基于節(jié)能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

孫福陽 李安瑩 房鑫平

（沈陽理工大學(xué)，遼寧 沈陽 110159）

1 引言

近年來，WSN已成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。WSN在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)部署大量傳感器節(jié)點(diǎn)，以自組網(wǎng)的形式進(jìn)行無線通信，數(shù)據(jù)采集和處理后發(fā)送給基站。已經(jīng)廣泛應(yīng)用在智能家居、農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖、工業(yè)生產(chǎn)和醫(yī)療監(jiān)護(hù)等常見領(lǐng)域，以及太空探索和應(yīng)急搶險(xiǎn)等特殊領(lǐng)域。由于傳感器本身資源的限制，必須研究更加節(jié)能的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)只考慮網(wǎng)絡(luò)層的性能，往往不能達(dá)到全局優(yōu)化的目的?？鐚觾?yōu)化的思想考慮了物理層、鏈路層和應(yīng)用層等相關(guān)狀態(tài)，有效降低丟包率、誤碼率、發(fā)射功率，更好的提高服務(wù)質(zhì)量，延長WSN生命周期。

目前人們在跨層優(yōu)化的理論上已經(jīng)取得了一定成果。Haythem Bany Salameh等人在文獻(xiàn)[3]中指出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層的特點(diǎn)，提出了跨層優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)模型：多信道非持續(xù)型CSMA的MAC協(xié)議。許力等人研究了MAC和系統(tǒng)吞吐量的問題，利用奪寶接收的思想，提出了一種基于IEEE 802.11 DCF MAC的奪寶接收媒體介入?yún)f(xié)議。李劼等人在參考文獻(xiàn)中打破原有的分層路由設(shè)計(jì)機(jī)制，提出一種多判據(jù)AODV跨層路由優(yōu)化機(jī)制。本文使用聯(lián)合設(shè)計(jì)的跨層優(yōu)化方法，聯(lián)合設(shè)計(jì)物理層、鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層算法來減少傳感器節(jié)點(diǎn)的能量消耗，均衡網(wǎng)絡(luò)能量消耗，延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

2 基于跨層優(yōu)化的分簇路由算法描述

Leach-CLO主要有6個(gè)階段：組網(wǎng)初始化階段，基站發(fā)送廣播統(tǒng)計(jì)所有節(jié)點(diǎn)的剩余能量和節(jié)點(diǎn)與基站的距離，對節(jié)點(diǎn)劃分等級；競選簇頭階段，選擇剩余能量較大且節(jié)點(diǎn)分布密度較高的節(jié)點(diǎn)作為簇頭節(jié)點(diǎn)；簇建立階段，簇頭節(jié)點(diǎn)發(fā)送入簇廣播，成員節(jié)點(diǎn)加入RSSI強(qiáng)且成員節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)沒有達(dá)到上限的簇頭節(jié)點(diǎn)；簇內(nèi)通信階段，簇頭節(jié)點(diǎn)分配時(shí)隙給成員節(jié)點(diǎn)，獲得時(shí)隙的成員節(jié)點(diǎn)與簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，簇頭節(jié)點(diǎn)需要去掉冗余數(shù)據(jù)；簇間通信階段，使用鏈路質(zhì)量和剩余能量制定路由選擇，以多跳的形式將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到基站；功率控制階段，通過路由選擇好下一跳路由后，通過下一跳間距離制定最優(yōu)發(fā)射功率。其中簇間通信具體步驟如下：

（1）簇間通信鏈路協(xié)議使用：簇間通信指簇頭間通信，簇首消耗能量較大，當(dāng)節(jié)點(diǎn)能量耗盡或者遭到破壞會(huì)導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生改變，因此鏈路層協(xié)議采用基于競爭的S-MAC協(xié)議，同時(shí)考慮到簇頭節(jié)點(diǎn)間距離也比較遠(yuǎn)，對無線資源競爭相對較小，采用S-MAC協(xié)議也可以提高對信道的利用率。

