無線傳感器網(wǎng)絡(luò)功率控制的路由協(xié)議改進(jìn)

Improvement of Routing Protocol of Wireless Sensor Networks

Based on Power Control

陳雪冬　陳碩紅

(中物院電子工程研究所，四川 綿陽　621000)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)功率控制的路由協(xié)議改進(jìn)

Improvement of Routing Protocol of Wireless Sensor Networks

Based on Power Control

陳雪冬陳碩紅

(中物院電子工程研究所，四川 綿陽621000)

摘要：路由技術(shù)是傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)之一。針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量有限、節(jié)能至關(guān)重要的特點(diǎn)，提出基于功率控制的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。結(jié)合自由空間傳播損耗模型和雙徑傳播模型，導(dǎo)出了節(jié)點(diǎn)最優(yōu)發(fā)送功率。考慮網(wǎng)絡(luò)層路由選擇與物理層功率控制，在AODV協(xié)議幀中附加了一個(gè)字段，即在路由請求與回答報(bào)文中加入了最優(yōu)發(fā)送功率。仿真結(jié)果表明，在保證低延遲和高吞吐量的前提下，該方法降低了網(wǎng)絡(luò)能量消耗，延長了網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。

第一作者陳雪冬(1967-)，男，1997年畢業(yè)于電子科技大學(xué)自動(dòng)控制專業(yè)，獲碩士學(xué)位，副研究員；主要從事傳感器技術(shù)研究。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)性能功率控制AODV 路由協(xié)議最優(yōu)發(fā)送功率

Abstract：Routing technology is one of the core technologies of wireless sensor network. Due to the energy of the node is limited, and energy saving is significant, the wireless sensor network routing protocol based on power control is proposed. By combining the free space propagation loss model with the dual path propagation model, the calculation formula for optimal transmit power is derived. Considering the routing selection in network layer and the power control in physical layer, one field is added in AODV protocol frame, i.e., the optimal transmit power is added between routing request and reply message. The results of simulation show that in ensuring the promise of low latency and high throughput, the proposed method reduces the network energy consumption, prolongs the survival time of network.

Keywords：Wireless sensor networkNetwork performancePower controlAODV routing protocolOptimal transmission power

0引言

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究技術(shù)中，減少能量消耗，延長網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間是重要研究課題。目前采用功率控制協(xié)議[1-2]或采用族功率(cluster power)協(xié)議[3]的主要思想是控制發(fā)送功率。跨層設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)不同層之間信息的共享[4-6]，減小層間通信與開銷。利用無線傳輸中多跳節(jié)能特征，構(gòu)造節(jié)點(diǎn)有效功率拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而建立高效能量路徑[7-9]。改進(jìn)AODV協(xié)議[10]，聯(lián)合鏈路層和路由層共同為節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)包選擇最優(yōu)發(fā)送功率，從而節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能耗。本文基于AODV[9]協(xié)議進(jìn)行跨層功率控制研究，在網(wǎng)絡(luò)層依據(jù)能量相關(guān)度量構(gòu)造路由表，在物理層依據(jù)路由表動(dòng)態(tài)調(diào)整發(fā)送功率，從而達(dá)到降低節(jié)點(diǎn)能量消耗、延長網(wǎng)絡(luò)生命周期的目的。

1最優(yōu)發(fā)送功率

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，信號(hào)接收功率的衰減與傳輸距離呈冪函數(shù)關(guān)系，且與傳播模型相關(guān)。使用傳播模型預(yù)測接收端所收到的信號(hào)強(qiáng)度，從而判斷傳送的數(shù)據(jù)能否成功被接收。在研究中，往往會(huì)選擇使用傳輸模型估計(jì)接收端所收到的信號(hào)強(qiáng)度，從而判斷傳送的數(shù)據(jù)能否成功被接收。

