無線傳感器網絡中ＥＲＡＲＰ拓撲控制算法

摘要：為了延長無線傳感器網絡的生命周期，進行了無線傳感器網絡中節能路由協議的探索性研究，提出了一種新的節能路由協議并將其具體實現。首先分析了傳感器網絡應用的特點以及設計和應用中的限制，綜述了現有傳感器網絡中節能路由設計的方法，設計并實現了一種基于能量的半徑自適應路由協議ERARP；然后在OPNET仿真平臺上對該協議進行了仿真模擬；最后與無線傳感器網絡傳統的兩種節能路由協議基于信息協商的傳感器網絡協議和直接擴散協議在同等條件下針對節點能量使用、延遲、丟包率和吞吐量等四個性能評價指標進行了對比。結果表明，ERARP使得節點能夠根據自身剩余能量的狀況對節點的運行模式進行控制，同時對無線模塊的收發半徑進行動態調整，達到節能目的。

關鍵詞：無線傳感器網絡； 能量感知； 半徑自適應

中圖分類號：TP393文獻標志碼：A

文章編號：1001－3695(2008)03－0847－04

0引言

隨著無線通信技術、電子工藝技術、嵌入式處理器和無線廣播通信技術的進步，開發低花費、低能量、小尺寸、多功能的傳感器節點成為可能。這些小的感知節點由傳感器、數據處理單元、通信組件等組成，它們可以用來監控多種不同的環境[1]。由這些傳感器構成的無線傳感器網絡引起了人們的極大關注。

無線傳感器網絡通常由大量的傳感器節點構成，這些節點能夠協作地實時監測、感知和采集網絡分布區域內的各種環境或監測對象的信息，并對這些信息進行處理，獲得詳盡而準確的信息。在網絡的生命周期時間內，傳感器節點能夠將收集到的信息周期地傳送到收發器節點，這些收發器節點或者是基站或者是移動節點。例如，傳感器網絡可以向醫生報告所監控病人的心率、血壓等情況，以便主治醫師進行相應的處理。傳感器網絡可以使人們在任何時間、地點和任何環境條件下獲取大量詳實而可靠的信息。因此，這種網絡系統可以被廣泛地應用于國防軍事、國家安全、環境監測、交通管理、醫療衛生、制造業、反恐抗災等領域[2]。

傳感器節點是無線的，并且它們有很高的能量限制。進一步說就是在許多應用中，通過替代電池來更新能量幾乎是不可能的。因此，在傳感器網絡中，一個關鍵的挑戰是在數據的傳遞過程中盡量限制能量以便最大化傳感器節點開發之后的網絡生命周期。

根據觀察，想要擴展網絡生命周期必須要做到兩點：a)傳感器節點本身必須盡可能是能量有效的；b)傳感器節點對任務的協調收集策略必須是能量有效的。動態地調整電壓并且增加電源的放電能力以便延長網絡生命周期的方法已經有相關研究，最近也有許多能量有效的協調策略被提出。然而，當電源替代是不現實時，網絡的生命周期不能超過特定的時間，這時網絡的能力主要依靠節點的初始電源能量，所以，在無線傳感器網絡中，如何利用現有的能量資源延長網絡的生命周期，研究出優化的路由通信協議是無線傳感器網絡技術中非常關鍵的一環[3]。

本文針對無線傳感器網絡中節點能量有效使用這一特定背景，選擇了通過路由協議來達到對節點所攜帶的電池能量的節約使用的設計與實現工作。

設計一個高效傳輸數據的網絡路由協議，必須考慮節點本身的能量因素，根據節點自身能量狀況通過動態調整節點自身信息處理狀態的方法來盡可能地發揮無線傳感器網絡的優勢，達到網絡有限資源，特別是電池所攜帶的寶貴資源的優化配置和使用。

本文的主要研究工作在于設計并實現一種節能的無線傳感器網絡路由協議，即基于能量的半徑自適應無線傳感器網絡路由協議（energybased radius selfadaptive wireless sensor networks routing protocol，ERARP）。該協議根據節點自身的能量狀態來動態地調整節點作為源發起節點、轉發節點、轉發但降低傳輸半徑三種運行模式狀態之間的調整和維護，通過調節傳感器節點的發射功率來降低節點無線收發的半徑，最終達到節能的目標。

