[论文解读] On Performance Evaluation of Variants of DEEC in WSNs

Talha Naeem Qureshi, Nadeem Javaid+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 12, 2012

Energy Efficient Wireless Sensor Networks参考文献 10被引用 4

一句话总结

本文在不同能量异质性水平的异构无线传感器网络（WSNs）中评估了四种DEEC变体——DEEC、DDEEC、EDEEC和TDEEC。通过在多种场景下的仿真，发现TDEEC在稳定期和网络寿命方面优于其他协议，尤其在低异质性和多级异质环境中表现突出；而EDEEC在能量平衡优化（如剩余能量与簇头选择）时表现出色，尤其在长期性能方面表现优异。

ABSTRACT

Wireless Sensor Networks (WSNs) contain numerous sensor nodes having limited power resource, which report sensed data to the Base Station (BS) that requires high energy usage. Many routing protocols have been proposed in this regard achieving energy efficiency in heterogeneous scenarios. However, every protocol is not suitable for heterogeneous WSNs. Efficiency of protocol degrades while changing the heterogeneity parameters. In this paper, we first test Distributed Energy- Efficient Clustering (DEEC), Developed DEEC (DDEEC), Enhanced DEEC (EDEEC) and Threshold DEEC (TDEEC) under several different scenarios containing high level heterogeneity to low level heterogeneity. We observe thoroughly regarding the performance based on stability period, network life time and throughput. EDEEC and TDEEC perform better in all heterogeneous scenarios containing variable heterogeneity in terms of life time, however TDEEC is best of all for the stability period of the network. However, the performance of DEEC and DDEEC is highly effected by changing the heterogeneity parameters of the network.

研究动机与目标

• 评估DEEC、DDEEC、EDEEC和TDEEC在具有不同能量异质性程度的异构WSNs中的性能。
• 分析异质性参数（如能量水平比）变化对协议稳定性、寿命和吞吐量的影响。
• 识别在包括三级和多级异质场景在内的多种网络配置中表现最优的协议变体。
• 在受控仿真条件下，比较各协议的稳定期、网络寿命和数据传输效率。

提出的方法

• 在五个具有不同能量异质性水平的场景下进行了仿真，其参数由a、b、m和m₀定义。
• 各协议采用不同的簇头（CH）选择机制：DEEC基于剩余能量与平均能量的比值，DDEEC仅基于剩余能量，EDEEC基于增强的剩余能量并引入超级节点，TDEEC则基于阈值的高能量节点选择。
• 性能通过关键指标进行衡量：稳定期（第一例和第十例节点死亡）、网络寿命（所有节点死亡）以及发送至基站（BS）的总数据包数。
• 场景包括三级网络（普通、高级、超级节点）和具有随机能量分布的多级网络。
• 评估采用了统一的网络规模（100个节点）、固定的通信范围以及固定的收发能耗模型。
• 通过多轮对比可视化结果，以评估长期能效和网络耐久性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在三级WSNs中，DEEC、DDEEC、EDEEC和TDEEC在高异质性与低异质性条件下的表现如何？
• RQ2 当节点类型间能量差异最小时，哪种协议能维持最长的稳定期和网络寿命？
• RQ3 在多级异质网络中，引入超级节点（在EDEEC和TDEEC中）如何影响能量平衡和网络持久性？
• RQ4 参数调节（a、b、m、m₀）与不同网络配置下协议鲁棒性之间的关系是什么？
• RQ5 哪种协议在最小化能量耗尽的同时，能向基站发送最多的数据包？

主要发现

• TDEEC实现了最长的稳定期，在第三组场景中，第一例节点在1753轮时死亡，所有节点在7467轮时耗尽，优于所有其他协议。
• 在第五组高异质性场景中，TDEEC与EDEEC的网络寿命均超过10,000轮，其中TDEEC向BS发送了620,606个数据包。
• 在第五组场景中，EDEEC向BS发送了562,819个数据包，其吞吐量和持久性优于DEEC（224,095个）和DDEEC（193,931个）。
• 在具有随机能量水平的多级异质网络中，TDEEC再次在稳定性和寿命方面领先，所有节点在6734轮时耗尽，共向BS发送314,848个数据包。
• 随着异质性增加，DEEC与DDEEC性能持续下降，DEEC在高异质性情况下最先耗尽，发送数据包数最少。
• 在所有场景中，TDEEC在稳定期和网络寿命方面始终优于其他所有协议，尤其在低异质性和多级配置中表现突出。