基于虛擬力的能耗均衡層次路由協議*

金 鑫,易曉梅,吳 鵬

(浙江農林大學信息工程學院,浙江 臨安 311300)

無線傳感器網絡WSNs(Wireless Sensor Networks)由大量的微型傳感器節點通過多跳自組織的形式組織在一起,其作為一種新型數據采集方式被廣泛地應用于環境監測、軍事行動、智慧農業、智慧醫療和工業現場監測等領域[1-3]。在無源的情況下傳感器網絡最重要的是能耗問題,通常傳感器網絡的部署環境復雜,一旦部署則不能更換電池或為傳感器節點充電,而在數據采集傳輸過程中某些傳感器節點需要轉發大量的數據從而導致節點過早死亡,影響傳感器網絡的生存時間,因此研究能耗均衡路由協議至關重要[4-6]。

分簇路由協議適用于大規模的無線傳感器網絡,如早期提出的LEACH分簇路由協議[7],該協議通過隨機選取簇首,然后進行均勻分簇,最后簇首直接將收集的信息發送至遠程Sink節點。該分簇路由協議沒有考慮簇首節點的剩余能量問題,容易選擇剩余能量低的傳感器節點出任簇首,從而導致該節點過早死亡,且不能保證簇首分布的均勻性,容易出現簇首覆蓋空洞。因此后續研究中充分考慮了LEACH協議存在的問題,如文獻[8]提出了一種基于蟻群算法的改進LEACH路由協議,該協議有效改進了LEACH協議中簇首節點能耗不均衡問題,并且有效均衡了簇首之間的多跳傳輸的能耗。文獻[9]對傳統的LEACH協議簇首選舉方法進行改進,綜合考慮了傳感器節點的剩余能量、距離其他節點之間的距離等因素,能較好的均衡傳感器網絡能耗。文獻[10]提出了一種新的基于分簇的路由協議LEACH-VH,加入新的節點類型稱為副簇首,延長了網絡壽命。文獻[11]對LEACH協議在簇首選擇和成簇方面進行了改進,使得網絡能耗均衡。文獻[12]提出的一種分區與分簇相結合的路由協議,該協議根據節點剩余能量、節點距離Sink節點距離等因素選取區頭和簇首,進行非均勻的分簇。文獻[13]提出了PSO-C協議,該協議利用PSO算法優化選擇的簇首。文獻[14]提出了DEBUC協議,該協議通過控制簇首競爭半徑使得距離Sink節點較近的簇規模較小,從而達到較好的能耗均衡性。

傳感器網絡成簇過程通常采用單一的距離或能量等因素建立函數模型進行普通節點入簇,考慮不夠全面。本文采用虛擬力模型,根據節點、簇首節點的剩余能量,節點和簇首節點的信號強度計算節點和簇首節點的虛擬力,當節點與某個簇首節點的虛擬引力越大,則該節點會選擇加入對應的簇首中。傳統的基于虛擬力的分簇方法很少考慮信號強度因素,然而信號強度在分簇過程中至關重要。當節點的剩余能量很高,但節點間信號強度比較差,那么會導致通訊鏈路質量下降,從而導致數據的轉發次數增加,不利于簇內能耗均衡。根據節點自身和節點間的相關因素計算虛擬力,能夠讓節點加入合理的簇,從而有利于簇內能耗均衡。

1 相關假設和能耗模型

1.1 相關假設

假設總共有N個傳感器節點均勻部署在L×H的矩形區域中,以矩形區域的左下角為原點建立坐標系,Sink節點的坐標為(0,H/2),假設傳感器網絡滿足以下屬性:①傳感器節點初始能量相同,都為E0,且傳感器節點是同構的。②傳感器節點可以獲取自身能量和通過數據包獲知其他節點剩余能量。③傳感器節點具有唯一標識ID,且網絡中傳感器節點位置是未知的。④傳感器節點的發送功率可調節,發射功率與信息傳輸半徑相關,發射功率越大,傳輸半徑越大。⑤Sink節點有源,能量不受限且處理能力強大。

