一種能量均衡的無線傳感器網絡協議

桂林電子科技大學 李發飛 彭 剛 蘭 慎

1.引言

無線傳感器網絡(wireless sensor networks，WSN)已成為國際上備受關注的前沿熱點研究領域，由于無線傳感器節點能量的有限及無法添加，傳感器網絡中節能的路由算法作為通信協議的重要組成部分，已經成為國內外的一個研究熱點。

文獻[1]提出了一中高效節能的無限傳感器網絡協議，傳感器節點保存多條到基站（Base Station）的路由，采取輪循機制讓數據傳輸任務分布在多條路由路徑上，節省了某些節點能量的消耗，從而達到能量均衡的目的；但是靠近基站的圓形區域很容易成為“熱區（Hot Spot）”，容易導致基站附近的節點因為能量耗盡很快的“死亡”。

在這種情況下，本文提出的改進的無線傳感器路由協議，應具有一下特點：1）將無限傳感器網絡分層，靠近基站一定距離范圍d內的節點直接與基站通信，即采用單跳通信；與基站有距離d之外的節點仍然與基站進行多跳通信；2）傳感器節點保存多條到網關節點的路由，每次通信時，采用輪循機制選擇一條路徑，從而將數據傳輸的負載均衡的分配到多條路徑上，達到均衡能耗的目的；3）引入能量控制機制，當與基站距離d的圓周上的節點能量消耗到一定值時，修改d的值重新組網，從而進一步均衡能量的消耗，解決“熱區”問題，延長無線傳感器網絡的生命周期。

2.協議概述

假設節點被任意分布在某區域上，節點可以根據其所接收到的信號強弱程度計算出與發送節點的距離，d表示基站與節點的距離，Φ表示節點的剩余能量；基站BS在該區域的中心位置。本協議完成以下基本功能：1）區域內傳感器節點建立一個無線傳感器網絡，并向最近基站傳輸感知到的信息；2）當傳感器節點失效或者能量不足時，傳感器網絡能夠修復路由或者重新組建到達網關的路由；3）當區域內新加入節點時，節點可以加入到傳感器網絡并進行數據傳輸；4）當與BS距離半徑d的圓周上的節點的剩余能量Φ達到某一零界值時，修改d的值，重新組網。

3.路由協議

3.1 初始化路由骨干網

路由骨干網具體定義如下：

路由骨干網包括一個基站節點及多個中間節點。其中基站節點用于連接外部網絡和傳感器網絡，基站沒有父節點，可以有多個子節點；中間節點為傳感器，可以有多個父節點和多個子節點。

初始狀態下，基站節點已經存在，傳感器節點隨機分布在指定區域。路由骨干網按照如下步驟初始化：

1）網關節點廣播Adv消息。

2）在預定時間段內，如果孤立節點（沒有加入到路由骨干網的節點）收到此Adv消息，計算出到基站的實際距離d，d小于D-D0的孤立節點將（如圖1中的節點S1）基站作為父節點，直接與基站通信，不再轉發消息，記錄到基站距離為0跳；d大于D+D0的孤立節點（如圖1中的節點S3）丟棄此消息，仍被視為孤立節點；d大于D-D0且小于D+D0的孤立節點（如圖1中的節點S2）將基站作為父節點，記錄到基站的距離為1跳，并且廣播Adv消息，此Adv消息包含一個以跳為單位的距離參數。

圖1

3）孤立節點查看消息中的距離參數，將距離參數最小的節點作為父節點，將父節點加入到父節點集合，記錄自己到基站的距離，并將距離參數值加1然后繼續廣播此Adv消息；如果已經加入到骨干網的節點接收到Adv消息，則比較Adv消息中的距離參數，選擇距離參數較小的節點加入到父節點集合，記錄自己到基站的距離，將距離參數加1然后繼續廣播此Adv消息。

