基于事件驅動保持網絡連通性的WSNs路由協議*

吳玉成， 張麗玲， 胡 真， 付紅玉

(重慶大學 通信工程學院,重慶 400044)

基于事件驅動保持網絡連通性的WSNs路由協議*

吳玉成， 張麗玲， 胡 真， 付紅玉

(重慶大學 通信工程學院,重慶 400044)

為保證無線傳感器網絡(WSNs)的連通性，延長網絡有效工作期，提出了一種事件驅動成簇、能量高效均衡的路由協議。該協議避免了與事件無關的節點參與成簇而消耗能量，通過簇首選舉的控制消息延時轉發節省了網絡能量，建立了綜合考慮當前節點剩余能量和包含其鄰居節點的平均剩余能量、當前節點到鄰居節點和Sink節點距離的中繼路由法則。仿真結果表明：與采用預成簇的AEEC協議和事件驅動成簇的ARPEES協議相比，所提出的路由協議推遲了首個死亡節點的出現時間，使WSNs有效工作期分別提高了4.3倍和47 %。

無線傳感器網絡； 路由； 分簇； 事件驅動； 有效工作期

0 引 言

無線傳感器網絡(WSNs)中，分簇路由協議[1]通過節省網絡能量和均衡網絡能耗有效延長網絡壽命[2]，卻因過早出現死亡節點而破壞整個網絡的連通性[3]，縮短了網絡有效工作期，因此,研究有效的能量均衡路由協議對保證WSNs的連通性具有重要意義。

LEACH[4]( low-energy adaptive clustering hierarchy)協議是最早提出的分簇路由協議，采用簇首周期輪換操作以避免少數節點因頻繁擔任簇首而過度消耗能量,但該協議在進行簇首選擇時未考慮候選節點的剩余能量[5]、不論距離遠近均采用單跳方式等，導致部分節點易較早失效。HEEP[6](hybrid energy efficiency protocol)在分簇協議中引入鏈式結構[10]，簇內數據在相鄰節點間鏈式傳輸并及時進行融合處理，最后到達簇首節點；簇首間采用同樣的方式將監測數據發送給Sink節點。該協議降低了簇首對簇內數據收集與融合的能量消耗，也克服了LEACH協議單跳傳輸的缺陷，但數據回傳的中繼節點始終由簇首擔當，并非最優化路由。AEEC[7](adaptive and energy efficient clustering)協議在LEACH協議基礎上對簇的數目、大小和分布進行了優化設置，并引入選舉節點收集周圍節點的剩余能量信息以輔助成簇，有效均衡了網絡能耗，但在能量節省方面存在不足。ARPEES[8](adaptive routing protocol with energy efficiency and event clustering for wireless sensor networks)協議采用事件驅動成簇機制[9]節省成簇能量消耗，同時利用多跳方式避免遠距離傳輸，有效延長了網絡的生命周期，但保持網絡連通性的效果并不理想。

針對現有分簇路由協議在保持網絡連通性方面的不足，本文提出了一種事件驅動成簇、能量高效均衡的路由協議。該協議避免了與事件無關的節點參與成簇而消耗能量，通過簇首選舉的控制消息延時轉發節省了網絡能量，建立了綜合考慮當前節點剩余能量和包含其鄰居節點的平均剩余能量、當前節點到鄰居節點和Sink節點距離的中繼路由法則，從而推遲網絡中首個死亡節點的出現時間，最大限度保持網絡連通性，達到延長WSNs有效工作期的目的。

1 協議描述

為提高分簇路由協議在WSNs應用中的有效性，本文從兩個方面對其進行改進：一方面通過采用事件驅動成簇和控制消息延時轉發等方式來節省能量和均衡能耗以延長網絡生命周期；另一方面，根據當前節點及其鄰居節點的剩余能量選擇不同中繼路由法則以推遲網絡中首個死亡節點的出現時間，最大限度保持網絡連通性，延長網絡有效工作期。為此，本協議采用以下幾點措施：1) 采用事件驅動代替時間驅動，避免不必要的數據發送產生能耗；2) 簇與事件相關聯，減少成簇消耗，有利于數據融合的充分性和有效性；3) 控制消息延時轉發，減少網絡負載和發射能耗；4)簇首節點競選時兼顧考慮候選節點與鄰居節點的連通性因素；5) 根據簇首節點到Sink節點距離建立單跳或多跳回傳路由；6) 根據當前節點剩余能量狀況信息選擇不同的中繼節點選取法則。下面從網絡初始化、簇的形成以及數據傳輸三個階段對本協議進行詳細描述。