1.2 通信能耗模型

節點發射能耗與節點的發射數據大小、發射功率相關,當發射功率越大對應的通信半徑越大,則消耗的能量越多。接收數據的能耗與數據量大小相關。本文采用文獻[15]提出的通信能耗模型,發射能耗和接收能耗如式(1)、(2)所示。

Etx=kEe+kεampdn

(1)

Erx=kEe

(2)

式(1)、式(2)中:Etx表示信號發送能耗,Erx表示信號接收能耗。Ee表示發射電路處理1 bit數據所消耗的能量,k表示通訊中數據包的大小,單位是bit,εamp表示發送信號的放大倍數,d表示信號發射距離。n為衰減指數,由信號傳輸距離d決定,當d小于臨界距離dc時,n=2,此時滿足自由空間模型,當d大于等于dc時,n=4,滿足多路徑損耗模型。臨界距離dc如式(3)所示。

(3)

式中:L為損耗因子,L大于等于1。hr和ht分別表示接收節點和發送節點的天線距離地面高度。λ為載波波長,可根據傳感器節點的頻率計算得到。

圖1 簇分布示意圖

2 網絡分簇

2.1 競爭半徑

簇首的競爭半徑與簇密度相關,由于越靠近Sink節點的傳感器節點需要為其他節點轉發大量的數據,因此需要消耗較多的能量,而距離Sink節點越遠的傳感器節點為其他節點轉發數據包的數量比較少,因此轉發數據而消耗的能量較少。為均衡網絡能耗,距離Sink節點越近的區域需要更多的簇首分擔網絡負載。本文根據距離Sink節點的最短跳數來為候選簇首節點分配不同的競爭半徑,距離Sink節點越近的最短跳數越小,則分配的競爭半徑越小,從而在相同大小的區域內形成更多數量的簇,如圖1所示。

由于本文傳感器網絡節點位置未知,因此本文使用信號強度(RSSI)半徑作為簇首競爭半徑,簇首競爭半徑cr如式(4)所示。

cr=RSSIr(1-1/hopmin)

(4)

式中:RSSIr表示傳感器節點通訊半徑r處的信號強度。hopmin表示傳感器節點距離Sink節點的最短跳數。當傳感器節點與簇首候選節點之間的信號強度大于cr時,則認為該節點位于簇首候選節點的競爭半徑內。

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2.2 簇首選舉

簇首的選擇決定了傳感器網絡路由的性能。簇首需要接收并轉發簇成員節點采集的數據,因此需要考慮簇首與簇成員的鏈路質量(LQI),且簇規模不能太小,不然分簇效果差,因此需要考慮簇首的度(競爭半徑內的傳感器節點數量),同時簇首需要轉發簇成員節點采集的數據,為了均衡簇首能耗,對簇首的剩余能量有較高要求。

基于上述分析,提出的路由協議綜合考慮了節點的剩余能量、度和節點與鄰居節點的鏈路質量。首先節點間廣播信標幀(beacon),每個節點建立鄰居節點信息表,記錄在競爭半徑內相鄰傳感器節點的信息(包括鄰居節點的剩余能量、鄰居節點與候選簇首節點的鏈路質量和信號強度),如下所示:

IDEjRSSIijLQIij

其中ID表示相鄰傳感器節點的標識,Ej為相鄰傳感器節點的剩余能量,RSSIij為節點i與節點j之間的的信號強度,LQIij為節點i與節點j通訊的鏈路質量。

網絡中每個傳感器節點根據鄰居節點信息表計算權重值W,如式(5)所示。

(5)