（2）簇間通信路由設(shè)計(jì)：簇間路由使用多跳的路由方式進(jìn)行路由。以基站為圓心，分別以d、2d...nd為半徑，其中d決定了兩級梯度的寬度，設(shè)檢測區(qū)域半徑為R，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為N，簇頭節(jié)點(diǎn)概率為p，r為當(dāng)前輪數(shù)，則。將檢測區(qū)域分為n個(gè)階區(qū)，n+1d～nd的區(qū)域?yàn)閚級區(qū)域，在其內(nèi)的簇頭稱n級簇頭，并將各個(gè)簇頭的級別存在調(diào)度信息表中。

在路由選擇時(shí)，監(jiān)測區(qū)域的大小、部署節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)、通信半徑、節(jié)點(diǎn)位置等都會(huì)嚴(yán)重影響路由的選擇。本文在路由選擇時(shí)共分為四個(gè)優(yōu)先級去選擇路由下一跳節(jié)點(diǎn)，其中第一級優(yōu)先級最高，第四級優(yōu)先級最低。n級簇頭節(jié)點(diǎn)需要從鄰居節(jié)點(diǎn)中找下一跳節(jié)點(diǎn)，其中上一級簇頭節(jié)點(diǎn)是第一優(yōu)先級，上一級成員節(jié)點(diǎn)是第二優(yōu)先級，相同級簇頭節(jié)點(diǎn)是第三優(yōu)先級，相同級成員節(jié)點(diǎn)是第四優(yōu)先級。從高優(yōu)先級到低優(yōu)先級的順序選擇下一跳節(jié)點(diǎn)。

鏈路質(zhì)量的好壞與路由性能密切相關(guān)，鏈路質(zhì)量差往往會(huì)增加報(bào)文發(fā)送的誤碼率、丟包率等，造成網(wǎng)絡(luò)能量的浪費(fèi)。應(yīng)選擇鏈路質(zhì)量較好的簇頭節(jié)點(diǎn)以降低數(shù)據(jù)碰撞和信號干擾，減少數(shù)據(jù)重發(fā)概率。同時(shí)到考慮能量均衡問題，本文使用鏈路因子（Eefficency）作為路由選擇下一跳的指標(biāo)，Eefficency最大的節(jié)點(diǎn)作為路由選擇的下一跳，且Eefficency滿足Eefficency=z×LQI/255+（1-z）Eresidual/Einitid，其中，z為小于1的正數(shù)，為了延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期，使用輪的工作形式，每輪都要更換簇頭，更新該調(diào)度信息表。

結(jié)語

在分簇的結(jié)構(gòu)下，將剩余能量與節(jié)點(diǎn)密度作為控制參數(shù)控制簇頭選擇；設(shè)定定時(shí)器的方式避免大量簇頭過于集中，計(jì)算出最優(yōu)簇頭的個(gè)數(shù)，控制簇頭個(gè)數(shù)過多或過少造成的通信開銷；簇內(nèi)通信時(shí)，通過TDMA的方式分配時(shí)隙，成員節(jié)點(diǎn)直接與簇頭節(jié)點(diǎn)通信，降低成員節(jié)點(diǎn)間通信時(shí)競爭與干擾，分配更多時(shí)隙給成為路由中繼節(jié)點(diǎn)的成員節(jié)點(diǎn)，降低數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)的延遲；簇間通信時(shí)使用SMAC協(xié)議，通過CSMA/CD的方式使用信道，減少空閑偵聽的能量消耗，使用剩余能量與鏈路質(zhì)量作為路由選擇依據(jù)；使用功率控制技術(shù)，控制發(fā)射功率大小，降低發(fā)送數(shù)據(jù)的能量消耗，實(shí)現(xiàn)延長網(wǎng)絡(luò)生命周期的目的。

[1]許力.無線AdHoc環(huán)境下基于跨層設(shè)計(jì)和多包接收的媒體接入控制算法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2005（06）.

[2]李劼，李軍，李智，等.基于跨層設(shè)計(jì)的多判據(jù)AODV路由優(yōu)化機(jī)制[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)（工程科學(xué)版），2009，31（05）：749-752.

[3]Haythem Bany Salameh, Tao Shu,Marwan Krunz. Adaptive cross-layer MAC design for improved energy-efficiency in multi-channel wireless sensor networks.Ad Hoc Networks, August, 2007.