無線傳感器網(wǎng)絡能量感知增強樹型路由協(xié)議研究*

何杏宇，周亦敏，楊桂松*，王 偉

（1.上海理工大學實驗室管理與服務中心，上海 200093；2.中國科學院云計算中心，東莞 523808）

無線傳感器網(wǎng)絡能量感知增強樹型路由協(xié)議研究*

何杏宇1，周亦敏1，楊桂松1*，王 偉2

（1.上海理工大學實驗室管理與服務中心，上海 200093；2.中國科學院云計算中心，東莞 523808）

現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議普遍采用設定固定最小能量閾值的方法來避免低剩余能量的節(jié)點被選為數(shù)據(jù)轉發(fā)節(jié)點，以防止因節(jié)點過早死亡而導致的網(wǎng)絡結構破壞。然而這種方法缺乏應用靈活性。在本研究提出的能量感知增強樹型路由協(xié)議中，設定了隨著網(wǎng)絡整體能量下降而動態(tài)變化的節(jié)點剩余能量閾值，以使得網(wǎng)絡中所有節(jié)點的能量均衡下降，且采用了同質(zhì)化加權求和的方法將鄰居節(jié)點節(jié)省的路由跳數(shù)和剩余能量同時考慮進路由決策過程。最后，實驗結果顯示該協(xié)議可進一步提高網(wǎng)絡穩(wěn)定性。

無線傳感器網(wǎng)絡；能量感知增強樹；動態(tài)剩余能量閾值；同質(zhì)化加權求和

無線傳感器網(wǎng)絡WSN（Wireless Sensor Networks）是一種由大量分布式自治傳感器節(jié)點通過相互合作來感知或監(jiān)測物理和環(huán)境狀況的新型網(wǎng)絡［1-2］。這些傳感器節(jié)點本身在存儲、計算、通信帶寬和能量供應方面的資源受限，其中，傳感器節(jié)點的有限能量對網(wǎng)絡穩(wěn)定性和網(wǎng)絡壽命的限制尤為明顯［3］。因此，能量感知和能量效率問題則成為無線傳感器路由協(xié)議研究中的熱點［4-7］。

樹型路由TR（Tree Routing）由于它的簡單性成為無線傳感器網(wǎng)絡中一種較為基礎的路由策略。但是，樹型路由協(xié)議的一個主要缺點是隨著加入網(wǎng)絡的子孫節(jié)點的增多，路由跳數(shù)的計算量也快速增加。并且，樹型路由協(xié)議并沒有完全利用存儲在節(jié)點內(nèi)的鄰居表。為了能充分利用鄰居表信息，文獻［8-9］提出了增強樹型路由 ETR（Enhanced Tree Routing）協(xié)議。除了父子鏈路，增強樹型路由協(xié)議還使用了和一跳鄰居節(jié)點之間的鄰居鏈路，通過判定使用該鄰居鏈路能夠產(chǎn)生出比樹型路由跳數(shù)更短的路由捷徑。雖然這將有效減少系統(tǒng)的存儲和計算代價，在網(wǎng)絡路由跳數(shù)和能量消耗方面會更加優(yōu)越。但是存在這樣一個問題：如果被選擇的下一跳節(jié)點本身具有較少的剩余能量，那么通過它來轉發(fā)數(shù)據(jù)包將會加速該鄰居節(jié)點的死亡速度，從而導致網(wǎng)絡死亡節(jié)點個數(shù)增加，網(wǎng)絡拓撲結構發(fā)生變化。

為了避免低剩余能量的節(jié)點被選為轉發(fā)節(jié)點，目前的路由協(xié)議普遍采用設定固定最小能量閾值的方法來篩去剩余能量較少的節(jié)點［10-11］，該方法應用靈活性較差，當固定最小能量閾值設定過大時，不能保障當網(wǎng)絡中所有節(jié)點的剩余能量都小于最小能量閾值時網(wǎng)絡的繼續(xù)運行。而文獻［12］提出的動態(tài)能量閾值模型僅和時間相關，并不是直接和網(wǎng)絡中的能量變化相關，不能較好地反映了網(wǎng)絡節(jié)點的實際能量消耗狀態(tài)。

