1 引言
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TEEN: A Routing Protocol for Enhanced Efficiency in Wireless Sensor Networks 一种提高效率的无线传感器 路由协议 TEEN. 卢旭. 摘要.
1 引言
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TEEN: A Routing Protocol for Enhanced Efficiency in Wireless Sensor Networks一种提高效率的无线传感器路由协议TEEN 卢旭
摘要 • 无线传感器网络被认为在不远的将来将具有广阔的适用性和越来越多的实用。本文中，基于应用模式不同而划分的反应式和主动式的网络，我们提出一种正式的传感器网络的分级。主动式网络，和反应式网络被动地收集数据相反，是在感兴趣的相关参数变化时立即作出回应。我们也介绍一种主动式网络中的新的能量有效的协议——TEEN（阈值敏感能量有效传感器网络协议）。我们在一个简单的温度监测应用中评估我们的协议的性能。在能量效率方面，我们的协议已经被观测到优于已有的传统的传感器网络协议。
1 引言 • 近年来，无线传感器网络被提倡应得到大量应用。传感器网络通常是无人看管的而且应该是容错的，这样才能尽量减少维护。技术上的发展已经能够使非常小，能量非常低的设备具有编程计算、感知多个参数和无线通信能力。同时，由于传感器的低功耗，使得一个网络具有成百上千个这样的无线传感器成为可能，从而使得提高数据的可靠性和精确性也变成可能。当然，这样的传感器是必须易于配置的。为这种网络设计的协议必须是使得有限的传感器节点能量能够有效利用。另外，节点所检测的环境是不断变化的，物理参数也就快速变化。
下面是一些在应用中可能动态变化的参数： • 功效 • 位置（当节点是移动的） • 可达到性 • 任务类型 因此，路由协议在这样一个动态环境中应该是具有容错性的。由于很多原因，传统的无线和ad hoc网络的路由协议不能很好地适用于无线传感器网络。
2 相关工作 • 在这一节中我们给出一个相关工作的总述。 • directed diffusion定向扩散 • hierarchical clustering 分层分簇 • CBRP 基于簇的路由协议 • LEACH
3 动机 • 在当前对于无线传感器网络的研究中，我们发现都没有关注于对应用的实时性。大多数目前的协议都是假设传感器网络是周期性的从环境中感知数据的。我们觉得应该重视及时地对传感器参数的变化做出反应。我们也相信传感器网络应该提供给终端用户在能量有效性、精确性以及反应时间之间一个动态的选择权利。所以，在我们的研究中，我们要改进一种能够满足这个要求的通信协议来。
4 传感器网络的分类 • 这里，我们介绍一个简单的基于功能模式和目标应用类型的传感器网络的分类。 主动式网络 主动式网络的主要任务是不断采集被检测对象的相关信息，并以某个频率向Sink节点发送这些信息。 反应式网络 反应式网络的主要任务是检测某个特定时间的发生，这类网络的节点只有在节点检测到相关事件时才会向Sink节点发送信息。
5 传感器网络模型 • 本文所用的模型是基于Heinzelman等人提出的模型发展来的。模型采用一个分层分簇的方案。部分的网络结构如图1所示。
这样的体系结构的主要特点是： • 所有节点只需直接和簇头通信，节约能量。 • 只有簇头需要进行额外的计算，也节约了能量。 • 分层结构中层次比较高的簇头传输数据需要经过相对比较远的距离。再加上他们要进行额外的计算，他们会比其他的节点比较快地耗尽能量。为了使得这种能耗分布比较均匀，所有节点都轮流成为簇头，每间隔时间T轮换一次，该时间T也叫簇周期。
