無線傳感器網絡分層帶寬自適應路由協議

王科強， 張彥波， 項伍鋒

(1.河南大學 物理與電子學院，河南 開封 475004；2.南京炮兵學院 廊坊校區，河北 廊坊 065000)

0 引 言

無線傳感器網絡(wireless sensor networks,WSNs)被廣泛應用于軍事、航空、救災、環境、醫療、工業、商業等領域[1]。在無線傳感器網中，傳感器節點一般體積較小，數量眾多，且多采用電池供電。由于節點部署的位置會影響節點參與網內報文發送的任務數，頻繁利用部分節點，會導致這些節點過早消耗掉自身能量，退出網絡。如何提高能量有效性、均衡節點能耗進而延長網絡壽命、避免網絡分裂等問題便成為無線傳感器網絡路由協議研究的重要內容[2]。

近年來，許多研究工作通過研究不同應用下的網絡層特性,提出了一系列路由協議。基于節點平面部署特點的比較成熟的路由協議有DD協議[3]、LEACH協議[4]以及PEGASIS協議[5]。DD協議可以分為：興趣擴散、梯度建立、路徑加強和數據傳播4個階段[6]。DD協議減少了洪泛到網絡中的冗余信息，查詢驅動具有較高的健壯性。但是造成的網絡開銷大，不利于網絡擴展。LEACH協議將網絡中節點分成不同的簇，簇內節點將收集的數據發送給簇首，簇首將數據融合后傳送給匯聚節點。PEGASIS協議是一種基于鏈狀拓撲結構的路由協議，它利用貪婪算法在網絡中生成一條由節點組成的單鏈，數據沿鏈路進行傳輸[7]。PEGASIS算法鏈路拓撲結構算法簡單，形成鏈路能耗低，能有效減少節點間通信的平均距離，并能減小LEACH協議在簇重構過程中所產生的能耗。但是PEGASIS協議還存在以下問題[8]：1)數據傳輸過程依靠位置信息容易造成數據的迂回，不適應于時延敏感的應用場合；2)網絡維護路由信息會帶來額外的能量開銷；3)在數據傳輸過程中，沒有考慮節點的剩余能量。

由于PEGASIS協議存在的這些缺陷，國內外學者就對它進行了一系列的研究和改進。分層均勻帶寬路由協議是目前常用的一種方式[9]，它根據節點與BS距離遠近，把觀測區劃分為幾個帶寬均勻的環帶，數據從信源節點逐步向距離BS較近的環帶內節點進行傳輸，直至將數據發送至BS。均勻帶寬路由協議避免了數據沿鏈路進行傳送時造成的數據迂回，縮短了傳輸距離，減少了網絡能耗，并且能有效的減少數據延遲。

1 分層帶寬自適應路由協議

以上協議均未將通信距離和節點剩余能耗綜合起來作為選擇下一跳節點的門限，容易造成某些固定的節點因頻繁參與數據傳輸而過快耗盡能量退出網絡，形成網絡分裂[10]。文獻[11]提出了對固定帶寬的路由協議進行局部環帶調整的方案。該方案采用調整帶寬的方式來達到網內負載均衡的目的，具有一定的效果。但是其部分帶寬未滿足閾值，即不調整的方案并不能夠很好地處理同網內其他帶寬改變的情況,而且該算法不適用于事件觸發型的網絡環境。本文提出了一種自適應帶狀分層路由協議。網絡在通信過程中會將觀測區劃分為數個環帶，并為環帶內節點賦予不同ID，系統能自動調整全網帶寬，并且在鏈路形成過程中會綜合考慮節點剩余能量和數據發送能耗權重。

在本文算法中設定：場景為事件觸發型；每個節點初始能量均衡；節點位置隨機均勻分布在指定區域；傳感器網絡部署完成后，節點保持靜止；BS位于(0，0)位置；信源節點位于距離BS最遠的環帶內。

該協議中數據傳輸分3個階段:網絡系統初始化階段、數據報文傳輸階段和環帶寬度自動調整階段。

在網絡初始化階段，網絡中的節點按自己同BS的距離進行均勻環狀區域劃分，形成一個以BS作為圓心的一簇同心的環帶，同時賦予網絡中所有節點ID號。ID號的賦予根據與BS的距離為標準，賦予同一帶內的節點同一ID號，距離BS越遠的節點ID號越大。如圖1所示，觀測區范圍為100 m×100 m，節點隨機均勻分布，節點個數為100，觀測區均勻劃分為5個環帶，每個環帶由近及遠ID分別為1,2,3,4,5。節點位于環帶劃分線上的節點屬于ID值較小的環帶。

