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针对集中式环境监测传感器分布式介质访问控制调度
摘要
无线传感器网络（WSN）领域虽然早已开始，现在已经在研究和数种监控和监控应用中得到最大的应用。 由于节点的体积非常小，功率很小，所以整个网络面临着一些挑战。人们为WSN设计了几种调度和路由协议，这些协议都基本上集中或分布在世界中。 对于一些众所周知的调度协议，这里详细介绍了它们在集中式和分布式下的行为。 本文还指定哪种类型的调度适用于哪种类型的应用程序，并使用集中式或分布式方法，描述了最适合于辐射监测应用的调度算法，并且也证明与现有协议相比，它更加节能。
1引言
对于环境监测应用，在一个地区部署的节点数量总是非常高的。这种节点的目的是根据用于该应用的传感器来观察跟踪任何物理参数的环境[1]。在某些情况下，应用程序必须记录异常情况，在某些情况下，必须记录所有实际结果。在纺织行业的某些应用领域，例如，在基于移动代理的事件驱动无线传感器网络（WSN）[2]中，移动代理负责从传感器收集信息并将其报告给簇头（CH）。然而，对于环境监测应用，由于部署地点可能在较远的地方，这种类型的移动代理是不可能的。这些传感器只使用非常小的存储单元。暂时存储单元存储数据。传感器应始终处于所有这些应用程序的活动状态。根据时间表，传感器节点的无线电进入休眠状态。因此，一旦节点变为活动状态，临时存储单元中的数据传递到附表中的附近主动节点。在某些情况下，这种睡眠/唤醒时间表是由例如基站（BS）的集中系统来准备的，并且在某些情况下，以分布式方式准备时间表。
调度算法适用于传感器节点的睡眠和唤醒模式。由于在大多数情况下传感器节点的电源备份是一个小的2 A电池，在极少数情况下是太阳能电池，为传感器网络设计的任何协议或算法都不复杂。它应该是简单的，也应该使用适度的低数据传输速率。 宽带协议并不适用于WSN，因为它们消耗更多的功率。窄带技术对于WSN来说是足够的。保持这一点作为标准，如果分析了所有的MAC层协议，时分多址（TDMA）类型技术才适合。根据TDMA，媒体访问的任何时刻都将给出每个节点的独立时隙。网络中的节点必须遵循TDMA类型的时间表来唤醒和睡眠。 同时，由节点感知的数据也应该按照该时间表及时到达汇聚节点或网关节点
对于环境监测应用，使用许多传感器节点，并且它们总是密集部署。在这种类型的应用中，节点之间的间距离短。 对于这种短距离通信，大多数传感器应用使用ZigBee标准的无线。Zigbee无限可以覆盖发送和接收数据的最大距离只有10 - 75米[1]。这适用于环境监测应用中常用的正常ZigBee无线收发，在这里我们不能使用实际上可以达到大约1500米的距离的高端ZigBee设备（zigbee的专业版）。
因此，对于环境监测应用，节点为了将其数据发送到汇聚节点，直接通信是不可能的。节点必须遵循它必须到达汇聚节点的路由。传感器节点密集部署中的一般结构是树结构[3]。在大多数应用程序和协议套件中，树结构进一步划分为群集，并且在群集内部，协议方法以集中式或分布式方式进行。
2集中分布的低能量自适应聚类层次（LEACH）算法
LEACH是在WSN应用中引入聚类。在这项工作中，整个工作分为两个阶段，即建立阶段和稳态阶段。在设置阶段，CH将会被选择。 这不仅取决于最近节点被选为CH的次数， 它还取决于剩余节点能量。在这个阶段，目前列出的过程对于集中式和分布式LEACH都是共同的（图1）
图1集中式和分布式LEACH的常用步骤
在分布式方法中，最初所有节点都假定为CH。经过一段时间后，每个节点再次检查其最近的历史，选择了CH多少次。如果该值低，则其被选为CH的概率很高，所以每个节点都这样做。此外，被选为CH的那个广播向附近的节点通告， 接收该消息的节点返回JOIN-REQ消息。在接收到这些消息之后，发生群集形成确认。
在集中式LEACH [4]中，网络中的每个节点向BS发送其位置信息和能级。 BS计算所有节点的平均节点能量。如果节点不具有平均节点能量，那么该节点不被认为被选择为CH。 然后从具有平均节点能量的节点中使用模拟退火算法[4]，BS选择CH。 然后，该信息连同节点的ID从BS发送到所有其他节点。
