WSN中基于節點能力的路由選擇方法

賈斌　谷孝東

摘 要：無線傳感器網絡節點的電源能量非常有限，節點一旦能量過低就無法正常工作，由此甚至導致傳感器網絡的癱瘓，因此有關傳感器網絡節點的節能、能量均衡成為WSN研究的一個重點。該文提出一種WSN節點基于節點本身的剩余能量、歷史統計的數據流量、每個周期發送和接收數據所消耗的能量來預測節點自身在下一傳輸周期中所具有的傳輸能力，并將傳輸能力通告給其周圍的鄰居節點，以使鄰居節點在選擇路由節點時避免選擇傳輸能力較低的節點而導致傳輸任務失敗、引用網絡癱瘓，從而延長無線傳感器網絡的生命周期。

關鍵詞：無線傳感器 節點 能量 流量 能力 預測

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）11（b）-0137-02

傳感器網絡系統通常包括傳感器節點（Sensor Node）、匯聚節點（Sink Node）和管理節點[1]。傳感器節點由傳感器模塊、處理器模塊、能量供應模塊和無線通信模塊等4部分組成[1]。傳感器模塊負責監測區域內信息的采集和數據轉換；處理器模塊負責控制整個節點的操作、存儲和處理本身采集的數據和其他節點傳送過來的數據；無線通信模塊負責與其他節點進行通信，交換控制消息和收發數據；能量供應模塊為上述模塊的正常運行提供能量，通常采用微型電池供電。

對無線傳感器網絡節點的能耗研究一直是無線傳感器網絡的研究熱點之一，該文首先介紹無線傳感器網絡有關節點能耗研究的情況，然后提出一種基于節點能力的路由選擇方法。

1 WSN節點能耗研究概述

目前已有眾多有關無線傳感器節點能耗的研究，分別涉及傳感器節點節能、基于能耗進行分簇和基于能耗進行路由選擇等方面，下面分別進行簡述，以期為讀者提供一種技術概況。

1.1 傳感器節點節能

無線通信節點由發送、接收或空閑狀態切換到休眠狀態時，由于狀態切換會消耗能量并產生時延，因此，合適的切換策略至關重要，如果切換策略不合適，不僅無法節能，反而會增加能耗。文獻[1]給出了只有在兩種狀態之間的時長超過門限時才可實現節能。同時，文獻[1]還給出了節點A向節點B發送個字節的數據時所消耗的能量為：，接收個字節所消耗的能量為：。

1.2 基于能耗進行分簇

文獻[2]提出了一種基于剩余能量的簇頭預測方法，在該方法中，簇頭節點接收來自簇內各節點的感知數據和剩余能量，簇頭對簇內每個節點的剩余能量值進行記錄。在簇頭預測階段，簇頭通過計算每個簇成員節點的值來預測新的簇頭，其中值通過下式得到：。根據簇頭預測原則，原簇頭將選擇最小的成員節點作為新一輪次中的簇頭。

LEACH是一種基于分簇的路由協議，網絡中節點輪流作簇頭，均衡了網絡中能量的消耗[3]。針對LEACH協議的不足之處，文獻[4]提出了一種基于能量消耗的無線傳感器網絡路由優化算法，該方法通過確定簇頭節點個數，通過確定節點當選為簇頭節點的概率，這在一定程度上實現了簇頭節點分布平衡，有效降低節點的能量消耗，延長網絡的生命周期。

1.3 基于能耗進行路由選擇

在無線傳感器網絡中，由于存在多個匯聚節點，網絡中的數據可以匯報給任何一個匯聚節點，這樣就面臨路徑選擇的問題，如果路徑選擇不當，同樣會存在某個節點的能量消耗過于嚴重而導致的整個網絡的能耗不均衡的問題。文獻[5]針對上述問題，提出了一種基于剩余能量和多匯聚節點的工業無線傳感網多路徑可靠數據傳輸方法，在該方法中，傳輸分組的節點可以在剩余能量較高的鄰居節點中選擇期望傳輸次數最小的鄰居作為轉發節點，或者可以選擇能夠到達sink節點中的能量級別最高的下一跳節點。通過這種機制，可以減少每次數據傳輸的能量消耗并均衡節點間的能量消耗，同時每個節點都維護了多條路徑，提高傳輸可靠性。

為在數據路由時能夠選擇合適的傳感器節點，解決無線多媒體傳感器網絡中節點電源能量、計算、通信和存儲能力受限等問題，文獻[6]提出了一種面向數據收集的多媒體傳感網能量有效節點選擇方法，在該方法中，先構建一個能量消耗模型以評估任意時刻每個節點的能量剩余量，綜合考慮節點間相關性與節點能量值，從能量值高于允許能量最低值的所有非選擇節點中選擇一個與選擇節點集合相關性最小的節點，將其加入至選擇節點集合中，直至所有非選擇節點的能量值均低于允許能量最低值。由于該算法能結合實際情況確保每個節點的能量不被耗盡，從而有效地減少了傳感器節點數據傳輸量和能量消耗，延長了網絡的整體生存周期。