通過這種方式來對協議的原理進行設計，對于所設計的協議最后通過OPNET進行仿真模擬，考察該協議在能量優化使用、延遲、丟包率、吞吐量等性能進行仿真和評價。主要是通過所設計的協議和經典的兩種節能路由協議SPIN和DD進行上述各性能的評比。

1無線傳感器網絡簡介

在傳感器網絡中，傳感器節點任意散布在被檢測區域內，具體可以通過人工埋置、飛行器散播等方式實現。節點以自組織形式構成網絡，每個節點可以收集數據，這些數據可以通過單跳方式直接送到基站，也可以通過多跳中繼方式將監測到的數據傳送到隱蔽的接收節點，隱蔽接收節點可以直接與通信衛星或Internet相連接，然后將整個區域內的數據傳送到遠程中心進行處理，以實現檢測者與傳感器節點間的通信功能[4]。

典型的傳感器網絡結構如圖1所示。

圖1中給出的體系結構主要體現的是平面的路由策略。從另外一個角度，也可以將傳感器網絡的體系結構看成下述形式，如圖2所示。該結構按照分層的簇集路由結構進行了數據傳遞過程的描述。不同的節點集合組成相對獨立的簇，簇內節點由所選出的簇頭節點管理，簇間信息的傳遞通過簇頭節點進行，這個過程與傳統網絡中的分層式路由相似。

在傳感器網絡中，匯聚點往往個數有限，而且能量能夠得到補充，而傳感器節點數目非常龐大，通常采用不能補充的電池提供能量。傳感器節點具有終端節點和路由器兩個方面的功能：實現數據的采集和處理，執行匯聚點的命令；實現數據的融合和路由，對本身采集的數據和收到其他節點發送的數據進行綜合，轉發路由到匯聚點。因此，傳感器網絡主要研究的是傳感器節點。

對于無線自組網、蜂窩、藍牙等無線網絡，首要的設計目標是提供良好的通信服務質量和高效地利用無線網絡帶寬。由于移動節點可以不斷地獲得電能補充，節點的能量考慮放在次要位置；而傳感器網絡存在著嚴重的能量約束問題，其首要設計目標就是高效使用傳感器節點的能量，在完成應用要求任務的前提下，盡量延長整個網絡系統的生存期。

傳感器節點由處理模塊、通信模塊、傳感器模塊和能量供應模塊四部分組成。其中前三個模塊消耗能量。隨著集成電路工藝的進步，處理器和傳感器模塊的功耗均很低。無線通信模塊可以處于發送、接收、空閑或睡眠狀態。空閑狀態就是監聽無線信道上的信息，但不發送或接收；睡眠狀態就是無線通信模塊處于不工作狀態。

圖3給出了傳感器節點各個模塊能量消耗情況[5]。

從圖中可以看出，在傳感器節點上，通信模塊消耗能量的比例是最大的，因此，通信模塊的節能是本文研究的重點。通信模塊節能策略的實現與網絡協議的設計密切相關。下面分別從通信模塊的節能策略和網絡協議兩個方面來研究無線傳感器網絡的能量有效性問題。

2ERARP原理

2．1無線傳感器網絡中的能耗

假設無線傳感器網絡可以表示為一個帶權的圖G（V，E）。V代表網絡中的節點集，每個節點具有一個自身能量水平的屬性。E代表網絡中的邊集合，所謂邊指的是在信息通信范圍內的節點對。每一個邊的權代表兩個節點間傳送單位數據時的能量消耗度量。假定在算法運行過程中，兩個節點在進行數據發送的過程中的能量消耗不變，那么結果就與能量消耗無關。也就是說，在代表網絡的圖中，任何一條邊的權是固定的。

假定一個節點需要能量e來傳送數據給另外一個節點，兩者間的距離是d，用文獻[6]中提出的模型來計算發送該消息的能量消耗為

e=kdc+a。

其中：k和c是常數，針對特定的無線傳感器網絡有所變化。通常，2≤c≤4。a依賴于下列因素中的能量消耗：數字編碼、模型調制、濾波等。在這里，為了簡化以及使該方法能夠適應于所有的能量消耗模型，取a=0，那么兩者之間的關系進一步簡化為e=kdc。在無線傳感器網絡中，由于發送端和接收端均貼近地面，干擾較大，障礙物較多，而且接收天線的性能不好，n接近于4，即通信能耗與距離的四次方成正比。由此看出，在單跳路由情況下，隨著通信距離的增加，能耗急劇增加，因此，應盡量減少單跳通信距離，使用多跳短距離通信代替單跳長距離通信。一般而言，傳感器節點的無線通信半徑在100 m以內。