LEACH的网络总寿命越小[5]，LEACH的整体能源浪费越多。然而，整个网络故障的可能性更多的是LEACH-C，因为集中的BS实际上协调整个网络。
3基于权重的节能媒体访问控制（MAC）调度
在他们的工作中，使用树结构从传感器节点收集数据。在树结构中，节点被给予时隙以根据由父节点为它们计算的权重w来发送它们的数据。虚拟集群由在树中的下一个即时节点发送/接收数据的子节点组成。
最初在其集中活动调度中，根据权重W的递减顺序来调度树中的所有簇。该权重与该虚拟簇中的特定父节点的子节点数成比例地计算。基于簇的权重，由BS在树结构中创建以不增加顺序排列簇的全局调度。在每个簇内，每个节点vj具有其根据从其他节点得到的数据数来计算的权重wj。
因此，对于一个群集说Ci，其权重Wi可以通过如下计算群集中的所有节点根据其权重wj在调度表中获得其时隙，并在此期间将其数据发送到其CH（图2）。
Wi = sum;wj
图2 通过集中式方法创建MAC计划[6]
同时，CH从其所有子节点接收数据。因此，根据这种方法，节点必须只唤醒两次。一旦唤醒将数据发送到其CH，然后从其子节点接收数据。
在同一工作中，他们给出了一种分布式方法来调度MAC层中的节点。与集中式全局调度表不同，每个CH创建一个本地调度，其中每个节点将其权重作为多播消息发送给其所有的k hop邻居，k值取决于应用。例如，如果我们将k值设为3，则节点vi发送的组播消息的生存时间值设置为3。因此，在三跳之后，将不再进一步执行另一个节点。接收该消息的所有节点将其权重发送回发送方。这局部地形成一个虚拟集群（图3）
图3 分布式方法创建的MAC时间表[6]
然后，如果节点vi具有最大的权重，则它自己分配最早的可用时隙。然后，再次将具有为其自身分配的时隙的调度组播到所有的k hop邻居。使用与上述相同的过程，这些节点分配了它们的时隙，最后在这个集群中完成并跟踪进度。
通过比较最短路径树，最小生成树和连接支配集（CDS）树三种结构，对其进一步的数据聚合和树构造细节进行了讨论。对于上述所有树结构在其工作中，对参数进行比较，如延迟时间，节点数和能量消耗。 CDS树相对地导致最小的能量消耗。但是，对于环境监测应用复杂的树结构节点安排并不推荐[6]。 因此，这项工作的结论是基于群集的调度证明是最好的调度方法，而不管是集中式还是分布式调度。
4基于分布式协作的TDMA调度
Bo和Dong [7]开发了基于分布式协作的TDMA调度，其中节点向其n跳邻居通告无冲突时隙，以避免数据分组的冲突，这是能量浪费的主要原因之一。 已经实行了两轮。在第一轮中，节点交换用于争用该时隙的REQ消息。像这样，所有的节点交换他们的REQ消息。如果发送REQ后的节点没有从邻居节点接收到消息，则在REPLY阶段，给予所请求的时隙。然后在它们的ACK消息中节点通知其节点到其一跳邻居。这里每个节点都有两个“切片”。这里的切片是指一组插槽，一片用于传输，另一片用于接收。在他们的工作中已经确保控制消息被传送而不发生冲突。这里使用了很多控制信息。
5距离和剩余能量调度算法
在LEACH的基础上，开发出许多算法。以LEACH为基础进行了大量的研究。 在DECSA [8]中，整个网络模型设计有三个级别，具有四种不同类型的节点，即BS，BSCH（BCH），普通CH节点和普通传感器节点。
该算法具有与LEACH相似的两轮[3]。在初始化阶段，节点生成0到1之间的随机数。它被认为是k [i]，其中i是节点数。基于该值，具有小于预定阈值的k值的节点被分配为CH，其实际上是假CH（FCH），如图1所示。在第二轮中，每个节点通过使用该节点中剩余的能量和该节点与群集中所有其他节点的距离来计算k [i]值。
决策参数[k] =剩余节点能量 该节点与集群中所有其他节点的距离
在每轮中，具有最大k值的节点表现为CH。 那么BCH是从一组CH中选出来的，计算BCH的阈值。通过比较实际上所有CH的k值的TBCH（i），BCH被选出.
所以每个级别的CH选举都遵循相同的模式。 最后，为了路由数据包，簇中的节点将数据转发到CH。然后CH然后通过具有下一个较大k值的CH将其转发到BCH。 然后，BCH将数据转发到服务器.