4）如果處于孤立狀態下的節點在預定時間段內沒有收到任何Adv消息，則節點繼續等待下一個時間段，直到接收到Adv消息。

圖2 路由骨干網初始化

如圖2，在初始狀態下，網關廣播Adv消息，S0接收到消息，將基站作為父節點；節點S1、S2、S3、S4接收到消息，將基站加入到父節點集合，置距離為1跳，并且繼續轉發Adv消息；S5在特定時間段內收到S1、S2、S3和S6轉發來的Adv消息，比較三個消息的距離參數之后將參數距離較小的S1、S2、和S3、S4節點作為其父節點，并將將之加入到父節點集合中；S9收到S6、S7、S8發送來的消息，比較其距離參數，將S6和S7加入到父節點集合中。

3.2 新節點的加入

當一個新節點S加入到傳感器網絡后，它會按照以下步驟加入到路由骨干網：1）節點S向一跳之內的鄰居節點廣播一條Req消息；2）接收到此Req消息的節點如果已經加入到骨干網，它返回一個Res消息，此消息中包含它到網關節點的距離參數；3）節點S等待特定時間后，查看接收到的Res消息中的距離參數值，選擇距離較近的節點作為自己的父節點，把父節點保存到父節點集合，記錄自己到網關節點的距離參數值（即父節點到網關的距離加1）；4）節點S向其鄰居節點廣播Res消息，此消息的內容為節點S的距離參數值，表示節點S已經加入到骨干網。至此，新節點加入到骨干網。

3.3 節點失效處理

由于傳感器節點的能量是有限的，所以當能量耗盡之后節點會變成失效節點。當傳感器節點S檢測到父節點F失效后，節點S將父節點從父節點集合在刪除。此時，如果父節點不為空，則節點S仍在骨干網中，可以繼續傳輸信息；如果父節點為空，那么節點S進行一下操作：1）節點S向鄰居節點廣播一條Req消息；2）收到此Req消息的節點如果已經加入到骨干網中，而且節點S不在它的父節點集合中，它向節點S返回一個Res消息，包括它的距離參數；3）節點S等待特定時間段后，查看接收到的Res消息的距離參數，然后選擇距離較小的節點作為父節點，將父節點加入到父節點集合中，記錄自己到網關節點的距離（即父節點到網關的距離加1）；4）節點S向其鄰居節點廣播Res消息，此消息的內容為節點S的距離參數值，表示節點S已經加入到骨干網。至此，節點失效處理過程結束。

3.4 路由過程

當節點要把感知到的數據信息傳輸到基站時，首先查看自己的父節點集合，采用輪循機制選擇一個父節點F，將數據信息傳輸到節點F后，F節點查看自己的父節點集合，再用輪循機制選擇一個父節點F,并向F,傳輸數據信息，依次類推，直到發送到網關節點為止。當環狀帶內節點的能量值下降到一定閥值時，修改環狀帶的半徑和寬度，重復過程2.1，初始化路由骨干網。

4.性能分析

為了解決“熱區”問題，協議采用了兩種方法來均衡能量消耗。首先節點保存多個最短路由，采用輪循機制選擇一條路徑將數據信息傳輸到基站，從而將數據傳輸的任務均衡地分布于多條路由路徑上，節省了節點的能量消耗；由于劃分了環狀帶，環狀帶內的節點成為能量消耗比較多的節點，因此當環狀帶內節點的能量消耗到一定閥值時，減小環狀帶的半徑，轉移了熱點問題，同時擴大環狀帶的寬度，環狀帶外的節點有更多的父節點可以供選擇，從而把能量消耗均衡到更多路徑上，進一步均衡了能量消耗，達到解決“熱區”問題的目的。

[1]王曉喃,高德民,徐江.高效節能的無線傳感器網絡路由協議設計與實現[J].2010.8.

[2]王平,黎峰.無線傳感器網絡基于梯度的分簇路由算法[C].全國計算機網絡與通信學術會議論文集,2011.

[3]秦嶺,胡榮強.無線傳感器網絡節點的有效能耗最小化策略[J].武漢理工大學學報,2010.

[4]李樹華,劉振宇,李迎秋.能量自適應的無線傳感器網絡分簇路由協議[J].計算機工程與設計,2010.