無線傳感器網絡中的節點能量是有限的，任意兩個節點之間僅能傳輸確定數目的消息。希望通過解決路由消息的問題來盡可能地最大化系統中節點的電池壽命。

2．2ERARP概述

基于能量的半徑自適應路由協議是一種按需獲取路由進行數據傳遞信息的協議。整個過程由路由發現和路由維護兩個過程組成。

節點上耗費能量的大部分支出均是在無線通信模塊上，能量的消耗量與節點進行信號傳輸距離的四次方成正比。所以采用單跳的方式直接從源發起節點到接收器節點建立鏈路的策略是不足以取的。因為更普遍的情況是兩者距離很遠，應該采用多跳的方式進行。同時也不能為了使能量降低就增加跳數、降低發射半徑，那樣會給整個網絡的管理帶來額外的能量耗費，所以在進行協議的設計過程中對兩者作了權衡和折中。

路由發現的目的是選擇一條到目的節點平均能量消耗最少的路徑。路由維護的目的是在數據通信過程中，通過檢測自身節點能量的下降和鄰居節點能量的消耗，動態調整（降低）節點射頻模塊的發送半徑，從而優化路由。

本協議在路由發現過程中特別加入了對節點自身能量的因素，盡可能地提高單位電源能量的使用率。采用按需路由發起的路由發現策略，當節點有數據要發送時，節點首先發起路由請求包，接到該信息包的節點按照控制過程以泛洪的方法進行傳播，直至接收器節點收到它的請求發送回復確認數據包，從而建立兩者間的通信鏈路。

在泛洪廣播路由請求包的過程中，每個收到請求包的節點選擇一條源節點到自身的平均能量最小的路徑，然后再轉發這個請求包，直到在源節點和目的節點建立一條最優的路徑。不在活動路徑上的節點既不保持任何路由信息，也無須參與任何周期性的路由表交換活動。

節點的能量降到一定值時，如果該節點沒有被選為轉發節點，則開啟降徑調整的路由維護過程。降徑調整過程是路由維護主要的任務之一。在維護的過程中節點首先發送降徑通告數據包，接到該數據包的鄰居節點對該數據包進行通告的回復，發送降徑通告的節點根據收到的回復狀況做出自身節點后續工作過程中的新的傳感半徑。

在整個網絡中，節點的角色可能在五種之間轉換：

a） 數據發送源節點（source）；

b） 數據包目的節點（destination）；

c） 節點被選為信息轉發節點（deliver）；

d） 可轉發數據但半徑降低（deliver reduce radius）；

e） 節點沒有被選為轉發節點（idle）。

根據節點的能量狀況，節點的工作模式主要在下述三個狀態中，如圖4所示。

當節點的能量足夠多時，如果節點有數據需要發送，可以作為數據源進行數據發送的請求，同時也可以作為中轉節點進行數據包的轉發，在進行數據包的發送時按照盡力服務（best effort）的方式，用射頻模塊（RF）允許的最大設計值進行無線信號傳輸。

隨著節點運行載荷不斷消耗能量，節點自身能量也隨之下降，當能量下降到一定值時，進行節點的降低半徑維護路由的過程。經過節點路由維護過程后，同樣地，在有數據進行發送時可以作為數據源的發起者，也可以作為數據包的中轉節點，只不過在進行數據包發送時，通過調節射頻模塊發射頻率的方式來降低傳感半徑。

當節點的能量再度降低時，節點將不再作為轉發節點。只有當節點有數據需要發送時，才進行路由請求過程。

3ERARP設計與實現

3．1總體設計概述

基于能量的半徑自適應無線傳感器網絡路由協議（ERARP）的主要功能是為無線信道中傳送過來的數據包尋找一條去往目的節點的路徑，同時根據節點自身的能量在必要時進行節點傳感半徑降低功能的調整過程。

整個協議是采用平面的路由策略，由路由發現、路由維護兩個過程組成。而路由維護主要是在半徑的調節和路由過程中出錯情況的處理兩部分內容，如圖5所示。

圖5給出了協議總體上的兩大組成部分，在節點路由協議的控制系統中按照功能來分。可以劃分為五個模塊：初始化模塊、收/發模塊、核心處理模塊、狀態管理模塊、路由管理模塊（路由備選表模塊、路由表模塊），如圖6所示。