為此，本研究提出能量感知增強樹型路由EAETR（Energy-Aware Enhanced Tree Routing）協(xié)議，在使用增強鏈路的同時，把鄰居節(jié)點的剩余能量信息同時考慮進路由決策過程，設定隨著網(wǎng)絡整體能量下降而動態(tài)變化的節(jié)點剩余能量閾值，該動態(tài)的剩余能量閾值直接和網(wǎng)絡中能量的變化相關，在網(wǎng)絡初期節(jié)點初始能量比較高時，動態(tài)剩余能量閾值的變化相對快，隨著網(wǎng)絡能量的消耗，網(wǎng)絡中大多數(shù)節(jié)點的剩余能量都比較低，動態(tài)剩余能量閾值變化開始減慢，不僅保證網(wǎng)絡中所有節(jié)點能量是均衡下降的，直至所有節(jié)點的能量都消耗殆盡，避免了個別節(jié)點的過早死亡，維持了網(wǎng)絡拓撲結構，提高了網(wǎng)絡穩(wěn)定性。另外，本研究中的算法在綜合考慮節(jié)點剩余能量和節(jié)省跳數(shù)這兩個不同質(zhì)的單目標時，不同于以往直接加權求和［13-15］，例如，文獻［15］中直接將鄰居節(jié)點個數(shù)和節(jié)點剩余能量這兩個不同質(zhì)的對象進行加權求和。考慮到不同因素的衡量量化值的差距，本文則是先通過比例的方式分別將這兩個不同質(zhì)的單目標轉換為同質(zhì)化后再進行加權求和，這樣更具合理性。

1 能量感知增強樹型路由協(xié)議

1.1 網(wǎng)絡參數(shù)定義

在能量感知增強樹型路由協(xié)議中，能量感知增強鏈路必須是增強鏈路，為了判定能量感知增強鏈路，首先需要確定增強鏈路的存在以找到相對于樹型路由來說更短的路由捷徑，然后根據(jù)鄰居節(jié)點的剩余能量信息選擇最優(yōu)的鄰居節(jié)點為下一跳節(jié)點，在進行詳細判定之前，為方便闡述現(xiàn)給出以下幾個定義：①對網(wǎng)絡中任意2個節(jié)點Ni和Nj，NCA（Ni，Nj）為Ni和Nj所具有最大網(wǎng)絡深度的共同祖先節(jié)點；②當前路由決策節(jié)點Nm的目的節(jié)點為Nd，鄰居節(jié)點為Nn，若數(shù)據(jù)包由Nm→Nn→Nd所經(jīng)過的路由跳數(shù)少于樹型路由中Nm→Nd所經(jīng)過的路由跳數(shù)，那么Nm到Nn之間存在增強鏈路；③對當前路由決策節(jié)點Nm和它的目的節(jié)點Nd，Nm所對應的網(wǎng)絡深度為dm，Nd所對應的網(wǎng)絡深度為dd，鄰居節(jié)點Nn對應的網(wǎng)絡深度為dn，NCA（Nm，Nd）對應的網(wǎng)絡深度為dmd。

同時，一定的網(wǎng)絡地址分配機制能夠保證任意一個節(jié)點的網(wǎng)絡地址能夠決定它的網(wǎng)絡深度，并且任意兩個節(jié)點Ni和Nj的網(wǎng)絡地址能夠決定它們的NCA（Ni，Nj）節(jié)點的網(wǎng)絡深度。

如圖1所示，當前路由決策節(jié)點Nm的網(wǎng)絡深度為dm，目的節(jié)點Nd的網(wǎng)絡深度為dd，Nm和Nd的共同祖先節(jié)點NCA（Nm，Nd）的網(wǎng)絡深度為dmd。Nm的鄰居為Nn，Nn的網(wǎng)絡深度為dn，Nn與Nd的共同祖先節(jié)點NCA（Nn，Nd）的網(wǎng)絡深度為dnd。

對于網(wǎng)絡中任意一對源和目的節(jié)點來說，為了判定是否存在鄰居節(jié)點Nn，使得Nm→Nn→Nd所經(jīng)過的路由跳數(shù)少于樹形路由中Nm→Nd所經(jīng)過的路由跳數(shù)，當前路由決策節(jié)點Nm將分別計算出樹型路由的路由跳數(shù)HTR和增強樹型路由的路由跳數(shù)HETR。數(shù)據(jù)包經(jīng)過樹型路由到達目的節(jié)點Nd所需要的路由跳數(shù)HTR為：