6传感器网络协议 • 第5节所阐述的传感器网络模型被广泛应用到下面对传感器网络协议的讨论中。 • 6.1 主动式网络协议 机能 在每一个簇轮换时间，一旦簇头确定好了，簇头就广播以下参数： 报告时间（TR） 特征(A) 在每个报告时间，簇成员感知到特定的参数然后把数据发送到簇头。簇头节点融合数据然后发送到基站或者上一层的簇头。这样确保用户能对网络所覆盖区域有一个整体的了解。
主要特性 这种结构的主要特性如下： 1.除了在报告时间和发送数据时，节点都是关闭感知器和发送器的，这样节约了网络的能量。 2.在每次簇轮换时间，TR和A都重新改变。因此，用户通过分别改变A和TR来决定感知的参数和感知的频率。 LEACH 略 应用示例 这种网络能够应用于机器的故障检测与诊断。也能应用于在一个特定的场景中检测温度变化模型。
6.2 反应式网络协议：TEEN 本节中我们提出一种新的网络协议——TEEN（阈值敏感能量有效传感器网络协议）。据我们所知，这是第一种为反应式网络定制的协议。 机能 在这一体系中，每当簇头改变后，簇头除了发送自己的相关属性外，还会广播其他两个成员参数： 硬门限（HT）：感知特性的阈值，当节点的检测值超出硬门限的设定值时，节点必须将数据发送给簇头。 软门限（ST）：该阈值相对感知特性的值有微小变动，能触发节点切换发送器和接收器的状态。
在簇的稳定阶段，节点通过传感器不断地感知其周围环境。当节点首次检测到数据到达硬阀值，便打开收发器进行数据传送，同时将该检测值存入内部变量SV中，节点再次进行数据传送时要同时满足两个条件： 1.当前的检测值大于硬阀值； 2.当前的检测值与SV的差异等于或大于硬阀值。 只要节点发送数据，变量SV便设置为当前的检测值，在簇重构的过程中，如果新一回合的簇首节点已经确定，该簇首将重新设定和广播以上两个参数。
主要特性 这种策略的主要特性如下： 1.协议适合于需要实时感知的应用环境中 。 2.通过设置硬阀值和软阀值2个参数，TEEN可以大大减少数据传送的次数，比LEACH节约能量 。 3.软阀值可以改变。 4.由于软阀值可以改变，监控者可以通过设置不同的软阀值可以方便的平衡监测准确性与系统节能行个指标 。 5.每次簇轮换时，特性都被重新广播，因此用户可以根据需要修改它们。 该策略的主要缺点是，如果网络中的节点没有达到相关的阀值，那么节点就不会与汇聚节点进行通信，用户也就完全得不到网络的任何数据。
7 性能评估 • 7.1 仿真 为了评估我们的协议的性能，我们利用LEACH协议的扩展在NS-2模拟器上对协议进行了实现。该仿真的目的是： • 对比TEEN和LEACH协议的性能，主要是在能耗和网络寿命两方面。 • 研究不同TEEN软门限的效果。 仿真是在一个有100个节点和一个固定基站的网络中进行的，节点是随机布置的。所有节点初始能量是2J。簇的形成方式和LEACH协议的一样。
仿真环境 在我们的实验中，我们模拟出一个不同区域温度不断变化的环境。首先节点随机布置到一个100*100单位的区域内。网络覆盖的区域被分为四个象限。各个象限的温度都每隔5秒随机在0oF到200oF的范围中变化一次。 实验 我们通过两个标准来比较各协议的性能： • 平均能耗 • 节点存活总数 TEEN的性能通过两种模式来进行研究，一个是只设硬门限（硬模式），另一个是即设硬门限也设软门限（软模式）。硬门限设为100oF，软门限设为2oF。
7.2 结果 对于每种协议和TEEN的每种模式，我们都进行了5次仿真。5次仿真的结果再进行平均和绘图。一个较低的能耗值和较高的在任意时刻的节点存活数量表明一个较有效的协议。图4和图5显示了主动式网络的性能表现。图6和图7为两种协议的对比。可以看出，TEEN的两种模式都远远优于LEACH。和我们预想的一样，TEEN的软门限模式也要远远优于硬门限模式。
8 结论 • 本文中，我们提出了一种传感器网络的分类形式。然后提出了一种新的网络协议，适用于反应式网络的TEEN。TEEN在能耗和反应时间方面都有良好表现，非常适用于实时性要求高的应用中。它还允许用户控制能耗和精确性来适应不同的应用。