式中:α、β、χ為常數,且α+β+χ=1,Ei為節點i的剩余能量,Ej為節點i的競爭半徑內的鄰居節點的剩余能量,E0為傳感器節點的初始能量,D為節點i的度(節點i競爭半徑內鄰居節點的數量,可通過信號強度RSSIij是否大于競爭半徑cr獲得),Da為平均度,可通過式(6)計算得到,LQIij為傳感器節點i與j之間的鏈路質量,LQImax=255。

(6)

如果節點i的權重值W大于其競爭半徑內其他傳感器節點的W值,則選擇該節點為簇首節點。因為節點i在剩余能量、與簇成員節點的鏈路質量、簇首的度上綜合考慮適合出任簇首。簇首向其通信半徑r內的傳感器節點發送簇首報文,告知其相鄰傳感器節點它附近存在的簇首,用于2.3小節加入簇。

2.3 基于虛擬力的成簇方法

通過2.2小節選取了傳感器節點出任簇首后,本小節利用虛擬引力[16]為成簇指標,普通節點根據虛擬引力大小選擇加入某個簇,加入過程如圖2所示。

圖2 節點引力圖

圖中傳感器節點k在簇首i和簇首j的通訊范圍內,此時節點k分別計算與簇首i的引力F2和與簇首j的引力F1。如果F2>F1,則節點k選擇加入簇首i對應的簇中。普通節點入簇不僅要考慮簇首的剩余能量,同時也需要考慮普通節點與簇首節點間的信號強度以及普通節點的剩余能量,當普通節點的剩余能量非常少時,此時應該加入距離最近的一個簇。因此設計的引力F(i,k)如式(7)所示:

(7)

式中:i為簇首節點編號,k為普通節點編號,Ei為簇首節點剩余能量,Ek為普通節點剩余能量,RSSIik為普通節點k與簇首節點i之間的信號強度。

從式(7)可以看出簇首的剩余能量越高,則能吸引更多的普通節點,構建更大規模的簇,而剩余能量低的簇首構建規模較小的簇,因此達到了能耗均衡的目的。同時普通節點k具有更大機會加入距離簇首近的簇。每輪簇首完成固定次數的數據采集,然后按照本文方法重新選擇簇首和分簇。

3 簇間路由

普通傳感器節點采集的數據通過單跳發送給簇首,簇首將數據融合后通過簇首之間多跳的形式最終將數據發送到Sink節點。由于簇首轉發的數據量大,因此需要考慮簇首轉發消息時消耗的能量,本文設計了一種鏈路式的簇首能耗均衡路由協議,該協議充分考慮了簇首的剩余能量以及簇首距離Sink節點的跳數。簇首可通過計算轉發代價選擇下一跳簇首進行數據的轉發。轉發代價如式(8)所示:

(8)

式中:a、b為常數,且a+b=1,i為待轉發節點的編號,j為下一跳簇首節點的編號,E0為傳感器節點初始能量,Ej為下一跳簇首節點的剩余能量,Hj為下一跳簇首距離Sink節點的最短跳數。Hmax為簇首節點i的通訊半徑內所有可選擇的下一跳簇首節點距離Sink節點的最短跳數的最大值。

當待轉發數據的簇首節點i存在多個可選擇的下一跳簇首節點時,計算每個下一跳節點的轉發代價,并選擇最小代價作為下一跳轉發節點。由于簇首之間距離較大,因此簇首節點的通信半徑R=c·r,c為一個常數,r為普通傳感器節點的通訊半徑。

4 仿真實驗

本實驗的硬件環境為8核處理器、16 G內存的服務器,采用MATLAB仿真軟件進行實驗。仿真實驗在L=500 m,H=300 m的矩形區域中部署800個傳感器節點,參照文獻[17]中的傳感器節點參數,如表1所示。傳感器網絡定時采集數據,每個傳感器節點每次采集數據量為128 bit。普通傳感器節點的通訊半徑r=30 m,簇首節點通訊半徑R=2×r。傳感器網絡每輪簇首采集500次信號,然后重新選擇簇首并重新分簇。