在使用鄰居表的情況下，Nm將計算出數(shù)據(jù)包通過一跳鄰居節(jié)點Nn到達目的節(jié)點Nd所需要的路由跳數(shù)HETR：

圖1 增強鏈路的判定

那么，相對于樹型路由來說，數(shù)據(jù)包通過與該一跳鄰居Nn形成的鏈路到達Nd所能節(jié)省的路由跳數(shù)為：

如果ΔH＞0，那么增強鏈路存在，則路由的下一跳節(jié)點Nx是鄰居節(jié)點Nn，即ΔH=HTR-HETR＞0，并且參數(shù)之間滿足如下關系：

反之如果ΔH≤0，說明經(jīng)過Nn并不能形成比樹型路由更短的路由捷徑，數(shù)據(jù)包將沿著樹型路由路徑發(fā)送。如圖1所示，其中Nm→Nn的虛線表示待判定的增強鏈路，假如式（4）成立即存在路由捷徑，則形成增強鏈路，否則就拋棄。在圖1中，根據(jù)式（3）可知ΔH=HTR-HETR=6-4=2，那么增強鏈路存在且可以通過使用增強鏈路節(jié)省2跳的路由跳數(shù)。

1.2 能量感知增強鏈路的判定

能量感知增強樹型路由協(xié)議（EAETR）在使用鄰居表來尋求路由捷徑的時候，如果存在多個鄰居節(jié)點，EAETR不僅僅考慮通過使用這些鄰居節(jié)點形成的路由捷徑所能節(jié)省的路由跳數(shù)，而且還把這些鄰居節(jié)點本身的剩余能量信息考慮進路由決策過程來選擇最優(yōu)的下一跳節(jié)點。在EAETR中，根據(jù)EAETR協(xié)議得到的下一跳鄰居節(jié)點稱為EAETR鄰居節(jié)點，與EAETR鄰居節(jié)點之間的鏈路稱為EAETR鏈路。

在無線傳感器網(wǎng)絡中，由于網(wǎng)絡的稠密部署，當前路由決策節(jié)點會掃描到多個鄰居節(jié)點，對于當前路由決策節(jié)點所掃描到的k（k≥1）個鄰居節(jié)點來說，并不是通過所有的鄰居節(jié)點都能形成比樹型路由跳數(shù)要少的路由捷徑，也就是說，在這k個鄰居節(jié)點中，只有滿足式（4）的鄰居節(jié)點才具備形成路由捷徑的條件。那么，EAETR鄰居節(jié)點必定是從滿足式（4）的鄰居節(jié)點之中進行選擇。為了進一步研究，假定有l(wèi)（1≤l≤k）個鄰居節(jié)點滿足式（4），這些鄰居節(jié)點用集合N來描述，N=｛N1，N2，…，Ni，…，Nl｝，這里Ni（1≤i≤l）代表第i個可以形成路由捷徑的鄰居節(jié)點。同時，集合H用來描述和這l個鄰居相關聯(lián)的其所能節(jié)省的路由跳數(shù)，H=｛ΔH1，ΔH2，…，ΔHi，…，ΔHl｝，這里ΔHi（1≤i≤l）代表著通過使用第i個鄰居所形成的路由捷徑所能節(jié)省的路由跳數(shù)，該結果可以根據(jù)式（3）計算得到。并且，這l個鄰居節(jié)點所對應的剩余能量值用集合E來表示，E=｛E1，E2，…，Ei，…，El｝，這里Ei（1≤i≤l）意味著第i個鄰居本身的剩余能量。很明顯，由于網(wǎng)絡能量消耗的不均，對于這l個鄰居節(jié)點來說，通過其所形成的路由捷徑所能節(jié)省的路由跳數(shù)以及其本身所攜帶的剩余能量可能是不同的。本研究給定節(jié)點的動態(tài)剩余能量閾值為ˉE，只有剩余能量值大于ˉE的鄰居節(jié)點才能承擔數(shù)據(jù)轉發(fā)的任務。給定網(wǎng)絡的初始節(jié)點個數(shù)Ninitial，網(wǎng)絡節(jié)點的初始能量Einitial，這里定義ˉE為：

這里，α為協(xié)調(diào)系數(shù)用來調(diào)整網(wǎng)絡節(jié)點初始能量Einitial的減小速度，x為節(jié)點剩余能量閾值 ˉE的變化次數(shù)。這種設計在實際程度上反映了網(wǎng)絡節(jié)點的能量消耗狀態(tài)，在網(wǎng)絡初期節(jié)點初始能量比較高，動態(tài)剩余能量閾值ˉE的變化可以快一點，隨著網(wǎng)絡能量的消耗，網(wǎng)絡中大多數(shù)節(jié)點的剩余能量都比較低，動態(tài)剩余能量閾值ˉE的變化可以開始減慢。