2 基于節點能力的路由節點選擇

無線傳感器網絡是一個能量受限的網絡，路由節點的選擇必須要考慮到節點中當前所剩余的能量。上述文獻中雖然涉及根據鄰居節點的能量信息選擇路由節點，但均沒有涉及根據節點自身的歷史流量信息和節點剩余能量預測節點自身在下一周期的傳輸能力，該文基于此，提出一種傳感器節點根據自身的歷史流量信息和節點剩余能量預測節點自身在下一周期的傳輸能力，并將該能力通告給其鄰居節點，使得鄰居節點能夠根據該節點的能力信息確定是否選擇該節點作為下一跳節點，這樣能夠保證傳輸任務的順利進行，避免了傳輸能力較低的傳感器節點承擔了傳輸任務卻不能完成傳輸任務而導致網絡癱瘓，從而延長了網絡的生命周期。

2.1 中間節點預測下一周期的傳輸流量

該文中，源節點將數據傳輸給匯聚節點的過程稱為一個傳輸周期，除了源節點和匯聚節點之外的節點稱為中間節點。假設某個中間節點已完成了K次傳輸，即經過了K個傳輸周期，該節點計算發送單位數據流量所消耗的能量，接收單位數據流量所消耗的能量為，計算方法可采用文獻[1]給出的方法。

統計K個傳輸周期中每個傳輸周期內該中間節點已發送和接收的數量流量，設已發送的流量分別為，已

接收的流量為，則平均每個傳輸周期內該中間節點發送的流量為，接收的平均流量為，不考慮節點的其他能量損耗，則當前節點已經消耗的能量為。

設中間節點的初始能量為，則當前該節點的剩余能量為。中間節點預測下一傳輸周期本節點的發送流量和接收流量，一種預測方法是直接將前K個周期的平均發送流量B和平均接收流量C作為下一周期內的發送流量和接收流量。也可以采用如下方法：

設K個周期內相鄰兩個周期之間的發送流量差為，其平均值是，相鄰周期接收的數量流量差為，其平均值是，設第K-1周期該中間節點發送和接收的真實的流量分別為和則下一周期該節點的發送流量預測值為，下一周期該節點的接收流量預測值為。

2.2 中間節點預測下一周期內自身的傳輸能力

中間節點根據預測的下一周期的發送流量和預測的接收流量計算下一周期需要消耗的能量：。

如果≤，則表示該中間節點有能力完成下一周期的傳輸任務，但可能不能完成下一周期后的再次傳輸。如果，則表示該中間節點有可能不能完成下一周期的傳輸任務，如果選擇該節點作為下一次傳輸的路由節點，則可能因該節點不能完成傳輸任務而導致整個網絡癱瘓。

2.3 中間節點通告自身的傳輸能力

中間節點將自身的傳輸能力信息通告給自己的鄰居節點，在通告信息中表明自身是否可能完成下一次的傳輸任務，例如：用1表示可以完成下一次的傳輸任務，用0表示存在不能完成下次傳輸任務的風險。這樣，其他節點在接收到該中間節點的通告消息后，根據該節點通告的能力信息，可確定是否需要選擇該中間節點作為下一跳的路由節點，可避免該中間節點被選擇為路由節點但卻不能完成傳輸任務而導致網絡癱瘓，從而延長了網絡的生命周期。

3 結語

該文對傳感器節點節能、基于能耗進行分簇以及基于能耗進行路由選擇等方面的文獻進行梳理分析，在此基礎上提出一種WSN節點基于節點本身的剩余能量、歷史統計的數據流量、每個周期發送和接收數據所消耗的能量來預測節點自身在下一傳輸周期中所具有的傳輸能力，并將傳輸能力通告給其周圍的鄰居節點，以使鄰居節點在選擇路由節點時避免選擇傳輸能力較低的節點而導致傳輸任務失敗、引用網絡癱瘓，從而延長無線傳感器網絡的生命周期。仿真實驗測試結果表明該方法在一定程度上能夠延長網絡生命周期，增強網絡的魯棒性。

參考文獻

[1] 謝利強.無線傳感器網絡能量管理與能耗優化研究[D]. 北京：北京郵電大學，2008.

[2] 北京交通大學.一種應用于無線傳感器網絡的分簇節能路由方法：中國，CN101227413A[P].2008-07-23.

[3] 長春理工大學.基于路徑能量消耗及節點剩余能量的多層分簇算法：中國，CN104780583A[P].2015-07-15.

[4] 東北電力大學.一種基于能量消耗的無線傳感器網絡路由優化算法：中國，CN102802175A[P].2012-11-28.

[5] 江蘇邁利科技發展有限公司.一種基于剩余能量和多匯聚節點的工業無線傳感網多路徑可靠數據傳輸方法：中國，CN103686920A[P].-2014-03-26.

[6] 南京郵電大學.面向數據收集的多媒體傳感網能量有效節點選擇方法：CN103916941A[P].2014-07-09.