根据他们的模拟，节点的寿命延长了31％。这里解释的DECSA算法来自于分布式集群方法。实际上似乎是这里的缺点的因素是参数“距离”。节点与集群中所有其他节点的距离在找到值k时起着至关重要的作用。在模拟中，节点被随机放置,节点是否彼此相距放置没有特别讨论。
图4 DECSA的CH选择
6集中或分布在WSN的实时应用中？
无线传感器网络的应用范围从当地身体感应到广域应用，如栖息地监测，监控网络，水位监测，滑坡监测，漏油监测，危险辐射监测等。 如今，无线传感器网络应用程序如同快速消防一样增加。对于任何类型的广域监控，需要适当的调度算法来保持有限数量的节点在任何时刻处于活动状态，以保持最大数量的节点存活。要实现这一点，整个网络的能源消耗应该更少。
为此，实现能源效率是在远程位置部署站点的应用程序面临的主要挑战。 这种类型的应用程序应该将传感器节点部署在群集中，这几乎是强制性的[9]。 虽然一些研究论文拒绝了这个集群的想法[10]，但是这些类型的应用程序中的网络管理任务变得更容易与一个节点集群。 它减少了正常节点必须拥有的责任数量。
环境监测中的所有WSN应用部分集中。如果集群概念保留在WSN应用程序中，则每个集群都应该有一个CH。即使我们正在动态地改变CH，或者即使我们以分布式的方式动态地改变集群排列，在任何时刻都存在一个CH。
6.1铁路货车健康监测系统中的E-BMA方案
让我们在WSN上采取一些应用，并检查方法。在铁路货车中，[11]中规定的健康监测系统使用了MAC协议，即EA-TDMA [12]和E-BMA。该应用实际上监测铁路货车的健康状况。它专为仅用于货物运输目的的火车而设计。这里的传感器单元包括两个传感器，即角度传感器和加速度计。它们与通常的传感器节点单元（即处理器，电池，无线电，存储器等）耦合，每个货车包含五个这样的单元。前四个占据了货车的四个角落，第五个作为CH。然后，CH将数据发送到汇聚节点， 该节点占据列车整个长度的中间部分。来自四个节点的数据使用zigbee协议到达CH。然后，CH使用相同的zigbee无线将数据发送到汇聚节点。
在EA-TDMA中，在分配的时隙期间，节点将变为活动状态并将数据发送到CH。 最初，节点在竞争阶段保留时隙，如BMA协议[13]。所以发送或接收数据后，节点进入睡眠状态，不会进入空闲状态。一种名为E-BMA [11]的调度协议已被定义并应用于模拟中相同类型的环境中。
根据E-BMA，争用期本身是一个开销。如果单个帧变为空闲，则节点不保留该时隙。如果有两个连续的数据包发送，则只保留这些时隙。此外，这项保留也是通过捎带进行的。在发送第一数据分组时，最后一位用于保留下一个连续时隙。 与完全争用的时期相比，这一点消耗的能量更少。
类似于LEACH，这个E-BMA也有两个阶段。在初始设置阶段，进行簇形成和CH选择。在第二阶段称为稳态阶段，如图[5]所示，第一阶段称为争用周期，用于不是CH的节点的时隙预留。在此期间，每个节点分配了一位控制消息。如果节点具有数据，则在竞争期间保留一个时隙。如果没有数据，则节点在争用期间进入睡眠状态。之后，CH在节点之间循环调度。在作为稳态阶段的第二部分的数据传输周期中，根据该调度的节点传输其数据分组，只有当其具有要发送的下一个连续数据分组时。如果它只有一个数据包，它将等待下一个数据包，等待期是一个单一的帧。之后，如果它有另一个数据包，当发送第一个到CH时，它使用最后一位来暗示以下数据包。否则，它发送该单数据包。通过使用该协议，可以节省大量的能量。然后，CH节点检查信道，如果是空闲的，则根据CSMA协议将数据发送到汇聚节点（图5）。
虽然协议规定在设置阶段会有CH选择，对于像铁路车辆健康监控系统那样的实时应用，CH是保存在货车中心的那个。因此，在应用实时应用程序时，大多数协议无论属于哪种类型，都将集中起来[14]。
图5 E-BMA计划的第二阶段[11]
图6 有害辐射监测
6.2集中式基于TDMA的MAC协议的危险辐射监测
为了检测和监测核电站周边地区的有害辐射，已经设计了一个配备有检测核辐射的GM管的无线传感器节点网络。在该设计中，部署站点中约有50个节点被布置成簇，每个簇具有CH（图6）。
对于通信，节点使用zigbee无线，集群中的所有节点都有机会成为CH。CH选择是基于剩余节点能量的事实。具有最大剩余节点功率的节点将成为CH。 对于第一轮，随机节点作为CH。集群中的所有节点都提供有关其在缓冲区中的数据包数量以及其剩余节点功率的数据。 在此基础上，为所有节点计算参数“alpha;”。这里#39;alpha;#39;与数据包的数量成正比，与剩余节点功率成反比.
a = Klowast;E<sub
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