EAETR使用下面的判定過程來找出EAETR鄰居節(jié)點，并建立當前路由決策節(jié)點和EAETR鄰居節(jié)點之間的EAETR鏈路。

這里假定有r（r≤l）個鄰居節(jié)點的剩余能量大于或等于能量閾值，這些鄰居節(jié)點用集合NT來描述，NT=｛N1，N2，…，Ni，…，Nr｝，1≤i≤r，且NT?N。同時，集合HT用來描述和這r個鄰居節(jié)點相關聯(lián)的其所能節(jié)省的路由跳數(shù)，HT=｛ΔH1，ΔH2，…，ΔHi，…，ΔHr｝，1≤i≤r，且HT?H。并且，這r個鄰居節(jié)點所對應的剩余能量值用集合ET來表示，ET=｛E1，E2，…，Ei，…，Er｝，1≤i≤r，且ET?E。

可見，對于任意一個這樣的鄰居Ni∈NT，1≤i≤r，在路由決策過程中，和鄰居節(jié)點相關聯(lián)的所能節(jié)省的路由跳數(shù)和鄰居節(jié)點本身的剩余能量是兩個重要的判定參數(shù)，可以把其具有的這兩個參數(shù)表示為Pi=（ΔHi，Ei），1≤i≤r，用P來表示所有剩余能量大于ˉE的鄰居所具有的這兩個參數(shù)的集合，這里P=（P1，P2，…，Pi，…，Pr），1≤i≤r。那么，在EAETR中，選擇哪一個這樣的鄰居作為下一跳節(jié)點非常重要。

對于任意一個這樣的鄰居Ni∈NT，WΔHi用來表示使用第i（1≤i≤r）個鄰居形成的路由捷徑所能節(jié)省的路由跳數(shù)在所有r個鄰居所形成路由捷徑所能節(jié)省的路由跳數(shù)中所占的比率，這里，

同樣，對于任意一個這樣的鄰居Ni∈NT，WEi用來表示第i（1≤i≤r）個鄰居本身的剩余能量在所有r個鄰居所具有的剩余能量中所占的比率，這里，

那么，能量感知單元Fi的最大值Fmax可以通過如下公式計算得到，

因此，EAETR將根據(jù)式（9）選擇能量感知單元具有最大值的鄰居節(jié)點為最優(yōu)下一跳節(jié)點，該鄰居節(jié)點即為EAETR鄰居，當前路由決策節(jié)點Nm將建立與該鄰居節(jié)點之間的EAETR鏈路來傳輸數(shù)據(jù)包。如圖2所示，當前路由決策節(jié)點Nm將在自己的r個鄰居中選擇EAETR鄰居來發(fā)送數(shù)據(jù)包到目的節(jié)點Nd，根據(jù)式（9）判定之后，Nm選擇鄰居節(jié)點N2為下一跳鄰居節(jié)點，并建立與N2之間的EAETR鏈路，通過鄰居節(jié)點N2不僅可以得到比樹型路由更短的路由捷徑，而且其本身還具有充足的能量轉發(fā)數(shù)據(jù)包。

雖然上述判定方法可以快速發(fā)現(xiàn)鄰居節(jié)點，但是為了減少判定次數(shù)以節(jié)省計算量，研究發(fā)現(xiàn)該過程存在以下幾種情況：如果目的節(jié)點Nd是當前節(jié)點Nm的鄰居節(jié)點，則EAETR鏈路存在且下一跳節(jié)點Nx= Nd；如果目的節(jié)點Nd不是當前節(jié)點的鄰居節(jié)點，但它是當前節(jié)點的祖先節(jié)點，那么下一跳節(jié)點為父節(jié)點Np，即Nx=Np；如果目的節(jié)點Nd既不是當前節(jié)點的鄰居節(jié)點又不是其祖先節(jié)點，但是它是當前節(jié)點的子孫節(jié)點，那么下一跳節(jié)點為子節(jié)點Ns，即Nx=Ns；如果目的節(jié)點Nd既不是當前節(jié)點的鄰居節(jié)點又不是其祖先節(jié)點，也不是它的子孫節(jié)點，而是鄰居節(jié)點的父節(jié)點或子節(jié)點，那么EAETR鏈路存在且下一跳節(jié)點為鄰居節(jié)點Nn，即Nx=Nn；如果目的節(jié)點Nd既不是當前節(jié)點的鄰居節(jié)點又不是其祖先節(jié)點，也不是它的子孫節(jié)點，更不是鄰居節(jié)點的父節(jié)點或子節(jié)點，那么對此節(jié)點進行EAETR鏈路判斷，若EAETR鏈路存在，則下一跳節(jié)點為鄰居節(jié)點Nn，若EAETR鏈路不存在，下一跳節(jié)點是當前節(jié)點的父節(jié)點Np。根據(jù)EAETR得到的路由協(xié)議如圖3所示。