根據(jù)傳送端和接收端之間干擾情況的不同，存在幾種常用的傳輸模型。常用傳播模型分為自由空間模型、雙徑傳播模型和陰影模型三種[10]。自由空間模型是最理想的模型，只考慮從傳送端到接收端直線距離的路徑損耗。雙徑傳播模型是自由空間模型的改進(jìn)，除了考慮傳送端到接收端直線距離的路徑損耗外，還考慮了地面反射因素。當(dāng)收發(fā)節(jié)點(diǎn)間距離小于距離閾值時(shí)，傳播模型等同于自由空間模型。當(dāng)收發(fā)節(jié)點(diǎn)間距大于距離閾值時(shí)，采用雙徑傳播模型。陰影模型是最復(fù)雜的模型，不僅考慮節(jié)點(diǎn)間直線距離路徑損耗和地面反射因素，而且考慮了傳送端和接收端之間有障礙物時(shí)對傳送信號(hào)的影響。雙徑傳播模型是最逼近真實(shí)環(huán)境的模型，本文采用該模型。

節(jié)點(diǎn)的傳輸功率決定著能量的消耗水平。當(dāng)傳輸功率較大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生額外的消耗；當(dāng)傳輸功率較小時(shí)，節(jié)點(diǎn)之間無法實(shí)現(xiàn)通信。由此可見，在滿足節(jié)點(diǎn)可以正常通信的前提下，設(shè)置最優(yōu)功率作為節(jié)點(diǎn)傳輸功率，可以有效降低節(jié)點(diǎn)能量消耗，改善網(wǎng)絡(luò)性能。因此首先通過功率控制策略，對AODV協(xié)議中節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

雙徑傳播模型發(fā)送功率為：

(1)

式中：Pt為節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率；Pr為節(jié)點(diǎn)接收功率；Gt、Gr分別為發(fā)送天線和接收天線的增益，對固定的節(jié)點(diǎn)，這兩個(gè)值為常量；d為傳送節(jié)點(diǎn)到接收節(jié)點(diǎn)直線距離；L與傳播無關(guān)的系統(tǒng)損耗因子(L≥1)；ht、hr為兩極傳輸模型中收發(fā)兩端的天線高度；dTh為收發(fā)兩端的距離閾值，當(dāng)實(shí)際通信距離小于dTh時(shí)，傳輸模型將退化為自由空間模型，用P0表示此時(shí)節(jié)點(diǎn)接收功率，dTh=4πhthr/λ，其中λ為無線電波波長。

當(dāng)某節(jié)點(diǎn)向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息時(shí)，如果發(fā)送功率較小，會(huì)導(dǎo)致信息無法正常傳輸；如果發(fā)射功率太大時(shí)，會(huì)帶來不必要的能量浪費(fèi)。因此選擇能夠保證節(jié)點(diǎn)正常通信的最優(yōu)功率傳輸數(shù)據(jù)信息，是一種增加節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間的可行方案。

根據(jù)雙徑傳播模型，并結(jié)合電磁波傳播損耗，可以得到接收節(jié)點(diǎn)的接收功率為：

(2)

假設(shè)接收節(jié)點(diǎn)能夠正確檢測并解碼信號(hào)的功率門限閾值為Pth，如果接收到的信息強(qiáng)度大于門限閾值，則此信息會(huì)被成功接收；否則信息傳輸失敗。

接收節(jié)點(diǎn)想要正確檢測并接收數(shù)據(jù)包，應(yīng)該滿足Pr≥Pth，從而有：

(3)

將節(jié)點(diǎn)最優(yōu)發(fā)射功率記作Pm，并取式(3)中的最小值，則有：

(4)

結(jié)合所取的傳播模型，得到最優(yōu)發(fā)送功率Pm為：

[2]American Journal of Bioethics依然是2016年SSCI社會(huì)科學(xué)1區(qū)的重要刊物，鑒于該刊物的學(xué)術(shù)影響力，本論文將其保留作為參照。

(5)

由上式可知，任意兩節(jié)點(diǎn)間的最優(yōu)發(fā)送功率Pm可由節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率Pt、節(jié)點(diǎn)接收功率Pr以及節(jié)點(diǎn)接收功率閾值Pth計(jì)算得到。通過計(jì)算得到最優(yōu)功率后，將其寫入AODV協(xié)議幀參與廣播，從而確定節(jié)點(diǎn)之間的最優(yōu)發(fā)射功率。