表1 仿真實驗參數

圖3 分簇圖

4.1 成簇實驗

根據本文提出的分簇路由協議,分簇結果與距離Sink節點的最短跳數相關,最短跳數越小,對應的競爭半徑越小,最后形成的簇規模也就越小。實驗結果如圖3所示。

實驗結果與理論設計相符合,越靠近Sink節點的傳感器節點跳數越小,形成的簇規模越小,而遠離Sink節點的傳感器節點跳數越大,形成的簇規模越大。因為靠近Sink節點的簇首需要轉發大量的數據,而遠離Sink節點的簇首轉發的數據比較少,因此越靠近Sink節點的簇首需要保留更多的能量用于轉發消息,而構建規模小的簇在采集和轉發簇成員節點方面都能消耗較少的能量,從而達到能耗均衡的目的。

4.2 節點死亡數量

傳感器網絡隨著采集數據的次數增加,某些節點會能量耗盡,實驗對比了最短路徑路由協議、文獻[8]提出的Ant-LEACH路由協議和本文提出的ECFP路由協議,實驗結果如圖4所示,橫坐標為傳感器網絡采集數據次數,縱坐標表示死亡節點的數量。

圖4 死亡節點數量圖

實驗結果表明最短路徑路由協議很早就出現了死亡節點,第1個節點的死亡時間為第724次數據采集時,而且隨著采集次數的增加,死亡節點的數量也在快速增加,Ant-LEACH路由協議才采集了1 800次數據就出現了死亡節點,而本文提出的ECFP路由協議在采集次數為5 500的范圍內沒有出現死亡節點,因此本文提出的ECFP路由協議能夠大大延長網絡的生存時間。

圖5 剩余能量均值圖

4.3 網絡能耗情況

傳感器網絡采集數據會消耗能量,隨著采集次數的增加,網絡的能量消耗也隨之增加,網絡的剩余能量相應降低,實驗結果如圖5所示。圖5中橫坐標為傳感器網絡分簇的輪次,縱坐標為傳感器網絡的剩余能量(nJ),實驗對比了最短路徑路由協議、Ant-LEACH路由協議和本文提出的ECFP路由協議。

實驗結果表明ECFP路由協議在網絡的平均剩余能量方面高于最短路徑路由協議和Ant-LEACH路由協議,且剩余能量的消耗速度比最短路徑路由協議和Ant-LEACH路由協議慢,因為ECFP路由協議經過較少的轉發次數,且ECFP路由協議的簇首會對采集的數據進行數據融合從而減少了數據發送量,因此剩余能量多于最短路徑路由協議和Ant-LEACH路由協議的剩余能量。

傳感器網絡采集5 000次的剩余能量方差實驗結果如圖6所示。總共進行了10輪的簇首選舉和成簇,圖中對比了最短路徑路由協議、Ant-LEACH路由協議和本文提出的ECFP路由協議。實驗結果表明本文提出的ECFP路由協議使得傳感器網絡中的節點剩余能量方差遠遠低于最短路徑路由協議和Ant-LEACH路由協議。這說明ECFP路由協議具有較好的能耗均衡性,也解釋了4.2小節實驗中最短路徑路由協議過早出現節點死亡的原因。

圖6 剩余能量方差圖

5 總結

本文研究了一種基于虛擬力的能耗均衡層次路由協議,該協議首先選舉合適的傳感器節點出任簇首,普通節點根據虛擬力成簇,最后簇首將普通節點采集的數據通過多跳的形式發送至Sink節點。該協議在簇首選擇、成簇和簇首間路由3個階段都充分考慮了能耗均衡問題,因此具有較好的能耗均衡性。該協議與其他分簇路由協議的區別在于簇首分布非均勻且簇規模比較合理,且傳感器節點位置是未知的,因此該協議的適用性廣,但是也存在不足之處,如在簇首選舉時沒有考慮簇首距離Sink節點跳數的問題,后續研究將綜合跳數問題進行簇首選舉。

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