圖1 均勻帶寬

在數據報文傳輸階段，假設信源節點位于距離BS最遠的環帶內。為避免遠離BS的節點直接與BS通信，達到延長網絡生存時間的目的[12]，信源節點在尋找下一跳節點時候，只選擇ID號比自己低一級的環帶內節點作為自己數據傳輸對象，在選擇下一跳節點時，本算法引入了基于節點剩余能量和通信距離的綜合門限值T，T的取值如公式(1)

(1)

節點在選擇下一跳最優節點時，選擇T值最小的節點作為自己的下一跳節點進行數據傳輸，當此節點接收到上一跳節點傳送的數據之后，將數據與自身數據進行融合后再依據門限值T尋找下一跳節點，在數據傳送至ID號為1的節點時，此節點將數據傳到BS。在數據發送階段，節點在分配的時隙內將監測數據發送到下一跳節點，不在當前發送時隙內的節點處于“休眠”狀態。其鏈路構建流程如圖2所示。

圖2 分層帶寬自適應路由協議構造鏈流程

鏈路形成后，系統沿鏈路進行數據傳輸，在進行10輪數據傳輸后，系統將計算各環帶內節點剩余平均能量值對全網帶寬進行自動調整。使能量消耗較快的層帶寬按照最優標準加寬，增加此帶中節點總數量，使網絡中能量均勻消耗，從而延長絡生存壽命。帶寬調整按照公式(2)進行計算

(2)

圖3 動態帶寬

2 能耗分析

本文使用的是電磁波在自由空間傳播的能耗模型來計算網絡中無線數據報文發送的能量消耗數值。其中發射和接收所消耗的能量公式分別如公式(3)、式(4)所示

ETs(k,d)=Eelec×k+εfs×k×d2,

(3)

式中d為通信距離，k為發送比特數,ETx代表節點將kbit數據發送到dm距離時消耗的能量,Eelec為發射機或接收機處理單位bit消耗的能量，εfs為在自由空間內發射機發送單位比特單位距離消耗的能量

ERx(k)=Eelec×k,

(4)

式中ERx(k)為節點接收kbit數據所消耗的能量。

由于每進行一次數據處理，節點都需要對數據報文進行壓縮和融合的處理，因此，從信源節點經過(n-1)個節點最后傳送至BS的過程中，用于數據融合消耗的能量為

E=(n-1)×Eagg×k,

(5)

式中Eagg為節點融合每bit數據的能耗。

3 模擬實驗

利用Matlab對本文所提方案進行了仿真，并對仿真結果進行了分析，與均勻帶寬路由協議作了比較。仿真中各項參數如表1所示。

表1 系統仿真參數設置

圖4顯示了在100 m×100 m網絡規模下，當網絡中出現第一個節點死亡時，分層帶寬自適應路由協議與均勻帶寬的路由協議參與網內數據報文傳輸節點的平均剩余能量的比較。可以看出，分層帶寬自適應路由協議參與網內數據報文傳輸的節點能量消耗速度較均勻帶寬的路由協議要緩慢得多，本文算法引入了帶寬自動調整機制，使得網絡內節點能耗更加均衡。均勻帶寬的路由協議在1110輪時第一個節點死亡，而分層帶寬自適應路由協議則在10020輪時才出現第一個節點死亡，網絡壽命較均勻帶寬的路由協議提高了902 %。

圖4 網絡內節點能耗曲線圖

圖5描述了系統進行1 000輪數據傳輸時網內節點的剩余能量方差分布圖，可以看出:分層帶寬自適應協議網絡內節點剩余能量方差隨著運行輪數增加明顯小于均勻帶寬的路由協議，節點的剩余能量更加均衡。由于均勻帶寬的路由協議沒有采用有效的均衡機制，導致各節點之間能量消耗出現較大差別，而本文所提算法則綜合考慮了距離和節點剩余能量，節點選擇相對更加優化，從而使能耗均衡量。

圖5 網絡內節點剩余能量方差曲線圖

4 結 論

均衡節點能量、延長網絡壽命是設計無線傳感器網絡路由協議的重要目標。本文提出的分層帶寬自適應路由協議通過改建算法減小通信距離和均衡節點能耗。將網絡根據節點剩余能量進行分層并建立最優路徑。仿真結果表明：分層自適應帶寬路由協議有效提高了網絡壽命，均衡了節點能耗。

參考文獻:

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