1.1 網絡初始化階段

通過人工或飛行作業將大量無線傳感器節點隨機部署在監測區域，盡可能將Sink節點安置在監測范圍的中心區域，以方便全網節點與Sink節點的相互通信。網絡部署完后，Sink節點以可覆蓋整個監測區域的發射功率廣播網絡初始化消息。所有傳感器節點根據接收到的網絡初始化消息的信號強度估算自身與Sink節點之間的距離，并采用載波偵聽多路訪問(CSMA)方式以初始化發射功率向周圍節點廣播包含節點自身ID、剩余能量以及到Sink節點距離的消息。各傳感器節點根據接收到的節點信息的信號強度估算與鄰居節點的距離，在鄰居節點信息表中記錄相應信息。若某節點的鄰居節點信息表中沒有任何相關信息，則表明該節點成為了孤立節點。對于孤立節點可通過逐漸增大自身的發射功率廣播節點消息，任何接收到該消息的節點及時回復以告知當前節點。收到回復信息后，當前節點立即停止進一步廣播，并根據回復信息完善自身鄰居節點信息表。

經過以上初始化操作，監測區域所有傳感器節點構成了一個以Sink節點為基站的全連通WSNs，通過節點間協作通信實現相應事件監測作業。

1.2 簇的形成階段

網絡初始化流程結束后，傳感器節點進入節能監測模式以保持自身能量。當監測區域發生異常狀況，事發地點周圍的傳感器節點因監測到異常數據而進入正常工作模式，這些節點稱之為當前事件的相關節點。開啟正常工作模式的相關節點立即根據式(1)計算自身的簇首競爭機率Pch(i)(i表示節點ID)，具有最大競爭機率的相關節點成為當前事件的簇首

maxPch(i)→當前事件簇首節點,

(1)

式中 Eres(i)，E0分別為候選節點的剩余能量和初始化能量；ds(i)為候選節點到Sink節點的距離；Nnb(i)，N分別為候選節點的鄰居節點數目和網絡初始化節點數目；kx(x=1,2,3)為影響因子，決定各影響因素的相對權重，可根據不同應用需求做相應調整，但需滿足kx>0，且∑kx= 1。

簇首節點選擇與成簇流程如下：

1)各相關節點根據自身簇首節點競爭機率計算出一個等待時間Ti=(1-Pch(i))×T0，并開始計時。其中，i為節點ID，T0為一個時間常量。可見，簇首節點競爭機率越小的節點等待時間越長。同時，生成自身簇首節點競爭消息，該消息包含節點ID和競爭機率Pch(i)。

2)Ti計時期間，若接收到來自其他節點的簇首競爭消息，則保存該消息；否則，當Ti計時結束，立即廣播自身簇首節點競爭消息。每個相關節點僅廣播一次簇首競爭消息：自身的或是接收到的第一條來自其他節點的競爭消息，忽略除此以外的其他簇首節點競爭消息。

3)經過時間段TN(TN>T0)，所有相關節點根據持有的簇首節點競爭消息中的ID信息，采用CSMA方式將自身監測數據發送給簇首節點。若簇首節點不在該相關節點的鄰居節點信息表中，則通過增大發射功率方式向簇首節點傳送數據。

4)簇首節點接收簇內相關節點的監測數據，進行融合處理后得到有效監測數據。

事件驅動成簇機制避免無關節點參與成簇而產生的能量消耗，事件影響區域與成簇范圍的相互對應提高了數據融合的充分性和有效性。此外，簇首節點競爭消息的延時轉發策略避免競爭機率小的相關節點廣播自身簇首節點競爭消息，在一定程度上減少了網絡負載，也節省了節點能量。

1.3 數據傳輸階段

數據傳輸階段的主要目的是將有效監測數據從簇首節點傳送回Sink節點。簇首節點首先查詢Sink節點是否在自身鄰居節點信息表中，若是，則采用單跳方式直接將有效監測數據發送給Sink節點；否則，采用多跳中繼方式進行數據回傳，如圖1所示。

圖1 建立數據傳輸路由的流程圖

下一跳節點的選擇流程如下：

1)查詢Sink節點是否在當前節點的鄰居節點信息表中，若是，則以Sink節點作為下一跳節點，算法結束。

2)否則，根據當前節點的剩余能量狀況選擇由法則1或者法則2來確定下一跳節點。

法則1： 當Eres(c)<0.1E0且Eres(c)

maxQrn(i)→下一跳節點.

(2)

法則2： 當前節點剩余能量不滿足法則一中條件時

Qrn(i)=Eres(i)/ds(i),?i∈M,

maxQrn(i)→下一跳節點.

(3)

其中，Eres(c)為當前節點剩余能量；E0為節點初始化能量；i為節點ID。M為當前節點鄰居節點信息表中滿足比當前節點距離Sink節點更近的節點集合。Eaver為當前節點和M中所有節點的平均剩余能量。ds(i),dc(i)分別為節點i到Sink節點的距離以及節點i到當前節點的距離。

通過以當前節點剩余能量與鄰居節點平均剩余能量做比較來靈活選擇法則1和法則2，使得當前節點在剩余能量相對充足的情況下盡可能實現單跳遠距離傳輸，而在當前節點在剩余能量相對不足的情況下選擇距離較近、能量相對較多的鄰居節點作為中繼路由節點。該策略一方面有利于促進網絡能量高效均衡，另一方面有助于推遲首個死亡節點的死亡時間，盡可能保持網絡的最大連通性，對延長整個WSNs的有效工作期起到重要作用。