2AODV協(xié)議及改進(jìn)方案

2.1　AODV協(xié)議

AODV是具有代表性的按需距離矢量路由協(xié)議，只有需要相互通信的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，才會(huì)進(jìn)行路由查找與維護(hù)，中間節(jié)點(diǎn)提供轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)。AODV協(xié)議假設(shè)無線鏈路是雙向的，其路由機(jī)制包括路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)兩個(gè)階段。

當(dāng)源節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)發(fā)送且無到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的有效路由時(shí)，AODV啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)過程，向網(wǎng)絡(luò)廣播路由請求報(bào)文。收到路由請求報(bào)文的節(jié)點(diǎn)首先判斷是否收到過相同報(bào)文，如果是，則丟棄；如果不是，則根據(jù)路由請求報(bào)文中的信息建立源節(jié)點(diǎn)的反向路由。如果中間節(jié)點(diǎn)含有到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由，會(huì)向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送路由應(yīng)答報(bào)文，否則廣播該路由請求報(bào)文。當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)收到路由請求報(bào)文后，同樣建立反向路由并回復(fù)路由應(yīng)答報(bào)文。

在路由維護(hù)階段，節(jié)點(diǎn)定期發(fā)送消息進(jìn)行鏈路連通性管理。源節(jié)點(diǎn)得到鏈路中斷消息后會(huì)重啟路由發(fā)現(xiàn)過程[10]。

2.2　AODV的改進(jìn)

本文采用雙徑傳播模型，依據(jù)最優(yōu)發(fā)送功率計(jì)算公式，將網(wǎng)絡(luò)層路由過程與物理層功率控制策略相結(jié)合，得到經(jīng)過改進(jìn)的協(xié)議AODV協(xié)議。

傳統(tǒng)的AODV協(xié)議以“最小跳數(shù)”為參數(shù)，在源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間總是選擇跳數(shù)最小的路徑傳輸數(shù)據(jù)，因此隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加，會(huì)引起網(wǎng)絡(luò)中一些節(jié)點(diǎn)過多的發(fā)送數(shù)據(jù)信息，導(dǎo)致最終能量急劇消耗而死亡，從而影響網(wǎng)絡(luò)性能。根據(jù)式(5)可知，在節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率Pt、節(jié)點(diǎn)接收功率Pr以及節(jié)點(diǎn)接收功率閾值Pth已知的情況下，計(jì)算節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)傳輸功率Pm，并自動(dòng)將節(jié)點(diǎn)的傳輸功率調(diào)整為Pm。

首先對AODV協(xié)議幀進(jìn)行擴(kuò)展，在路由請求報(bào)文中添加一個(gè)字段，用于記錄當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率，在路由應(yīng)答報(bào)文中同樣添加用于記錄計(jì)算所得的最優(yōu)發(fā)送功率字段，同時(shí)在路由表中，添加用于調(diào)整節(jié)點(diǎn)功率的兩項(xiàng)信息：分別記錄節(jié)點(diǎn)自己的最優(yōu)傳輸功率和其他節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)傳輸功率。算法描述如下。

① 源節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送，且沒有到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的有效路由時(shí)，啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)過程，向網(wǎng)絡(luò)廣播路由請求報(bào)文。與AODV協(xié)議不同，在路由請求報(bào)文數(shù)據(jù)幀中加入最優(yōu)發(fā)送功率一項(xiàng)并將節(jié)點(diǎn)最大發(fā)送功率Pt寫入，其他節(jié)點(diǎn)也以最大功率轉(zhuǎn)發(fā)路由請求報(bào)文包。

③ 路由回復(fù)過程中，在路由應(yīng)答報(bào)文中添加最優(yōu)發(fā)送功率Pm這一項(xiàng)，并將計(jì)算得到的最優(yōu)發(fā)送功率寫入。

④ 源節(jié)點(diǎn)收到路由應(yīng)答報(bào)文后，建立兩節(jié)點(diǎn)間路由，且以最優(yōu)發(fā)送功率Pm作為發(fā)送功率發(fā)送數(shù)據(jù)。

通過上述措施，將網(wǎng)絡(luò)層的路由過程與物理層的功率控制策略相結(jié)合，從而動(dòng)態(tài)調(diào)整節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率，在保證網(wǎng)絡(luò)性能前提下，降低節(jié)點(diǎn)能量消耗，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。

