一種可靠傳輸的WSNs能耗均衡路由協議*

金 鑫， 易曉梅

(浙江農林大學 信息工程學院，浙江 臨安 311300)

0 引 言

研究節能均衡的路由算法對無線傳感器網絡(wireless sensor networks,WSNs)的發展意義重大[3]。文獻[4]提出了一種改進的低能量自適應聚簇分層(low energy adaptive clustering hierarchy,LEACH)路由協議，該協議根據簇頭數量估算某個節點成為簇頭的概率，并周期性的進行簇頭選舉。文獻[5]提出了一種非均勻的分簇方法使得簇頭能量消耗均衡。分簇路由算法屬于層次路由算法的一種，適用于大規模的WSNs,但存在一些不足，如很容易導致某些簇頭過熱而使該節點能量提早消耗殆盡，造成網絡空洞。

WSNs鏈路式路由算法適合小規模的傳感器網絡,如文獻[6]提出了一種基于改進蟻群算法的WSNs路由協議，對蟻群算法進行改進，充分考慮了轉發節點的剩余能量，因此能達到均衡網絡能耗的目的。文獻[7]提出了一種基于能耗均衡的可靠路由協議，綜合考慮了節點的剩余能量、距離Sink節點的跳數以及向量節點間的距離，因此在停車誘導系統中表現出了優秀的均衡性。文獻[8]提出了一種適用于樓宇的WSNs能耗均衡路由協議，在平面路由協議的基礎上增加了負載均衡的概念，延長了網絡的生存時間。文獻[9]研究了一種基于代價函數的WSNs能效路由協議，該代價函數考慮了發送節點、轉發節點以及接收節點的剩余能量使得網絡能耗均衡。文獻[10,11]都研究了合理的代價函數，通過計算代價選擇合理的轉發節點以達到能耗均衡的目的。

以上研究在能耗均衡方面考慮的并不是很完善，有些研究需要特定條件的傳感器，如需要傳感器節點的位置信息、障礙物感知能力等，但普通的傳感器節點需要通過定位算法或全球定位系統(global positioning system,GPS)模塊才能獲取位置信息，且很少有傳感器節點能主動感知到障礙物。本文針對上述問題提出一種適合普通節點的能耗均衡路由協議，該協議充分考慮了節點剩余能耗、距離Sink節點跳數、鏈路質量以及丟包率等因素，使得傳感器網絡能耗均衡且信息傳輸可靠度高。

1 相關假設與定義

假設傳感器節點具有如下性質：1)傳感器網絡中節點都具有唯一的ID號；2)所有傳感器節點初始能量相同且能量受限，但是Sink節點能量不受限；3)節點位置未知；4)當兩個節點間的丟包率發生突變時認為兩個節點間出現障礙物或障礙物消失。

定義1傳感器網絡節點在t時刻的剩余能量均值和方差作為評價傳感器網絡能量均衡的標準，均值越大，說明路由協議越節能;方差越小，說明網絡中能量分布越均衡。網絡能量的均值(A(t))和方差(V(t))分別為

(1)

式中Ei(t)為節點運行t時刻后剩余的能量；M為傳感器網絡中除Sink節點外的存活節點數量。均值越大且方差越小時認為該路由協議能起到很好的能耗均衡作用。

定義2WSNs的生存周期為網絡中前10 %的節點能量耗盡的時間。

2 無線通信模型

本文采用文獻[12]的無線能耗模型，包括發送能耗模型和接收能耗模型，其中發送能耗主要包括信號發射電路和信號放大電路，接收能耗主要包括信號接收電路。由于和通信能耗相比，節點內部的其他能耗較低，因此忽略。

數據包發送過程中發送節點和接收節點的能耗為

Etx=k×Ee+k×εamp×dn,Erx=k×Ee

(2)

3 路由協議

3.1 網絡拓撲建立

WSNs通過廣播信標(beacon)幀建立網絡的拓撲結構。首先Sink節點開始向其鄰居發送信標幀，鄰居節點接收到信標幀后從信標幀中獲取發送節點的編號(節點ID)、剩余能量(ENERGY)、接收信號強度指示(received signal strength indication,RSSI)、節點間通信鏈路質量指示(link quality indication,LQI)和距離Sink節點的最小跳數HOP和節點與其鄰居節點之間的丟包率(packet loss rate,PLR)。節點利用這些信息建立鄰居節點路由表，路由表的格式如表1所示。

