节点传输，以缓解分簇型无线传感器网络（WSNs）中的能量洞问题。通过设定基于最远节点的阈值能量（Eth），防止能量不足的节点进行传输，从而减少热点区域的能量耗尽，并通过仿真验证显著延长了网络寿命和稳定期。

ABSTRACT

Cluster based Wireless Sensor Networks (WSNs) have been widely used for better performance in terms of energy efficiency. Efficient use of energy is challenging task of designing these protocols. Energy holedare created due to quickly drain the energy of a few nodes due to non-uniform distribution in the network. Normally, energy holes make the data routing failure when nodes transmit data back to the base station. We proposedEnergy-efficient HOleRemoving Mechanism (E-HORM) technique to remove energy holes. In this technique, we use sleep and awake mechanism for sensor nodes to save energy. This approach finds the maximum distance node to calculate the maximum energy for data transmission. We considered it as a threshold energy Eth. Every node first checks its energy level for data transmission. If the energy level is less than Eth, it cannot transmit data. We also explain mathematically the energy consumption and average energy saving of sensor nodes in each round. Extensive simulations showed that when use this approach for WSNs significantly helps to extend the network lifetime and stability period.

研究动机与目标

• 解决因能量消耗不均导致的分簇型WSNs中能量洞形成问题。
• 通过防止靠近基站的高能量节点过度工作，提升网络寿命和稳定性。
• 开发一种结合能量阈值和休眠/唤醒调度的机制，以实现网络中能量使用的均衡。
• 对能量消耗进行数学建模，并量化WSNs中每轮的能量节省。
• 通过大量仿真验证所提机制，展示网络性能的延长。

提出的方法

• E-HORM机制计算从基站到最远节点的最大传输距离，以确定数据传输的阈值能量（Eth）。
• 每个传感器节点在决定是否传输或进入休眠状态前，检查其剩余能量是否达到Eth。
• 能量低于Eth的节点被禁止传输，以避免过早耗尽能量。
• 采用休眠与唤醒机制，减少空闲监听，节约低能量节点的能量。
• 对能量消耗和每轮平均能量节省进行数学建模，以评估效率。
• 该方法确保仅有具备足够能量的节点参与数据转发，从而减少热点区域的形成。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何有效缓解分簇型WSNs中的能量洞问题，以延长网络寿命？
• RQ2 何种阈值能量水平可确保最优数据传输，同时防止中间节点过度使用？
• RQ3 动态休眠/唤醒调度在高流量区域能在多大程度上减少能量消耗？
• RQ4 与传统路由相比，所提机制在能量效率和稳定期方面表现如何？
• RQ5 剩余能量、传输距离与每轮能量节省之间存在何种数学关系？

主要发现

• E-HORM机制通过防止中间节点过早耗尽能量，显著延长了网络的稳定期。
• 仿真结果证实，该方法通过基于动态阈值的传输控制有效减少了能量洞的形成。
• 每轮的能量节省被定量建模，显示出传感器节点间能量消耗的明显降低。
• 基于最大传输距离推导出的阈值能量（Eth）能有效识别出早期失效风险节点。
• 由于能量消耗更加均衡且高流量节点负载减少，网络寿命得以延长。
• 休眠与唤醒机制有助于能量节约，尤其在低能量节点中，从而提升了整体网络寿命。