3仿真與性能分析

3.1　仿真場景與參數(shù)

仿真工具采用NS2平臺(tái)，分別對AODV協(xié)議和Im-AODV協(xié)議進(jìn)行仿真及性能分析。

仿真場景為300 m×300 m的正方形區(qū)域，49個(gè)節(jié)點(diǎn)分布其中，指定右上角節(jié)點(diǎn)為sink節(jié)點(diǎn)，如圖1所示。無線節(jié)點(diǎn)仿真參數(shù)如表1所示。

圖1　節(jié)點(diǎn)分布狀態(tài)圖

參數(shù)數(shù)值傳播模型 雙徑傳播模型帶寬 2bit/s初始能量 50J電波傳輸距離50m接收功率閾值7.69113e-08發(fā)送頻率 9.14e+08接收功率 0.395W監(jiān)聽功率 0.0W

隨機(jī)選擇5個(gè)節(jié)點(diǎn)為數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)，以恒定比特?cái)?shù)向sink節(jié)點(diǎn)發(fā)送恒比特率(constants bit rate，CBR)數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包大小為512 B，每秒分別發(fā)送1、2、4、8、15個(gè)數(shù)據(jù)包，仿真時(shí)間為300 s。

在不同發(fā)送速率下分別進(jìn)行5次仿真，最終數(shù)據(jù)采用5次仿真數(shù)據(jù)的平均值。

3.2　仿真結(jié)果與分析

端到端延遲與吞吐量是衡量網(wǎng)絡(luò)性能的重要指標(biāo)。本文在不同CBR發(fā)送速率下，比較AODV協(xié)議與Im-AODV協(xié)議的平均端到端延遲、網(wǎng)絡(luò)吞吐量，并對兩種協(xié)議的能量消耗進(jìn)行比較，分析采用功率控制對網(wǎng)絡(luò)性能帶來的提升。

在不同CBR發(fā)送速率下，兩種協(xié)議的平均端到端延遲如圖2所示。隨著數(shù)據(jù)包發(fā)送速率的增大，兩者的平均延遲都隨之增大，然而與傳統(tǒng)AODV相比，改進(jìn)后的協(xié)議擁有更小的平均端到端延遲。

圖2　平均延遲曲線

不同CBR發(fā)送速率下，兩種協(xié)議的平均吞吐率曲線如圖3所示。在較小發(fā)送速率時(shí)，兩種協(xié)議吞吐量相同，在較大發(fā)送速率時(shí)，改進(jìn)后的AODV協(xié)議可以增大網(wǎng)絡(luò)吞吐量，提高網(wǎng)絡(luò)性能。

圖3　平均吞吐率曲線

不同CBR發(fā)送速率下，兩種協(xié)議的能量消耗如圖4所示。隨著發(fā)送速率的增大，兩種協(xié)議的能量消耗都隨之增大。與傳統(tǒng)AODV協(xié)議相比，改進(jìn)后的協(xié)議擁有更小的能量消耗，在較大發(fā)送速率下能量消耗更低。

圖4　能量消耗曲線

由此可見，改進(jìn)后的協(xié)議，節(jié)點(diǎn)剩余能量有較大提升，可以有效延長網(wǎng)絡(luò)生命周期，達(dá)到降低能量消耗的目的。

4結(jié)束語

本文依據(jù)功率控制的思想，將網(wǎng)絡(luò)層的路由過程與物理層的功率控制相結(jié)合，對AODV協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，擴(kuò)展AODV協(xié)議幀;并依據(jù)最優(yōu)發(fā)送功率，動(dòng)態(tài)調(diào)整節(jié)點(diǎn)的功率，從而達(dá)到降低節(jié)點(diǎn)能耗的目的。

通過NS2仿真驗(yàn)證，改進(jìn)后的AODV協(xié)議，在保證網(wǎng)絡(luò)較低延遲和較高吞吐量的前提下，可以有效減小節(jié)點(diǎn)能量消耗，從而達(dá)到延長網(wǎng)絡(luò)生命周期的目的。

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中圖分類號(hào)：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201501018

修改稿收到日期：2014-07-15。