一種基于能量感知無線傳感器網絡多路徑路由機制

摘要:目前，無線傳感器網絡在智能環境檢測，災難控制，戰場偵察，安全監視方面取得了日益廣泛的應用，引起人們日益關注，在分析無線傳感器網絡能量消耗特征的基礎上，基于Markov模型提出了無線傳感器網絡節點能量消耗模型，改進了無線傳感器網絡多路徑路由協議。仿真結果表明，與傳統的多路徑路由機制相比，能夠有效地降低無線傳感器網絡節點能量消耗，提高網絡生存時間。

關鍵詞:無線傳感器網絡;Markov;Wavelet;能量消耗

中圖分類號:TP393 文獻標識碼:A 文章編號:1009-3044(2009)15-3932-02

An Energy-aware Multipath Routing in Wireless Sensor Networks

LI Chun-ye

(College of Technology of He’nan Luyi， Luyi 477200， China)

Abstract: Recently， there has been a growing interest in the potential use of Wireless Sensor Networks (WSNs) in many applications such as smart environments， disaster management， combat field reconnaissance， and security surveillance. Therefore， to realize their potential， there is a need of an simulation platform that facilities the research of wireless sensor network .This paper focuses on developing node energy consumption in WSN.Therefore， we proposed a energy consumption model based on Markov chain， Furthermore， using the proposed algorithm to improve the multi-paths route scheme can extend the lifetime of the whole WSN by remaining load evenly distributed among several paths. According to performance comparison betweenthe traditional algorithmand the new method， numerical results have been proved feasible.

Key words: WSN; Markov; multipath route; energy consumption

1 引言

微機電系統(Micro-Electro-Mechanism System)、無線通信和數字電子技術的快速發展，以及無線傳感器網絡(wireless sensor network，簡稱WSN )在國防軍事、環境監測、交通管理、醫療衛生、防恐抗災等眾多領域的應用前景，使WSN相關研究成為近幾年國內外研究的熱點. 傳感器節點通常由電池供電，高效使用有限的電池資源，盡量延長節點的生命周期是任何WSN相關協議的首要考慮因素。同時由于傳感器網絡節點的計算能力、存儲空間都十分有限，所設計的路由協議應該簡單有效，使得節點的運算開銷盡量的小。與傳統網絡管理相比，WSN的網絡管理不僅包括故障管理，QoS支持等功能域，還包括了能量管理。能量消耗模型是WSN能量管理中的核心問題和關鍵點，建立WSN能量消耗模型具有十分重要的理論意義和現實價值。

WSN路由協議的任務是在傳感器節點和匯聚節點之間建立路由，可靠地傳遞數據，能量多路徑路由在源節點和目的節點之間建立多條路徑，根據路徑上節點的通信量消耗以及節點的均衡消耗節點能量延長網絡的生存期。在源節點和目的節點之間建立多條路徑，根據能量因素給每條路徑賦予被選擇使用的概率，在發送數據時，基于概率隨機選擇其中的一條路徑，沒有一條路徑一直在傳送數據，防止一條路徑上節點能量消耗過快。但是其路徑切換是在節點發生故障之后進行，耗費了大量節點能量資源。

2 無線傳感器網絡節點能量消耗模型

2.1 無線傳感器網絡節點能量消耗分析

典型的傳感器網絡體系結構通常由分布的傳感器節點、接收發送器、互聯網和用戶界面等構成。其中，傳感器節點作為網絡中的獨立工作實體，其基本的功能子系統包括供電子系統、傳感子系統、計算子系統和通信子系統等，其能量消耗分別說明如圖1所示。

供電子系統:供電子系統由電池和DCDC轉換器等模塊構成，其主要任務是為其他各個子系統供給能源。電池作為節點最主要的能量來源，其性能與容量至關重要。雖然增加電池容量可以延長供電子系統的能量供給時間，但采用有效的再充電技術或是太陽能等再生性能源則更利于保證供電子系統的能量來源，為其他子系統實現持續性的能量供應。