2 仿真結果與分析

為了評價協議的性能，采用Matlab仿真平臺對WSNs環境監測應用場景進行模擬實現，將本文協議與AEEC及ARPEES協議進行對比仿真，具體仿真參數為：網絡覆蓋區域為500m×500m，傳感器節點數目為200,節點初始化功率半徑R0為87.7m,節點初始化能量E0為0.2J,數據包長度LdP為200byte，控制包長度LcP為50byte，事件相關區域半徑Revent為50m。

圖2為3種協議在網絡剩余能量的對比。AEEC協議的網絡能量消耗速度最快，在第2 500輪事件后剩余能量基本變為0；ARPEES協議的網絡能耗速度較AEEC協議緩慢許多，網絡剩余能量在10 000輪事件后才趨于0；而本文協議的網絡剩余能量下降最緩，持續到13 000輪事件后，即本文協議在節省網絡能量方面優勢明顯。

圖2 網絡剩余能量比較

圖3為網絡存活節點數目的比較，AEEC協議在第1 141輪事件時出現首個死亡節點，第2 140輪事件時，存活節點剩余50 %，經歷2 150輪事件后存活節點數目不足原有節點總數的10 %；ARPEES協議出現首個死亡節點的時間是第1 582輪事件，經歷7 700輪事件后節點死亡數目達50 %，11 620輪事件之后存活節點數目不足10 %；而本文協議的首個死亡節點是在經歷了10 756輪事件之后，11 290輪事件時死亡節點超過50 %，經歷了12 030輪事件后存活節點下降到10 %。假設存活節點數占網絡總節點數50 %以上為網絡的有效工作期，而存活節點數不足10 %時認為網絡無法繼續正常工作，生命周期結束，那么,本文協議的有效工作期較AEEC協議提高了4.3倍，較ARPEES協議提高了47 %，而生命周期較AEEC協議提高了4.6倍，較ARPEES協議提高了4 %，從而在網絡生命周期內最大限度地保證了節點存活率和網絡連通性。

圖3 存活節點數目比較

圖4、圖5為各傳感器節點剩余能量情況統計圖，統計時間分別為第2 000輪和第5 000輪。從兩幅圖可以得到如下結論：采用ARPEES協議的網絡中各存活節點的剩余能量相對渙散，表明其均衡網絡能耗的能力有所欠缺，不能更好地延長網絡的有效工作期；AEEC協議雖然在均衡網絡能耗上有一定的優勢，但在能量節省方面表現很差；而采用本文協議的網絡在經歷了相同的事件輪次后，相對其他兩種協議各節點保持有更多的剩余能量，同時網絡中各節點剩余能量大致分布在一個較小的波動范圍，表明所有節點能量損耗得到了很好的均衡。

圖4 各節點剩余能量(第2 000輪)

圖5 各節點剩余能量(第5 000輪)

3 結束語

針對現有分簇式路由協議在保持網絡連通性以延長WSNs有效工作期方面的不足，本文提出了一種事件驅動成簇、能量高效均衡的路由協議，將事件驅動成簇機制、簇首控制消息延時轉發、考慮節點能量與位置的中繼路由法則有機結合起來，從而在延長網絡生命周期的同時推遲了首個死亡節點的出現時間，最大限度保持網絡連通性，延長了WSNs有效工作期。仿真結果表明：與采用預成簇的AEEC協議和事件驅動成簇的ARPEES協議相比，本文協議在節省網絡能量和均衡能耗方面優勢明顯，較大幅度地提升了網絡的生命周期和有效工作期。

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Event-driven WSNs routing protocol for

network connectivity maintaining*WU Yu-cheng, ZHANG Li-ling, HU Zhen, FU Hong-yu

(College of Communication Engineering,Chongqing University,Chongqing 400044,China)

To ensure connectivity of wireless sensor networks(WSNs)and extend effective working time of networks,a new routing protocol with efficient and balanced energy based on event-driven clusters is proposed.The protocol cut energy consumption produced by nodes unrelated to the event participating cluster,and save network energy by delayed transmission of the controlled information of the cluster head election,establish relay routing rule with a comprehensive consideration of residual energy of the current nodes including average residual energy of neighbor nodes,and distance from current node to neighbor nodes and Sink nodes.Simulation results show that, compared with the pre-clustering AEEC and event-driven clustering ARPEES protocols, the proposed routing protocol prolongs the time of the first death node and thus increases effective working time of the WSNs by 43 times and 47 % respectively.

wireless sensor networks(WSNs); routing; clustering; event-driven; effective working time

2014—09—15

國家自然科學基金資助項目(61201177)；重慶市自然科學基金重點資助項目(CSTC2013JJB4004)

10.13873/J.1000—9787(2015)04—0140—04

TN 92

A

1000—9787(2015)04—0140—04

吳玉成(1971-)，男，河南光山人，博士，教授，從事寬帶無線通信研究。