[论文解读] Region Based Energy Balanced Inter-cluster communication Protocol for Sensor networks

Rohini Sharma, D. K. Loboyal|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2015

Energy Efficient Wireless Sensor Networks参考文献 6被引用 5

一句话总结

本文提出了一种基于区域的能量均衡簇间通信协议（RBEBP），通过将监测区域划分为多个区域，并根据每个区域内的剩余能量选择簇头，以解决无线传感器网络中的能量不平衡问题。通过为远距离节点使用中继簇头，并优化簇头选择，RBEBP减少了能量耗尽，最小化了能量洞现象，其网络寿命超过LEACH，仿真结果表明吞吐量和能量效率均得到提升。

ABSTRACT

Wireless sensor networks faces unbalanced energy consumption problem over time. Clustering provides an energy efficient method to improve lifespan of the sensor network. Cluster head collects data from other nodes and transmits it towards the sink node. Cluster heads which are far-off from the sink, consumes more power in transmission of information towards the sink. We propose Region Based Energy Balanced Inter-cluster communication protocol (RBEBP) to improve lifespan of the sensor network. Monitored area has been divided into regions; cluster heads are selected from specific region based on the residual energy of nodes in that region. If energy of nodes of the specific region is low, nodes from another region are selected as cluster heads. Optimized selection of cluster heads helps in improving lifespan of the sensor network. In our scheme, cluster heads which are far-off from the sink use another cluster heads as the relay nodes to transmit their data to the sink node. So energy of cluster heads deplete in a uniform way and complete area remain covered by sensor nodes. Simulation results demonstrate that RBEBP can effectively reduce total energy depletion and considerably extend lifespan of the network as compared to LEACH protocol. RBEBP also minimize the problem of energy holes in monitored area and improve the throughput of the network

研究动机与目标

• 为解决因靠近 sink 的簇头距离过远而导致能量消耗过大的问题。
• 通过确保簇头间能量消耗均匀，延长网络的运行寿命。
• 通过智能的簇头选择，最小化监测区域内能量洞的形成。
• 通过动态分配中继角色优化簇间通信，提升网络吞吐量。
• 提供一种可扩展且能量均衡的聚类协议，能够根据不同区域的剩余能量水平自适应调整。

提出的方法

• 将监测区域划分为多个区域，以局部化能量消耗并均衡各簇之间的负载。
• 基于剩余能量从每个区域中选择簇头，优先选择剩余能量较高的节点。
• 若某区域节点的剩余能量较低，则从相邻区域选择簇头，以防止能量过早耗尽。
• 距离 sink 较远的簇头使用中间簇头作为中继转发数据，以减少长距离传输的能量消耗。
• 协议确保单个簇头不会承受过重的能量负载，从而促进网络中能量消耗的均匀分布。
• 通过根据距离和能量水平动态分配中继角色，优化簇间通信。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过基于区域的聚类来缓解无线传感器网络中的能量不平衡？
• RQ2 基于剩余能量的区域特定簇头选择对网络寿命有何影响？
• RQ3 使用中继簇头在多大程度上可减少远距离簇头的能量消耗？
• RQ4 RBEBP 与 LEACH 相比，在能量耗尽和网络寿命方面表现如何？
• RQ5 通过动态且基于能量感知的簇头选择，能否有效最小化能量洞的形成？

主要发现

• 与 LEACH 协议相比，RBEBP 显著减少了总能量耗尽。
• 由于簇头间能量消耗更加均衡，RBEBP 的网络寿命明显延长。
• 通过基于区域剩余能量的战略性簇头选择，监测区域内的能量洞现象得到最小化。
• 由于优化了簇间通信和中继使用，网络吞吐量得到提升。
• 协议实现了簇头间更均匀的能量耗尽，避免了高流量节点的过早失效。
• 仿真结果证实，RBEBP 在能量效率和网络可持续性方面优于 LEACH。