傳感子系統:傳感子系統由一組傳感器和ADC，控制器等構成，主要任務是將采樣/收集被測控對象的敏感信息轉換成相應的數字信息。理想情況下，傳感子系統自動檢測周期性和非周期性兩類事件時[7]，其能量消耗總量可簡單概括為單次采樣消耗的能量與采樣次數的乘積。因此，要控制該子系統的能量消耗必須從以下兩個方面進行:一是控制單次數據采樣所消耗的能量，二是控制采樣頻率。前者可通過采用低功耗器件，從元器件本身有效控制單次數據采樣的能量消耗。對于后者而言，由于傳感器網絡眾多分布節點中往往是成組節點去監測相同的對象或敏感數據，有選擇性地減少單個節點的采樣頻率并不會對被測數據有效性和完整性造成破壞，只要依據應用需求合理設置節點采樣任務的激活原則，就能在保證數據準確性的前提下，較好地控制該子系統的能量消耗。

計算子系統:計算子系統包括微處理器/微控制器、存儲器和I/O接口電路，存儲器等硬件;負責控制傳感器、執行通信協議和處理傳感數據等軟件算法;是節點的控制和計算核心。作為節點的功能控制中心和數據計算中心，計算子系統功能復雜，與其他各個子系統聯系緊密，因此，計算子系統的功能強弱、性能高低、在不同工作狀態(活動、空閑和休眠等)的持續時長以及不同狀態間的相互切換等，都會嚴重影響整個節點的能量消耗。低功耗器件、適時休眠和空閑時的降頻技術，都是硬件上減少計算子系統能量消耗的常用技術，節點間的功能輪換則使從網絡的整體來實現網絡節點的能量消耗相對均衡。

自組織的簇生成、傳輸數據的加密/解密以及通信鏈路的建立和維護等，都是通過執行相應的指令序列來完成的，算法越復雜，指令條數就越多，消耗的能量也就越大。然而，算法是有效性、可靠性和復雜性的矛盾統一體，有效、可靠的算法往往具有較高的復雜性;簡單算法的有效性、可靠性則可能不適應于應用需求。應用環境的多樣性和不確定性，使得軟件算法的能量消耗遠比硬件的能量消耗控制困難，既要滿足應用環境的需求，還要盡可能降低軟件算法的復雜性。

另外，資源受限的傳感器網絡節點還易于遭受物理損壞攻擊，使得非對稱密鑰管理協議等其他計算機網絡中普遍采用的控制機制和數據處理算法并不適合于傳感器網絡。依據應用環境的需求，傳感器網絡對各控制和數據處理算法往往會有不同層次的要求。因此，每種控制或數據處理算法都是傳感器網絡中的非常具有挑戰性的研究領域，需要根據節點能源的發展水平和技術特點，大幅度改造現有的成熟算法，或重新設計新的處理算法，甚至于在必要的時候;還可通過適當降低網絡或節點的性能來控制節點能量消耗，以有效延長網絡的生命周期。

通信子系統:由無線收發部件(radio)構成的通信子系統負責節點的通信任務。無線收發部件采用的調制模式、數據率、發射功率和操作周期等都是影響通信子系統能量消耗的關鍵因素。另外，由于通信元器件本身的物理特性等原因，通信子系統即使處于空閑期，也有著與接收期幾乎相近的能量消耗。因此，在沒有通信任務時，應盡可能地使通信子系統進入休眠期，而不是讓其處于空閑期[9]。

基于以上分析，以分簇方式組織的無線傳感器網絡，節點能量消耗主要是數據發送和數據處理模塊，節點運行時如表1所示，共分為6個狀態。其中消耗能量最多為狀態3和狀態4。

2.2 無線傳感器網絡節點能量Markov預測模型

節點能量消耗仿真模型基于無線傳感器網絡節點的狀態轉換，采用Markov進行預測節點能量消耗，其中關鍵點是轉移矩陣的生成，

2.2.1 狀態轉移概率矩陣生成模型

WSN狀態轉移矩陣生成有兩種可行的辦法，WSN節點可以根據自身過去的歷史采集狀態值，然后每個節點根據過去的歷史構造自己的狀態轉移矩陣。例如，Pij是節點在狀態 i的時域總數除以節點在狀態i遷移到狀態j的次數。另一個構造此矩陣的方法是混合在同一個區域中節點之間的概率，在這種情況下，遷移矩陣將代表一個網絡的特定區域中所有節點的行為。最終生成如式(1)狀態轉移陣

2.2.2 Markov能量消耗預測模型分析

為了模擬傳感器網絡節點能量消耗情況，建立Markov仿真模型如下所示:

在每個節點中用一個隨機變量序列X0，X1，X2，……來表示節點在這段時間的狀態。既然每個節點都有一個隨機變量序列，那么在同一時間，不同節點可以處在不同的模式下。在可能的操作模式集合中，如果Xn=i，傳感器節點在時域n處在操作模式i下 ，一個時域就是一小段時間，假定所有的狀態遷移發生在任何時域的開始階段，每次節點在狀態i時有一些固定的概率，如果下一個狀態是j，則用Pij來表示。這個概率可用下式來表示:

Pij表示一個節點在操作狀態i時下一個狀態進入到狀態j的概率，定義兩階的遷移概率Pij(2)，表示一個節點當前在狀態i，經歷兩個狀態遷移后到狀態j 。即:

對于任意0

Pij(2)的值是矩陣P和它自身的乘積矩陣中第i行第j列的元素。用P2表示P*P意味著Pij(2)是矩陣P2的第i行第j列的元素。同樣的，Pij(n)是矩陣P的n次方的第i行第j列的元素。既然Pm+n=Pm*Pn，那么這意味著

在模型中，遷移概率矩陣代表傳感器節點的行為。根據遷移概率矩陣和每個節點的初態X0，我們就可以建立整個無線傳感器網絡能量消耗序列。

一個節點在T個時域后到達狀態s共經歷多少個時域，假定現在節點在狀態i，即X0=i。由于Pis(t)代表一個節點當前處在狀態i，經歷t個狀態遷移到達狀態s那么，對任意的狀態s一個節點停留在狀態s時域數可用下式計算:

其中Ck-i表示它是屬于簇Ck的第i個傳感器節點，Bs表示一個節點在狀態s停留一個時域傳輸的數據量。Pis表示從狀態i遷移到狀態s的概率。

基于以上分析，可以根據WSN的狀態轉移矩陣和Markov模型來預測節點在T時刻能量消耗。

3 改進多路徑路由協議

3.1 改進思想

在傳感器網絡中，引入多路徑路由是為了提高數據傳輸的可靠性和實現網絡負載平衡。有文獻提出一種多路徑路由機制，它預先建立和維護一組數據，無需周期性洪泛就能夠從數據源節點到匯聚節點的傳輸路徑。其基本思想是:首先建立從數據源節點到匯聚節點的主路徑，然后再建立多條備份路徑;數據通過主路徑傳送數據來維護數據的有效性;當主路徑失敗時，從備用路徑中選擇次優路徑。這種由主路由失敗觸發的切換機制并不適用于WSN的需求，因為負載的不均衡將會導致傳感器節點資源消耗的不均衡，從而導致WSN全網的生存期降低。可以通過引入能量消耗預測機制，主路由在預測其將要傳輸失敗前切換至次優路徑，從而實現了WSN多路徑之間的負載均衡。

3.2 實例分析

如圖2所示的WSN節點拓撲中，節點A為傳感器數據發送源，匯聚節點是目的節點，在基于預測的多路徑路由機制中，在基于預測的多路徑路由機制中，路徑A-B-C-D-sink node 為主路徑，其他兩條路徑為次優路徑。其基本步驟為:

1) 在主路徑中，每個關鍵節點中建立了能量消耗Markov預測模型。

2) 關鍵節點從本地測量網絡流量，建立閾值，如果檢測到即將發生擁塞，或者流量超過本節點負載，或者本節點能量即將耗盡，則發送一個消息給源節點A。

3) 源節點A接收到報文后，就會立即進行路徑切換，選擇另外一條路徑進行數據傳輸。

4 結論

基于以上分析，本文基于Markov過程來模擬無線傳感器網絡節點的運行狀態，建立了無線傳感器網絡的節點能量消耗模型，并通過在J-sim網絡仿真平臺中擴展建立能量消耗模型，與一個真實無線傳感器網絡節點能量的消耗進行了對比分析，仿真結果表明本文提出的WSN能量消耗模型能夠有效的表示WSN能量消耗過程，并改進了WSN多路徑路由機制，結果表明能夠有效減少WSN能量消耗量，提高WSN節點存活數量。

參考文獻:

[1] 孫利民，李建中.無線傳感器網絡[M].北京:清華大學出版社，2005.

[2] 崔莉，鞠海玲.無線傳感器網絡研究進展[J].計算機研究與發展，2005，42(1):163-174.

[3] Wireless Integrated Network Sensors，University of California，Los Angeles[EB/OL].http://www.janet.ucla.edu/WINS.

[4] Kahn J M，Katz R H，Pister K S J.Next century challenges:Mobile for smart dust[C].Proc. Mobicom，1999:483-492.