圖2 EAETR鏈路的判定

圖3 能量感知增強樹型路由協(xié)議

2 能量感知增強樹型路由協(xié)議性能評估

本研究使用OMNet++網(wǎng)絡事件驅動仿真軟件，利用基于IEEE802.15.4模型的ZigBee網(wǎng)絡對TR，ETR和 EAETR協(xié)議分別進行仿真，重點分析了EAETR協(xié)議在減少網(wǎng)絡節(jié)點死亡個數(shù)和保持網(wǎng)絡結構方面的性能。

如圖4所示，網(wǎng)絡中的死亡節(jié)點個數(shù)隨著網(wǎng)絡運行時間不斷增加，EAETR能極大縮減網(wǎng)絡中死亡節(jié)點個數(shù)，實驗結果表明，相對于TR和ETR協(xié)議來說，EAETR協(xié)議能夠分別縮減大約38%和22%的死亡節(jié)點個數(shù)。分析該項網(wǎng)絡性能的原因在于，ETR協(xié)議在選擇下一跳鄰居節(jié)點的時候，不考慮節(jié)點的剩余能量信息，低能量節(jié)點很快死亡，而EAETR協(xié)議在選擇下一跳鄰居節(jié)點的時候，避開了那些剩余能量比較低的節(jié)點參與路由決策，并且設置了動態(tài)的剩余能量閾值，使得網(wǎng)絡中各節(jié)點的能量均衡下降，減少了節(jié)點死亡過早的概率，提高了網(wǎng)絡穩(wěn)定性，延長了網(wǎng)絡的生命期。

圖4 網(wǎng)絡中死亡節(jié)點個數(shù)

如圖5所示，網(wǎng)絡節(jié)點的鄰居節(jié)點個數(shù)隨著時間發(fā)生變化。對于ETR協(xié)議來說，隨著網(wǎng)絡運行，網(wǎng)絡中節(jié)點的鄰居節(jié)點個數(shù)明顯減少。相對來說，EAETR協(xié)議中隨著網(wǎng)絡運行，網(wǎng)絡中節(jié)點的鄰居節(jié)點個數(shù)幾乎不發(fā)生變化。顯然，EAETR協(xié)議因具有動態(tài)能量感知特性，有利于網(wǎng)絡結構的保持和網(wǎng)絡穩(wěn)定性的提高。

圖5 網(wǎng)絡中節(jié)點的鄰居個數(shù)

3 結束語

本文提出了能量感知增強樹型路由協(xié)議，采用了同質(zhì)化加權求和的方法將鄰居節(jié)點節(jié)省的路由跳數(shù)和剩余能量同時考慮進路由決策過程，并通過設定動態(tài)的剩余能量閾值，使得網(wǎng)絡中各節(jié)點的能量均衡下降，避免了節(jié)點過早死亡，有利于維持網(wǎng)絡結構和提高網(wǎng)絡穩(wěn)定性。

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何杏宇（1984-），女，上海理工大學實驗員，主要研究方向為物聯(lián)網(wǎng)與無線傳感器網(wǎng)絡，xy_he@usst.edu.cn；

楊桂松（1982-），男，上海理工大學講師，主要研究方向為無線傳感器網(wǎng)絡、機會網(wǎng)絡、物聯(lián)網(wǎng)與嵌入式系統(tǒng)設計等，gs_yang@aliyun.com。

Research on Energy-Aware Enhanced Tree Routing Protocol for Wireless Sensor Networks*

HE Xingyu1，ZHOU Yimin1，YANG Guisong1*，WANG Wei2
（1.Lab Management and Service Center，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China；2.Cloud Computing Center，Chinese Academy of Science，Dongguan，523808，China）

To avoid network structure being destroyed by early death of nodes with low residual energy for being selected as forwarding nodes，the current wireless sensor network routing protocols generally use a fixed residual energy threshold approach.However，this approach lacks flexibility in application.An Energy-Aware Enhanced Tree Routing（EAETR）protocol is proposed in this study，in which a dynamic residual energy threshold is set to change as node energy decreases so that network energy declines in a balanced way，and a homogenization weighted sum is used to consider both saving hops and residual energy of a neighbor node in the routing decision process.Stimulation results show that the protocol can further improve network stability.

Wireless Sensor Networks；energy-aware enhanced tree；dynamic residual energy threshold；homogenization weighted sum EEACC：6150P

TP393.04

A

1004-1699（2015）04-0551-06

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.04.017

項目來源：國家自然科學基金項目（61472256，61202376）；上海市工程中心建設項目（GCZX14014）；上海市重點科技攻關項目（14511107902）；上海市一流學科建設項目（XTKX2012）；滬江基金研究基地專項項目（C14001）

2014-07-30 修改日期：2015-01-21