表1 鄰居節點路由表

網絡拓撲的建立過程如圖1所示，圓形表示傳感器節點，字母表示節點編號，數字為距離Sink節點的最短跳數，在初始時刻每個節點距離Sink節點的最小跳數為無窮大。

圖1 網絡拓撲建立

1)初始時刻,Sink節點向外廣播信標幀，如圖1(a)所示，其中,傳感器節點b，c，d，e，f收到了信標幀，則這些節點記錄距離Sink節點的最小跳數為1跳。2)收到信標幀的節點再次向其鄰居節點廣播信標幀，如圖1(b)中c節點收到Sink的信標幀后又向其鄰居節點轉發信標幀，a，h節點收到信標幀后記錄距離Sink節點的跳數為2，而d節點是Sink節點的鄰居節點又是c節點的鄰居節點，當其收到c節點轉發的信標幀時，并不更新跳數，而是保持原來的最小跳數1跳。3)當所有節點都向鄰居節點轉發了信標幀后，網絡拓撲建立完成，如圖1(c)所示。

通過上述方法建立了網絡拓撲結構，每個節點都建立了鄰居節點路由表。

3.2 路由選擇

為了使傳感器網絡能耗均衡，轉發節點的選擇方法至關重要。假設節點i采集了數據，則需要將數據轉發給其鄰居節點j，但存在多個鄰居節點，節點i根據存儲在路由表中的鄰居節點信息，計算、選擇轉發代價最小的鄰居節點作為轉發節點。代價函數為

(3)

式中E0為節點初始能量；Ei為節點i的剩余能量；Ej為鄰居節點j的剩余能量；Rij為節點i和節點j之間的信號強度；Rmin為節點i與鄰居節點的信號強度最小值，因為信號強度為負值，因此，|Rmin|最大；Lij為節點i與鄰居節點j之間的鏈路質量；Lmax為節點i與鄰居節點的鏈路質量最大值；Hj為鄰居節點j距離Sink節點的跳數；Hmax為節點i的鄰居節點中距離Sink節點最大跳數；α，β，χ，γ為常數，且α+β+χ+γ=1，在實際應用中需要根據經驗取值。

代價函數考慮了式中各參量對消息轉發消耗能量的影響，利于協議選取最小代價進行路由選擇。

4 仿真實驗

采用MATLAB平臺進行仿真實驗，實驗中傳感器節點部署區域是一個長為150 m，寬為90 m的矩形區域，如圖2所示，傳感器節點在部署區域中滿足泊松分布，Sink節點位于部署區域右側正中間。文獻[11]提出了傳感器節點真實情況下的能耗參數，實驗中相關參數為:Ee為50 nJ/bit；d

圖2 節點部署區域

4.1 傳感器網絡能量均值測試

傳感器網絡的能量均值如圖3所示，本文的路由協議剩余能量略低于ACO路由協議，因為ACO路由協議總是按照最短路徑發送數據包，但本文提出的路由協議需要考慮能耗均衡，平均發送路徑的跳數要多于ACO路由協議，因此，消耗的能量略高于ACO路由協議。

圖3 能量均值

4.2 傳感器網絡能量方差測試

實驗發現剩余能量均值并不能反映出路由協議的能耗均衡性，通過剩余能量方差驗證提出的路由協議的能耗均衡性。實驗結果如圖4所示,結果表明使用ACO路由協議的方差比本文提出的路由協議大，且方差增長速度大，隨著發送數據包數量以指數增長，而本文提出的路由協議方差與發送數據包數量呈正相關。因為本文路由協議中，當下一跳節點被選擇為轉發節點的頻率太高，消耗能量多時，根據代價函數計算的代價機會變大，則下一次被選擇為轉發節點的概率就降低，因此本文路由協議會根據代價動態的選擇其他節點，在傳輸數據包的過程中能量消耗比較均勻，傳感器網絡能量剩余方差比較小，且增長速度也比較緩慢。

圖4 剩余能量方差

4.3 傳感器網絡生存時間

能耗均衡的目的是為了防止網絡中某些節點過早死亡而出現網絡空洞。文中假設傳感器網絡中前10 %的節點死亡意味著傳感器網絡的死亡，本文利用傳感器網絡的最大發包數量表示傳感器網絡的生存時間。實驗結果如圖5所示。每次實驗，傳感器節點都滿足泊松分布部署在區域中，不同實驗，網絡拓撲圖不同。

圖5 網絡生存時間

實驗結果表明本文提出的路由協議比ACO路由協議發送的數據包多，傳感器網絡每隔一定的時間采集1次數據，并發送給Sink節點，使用本文提出的路由協議網絡生存時間得到了延長。從實驗結果可知，不同的網絡拓撲對網絡的生存時間也存在影響。

5 結 論

設計了一種綜合考慮了節點剩余能量、跳數、信號強度和鏈路質量的路由協議，能很好地均衡網絡中的能量，延長了網絡的生存時間。但該協議還存在不足之處，如更適合小規模的傳感器網絡，后續將針對大規模傳感器網絡設計一種能量均衡的路由協議。