初始化部分，傳感器節點在開始運行時首先進行節點內各協議運行涉及到的數據結構和參數的初始化工作。初始化模塊主要完成對諸如路由表、路由備選表、接收隊列、發送隊列、鄰居節點列表等各數據結構和變量的初始化。

發送模塊主要完成對一個數據包的發送以及對發送隊列的管理。專門分配一個獨立的線程來對發送隊列中的數據進行處理。當發送隊列不為空時，發送線程不斷地從中取出數據，按照對應的數據包格式發送出去。重點是實現發送隊列的互斥訪問。

接收模塊與發送模塊很類似，主要完成對一個數據包的接收以及對接收隊列的管理。每當無線接收器收到數據包時，就將收到的數據包放入接收隊列中，等待核心處理模塊作進一步處理。接收模塊主要負責對無線接收器收到的數據包的控制。每當有數據包到達時就調用相關的回調函數，將數據包存儲到接收隊列中。對數據接收隊列的管理主要由該模塊負責。

核心處理模塊是該協議中控制的中心，它主要對協議中所涉及到的各種運行轉移邏輯進行控制以及上述的各個模塊之間的協調。它從接收隊列中取出一個數據包，分析其中的類型，結合節點自身狀態對路由備選表以及路由表進行動態的操作和調整。

狀態管理模塊獲得節點的實時狀態并對這一狀態進行維護。

路由備選表模塊負責對路由備選表的操作，如從中增刪表項、按評價函數對其中的表項進行操作、提取路由信息等。

路由表管理模塊負責對路由表的插入、刪除等操作。因為路由表中的信息來源于路由備選表中，所以這兩個數據結構的協調操作是本模塊的管理核心。它從路由備選表中根據評價函數選出針對所有特定源發起節點的中轉路由（前提是當前節點被選為了中轉節點）。

3．2ERARP的實現方法

本文對所設計的協議的實現采用了C++語言，在Visual C++6.0的IDE環境下編譯執行，為了增加可移植性和減少代碼量、增加運行的效率，盡量少地采用和繼承MFC（Microsoft foundation class）中的類。

選擇VisualC++6.0的IDE編譯環境對于開發過程中的調試問題可以很方便地進行。同時在開發過程中沒有涉及到MFC類似的與平臺相關的特性，使得代碼可以很方便地移植到Linux等帶有C++的編譯系統中。

3．3ERARP在系統中的位置

在實際應用于課題的具體環境時，ERARP處在網絡層的位置，協議設計過程中采用了分層的策略，網絡層需要底層協議提供的支持，同時為上層協議提供服務和支持。ERARP路由協議處于MAC層和上層應用之間，如圖7所示。

在進行該協議的實現過程中，上層的應用針對無線傳感器網絡設計的目標主要是用來發送或傳遞目標區域中收集到的信息。至于信息什么時候需要發送，以及所需要發送的信息的類型和大小等都要根據真實的物理情況來決定。所以在設計時需要采用基于事件的方式。每當傳感器采集到數據并且需要向目標節點傳送時，就調用對應的回調函數。因為ERARP是網絡層的協議，它需要與射頻模塊進行交互以對傳感半徑進行調節，達到能量的自適應，從而達到有效使用寶貴能源的目的，需要留出一個接口來處理這部分工作；同時還需要媒體訪問控制層（media access control，MAC）的支持。本文選取的是CC1000的底層支持。

4ERARP的仿真與評測

4．1網絡性能評價

在100 m×100 m的空間中隨機布設了無線傳感器節點。為了便于對所關心的網絡性能進行測試和仿真，沒有對更復雜的網絡結構進行配置。

為了對所設計的協議進行性能方面的評價，特別是在節能方面的優勢，找出這些關鍵瓶頸，進而為下一步協議的優化等工作找到切入點。這樣的工作也是OPNET仿真的主要使用場合之一。

本文設計的協議是基于能量的半徑自適應無線傳感器網絡路由協議。設計的出發點是時下網絡層路由協議未對節點自身能量在進行無線發射過程中進行考慮；設計的目的是通過加入半徑調節機制達到節能目的。

針對特定的網絡和特定的應用背景，無線傳感器網絡對網絡性能的關注點不同于傳統的網絡。本文所要考察的一個重要性能就在于能量方面性能。針對無線傳感器網絡的特點，數據量相對減小，這種網絡的應用更多的是在信息的及時傳送和有效傳送。

本文考察的重點是網絡協議在能量有效使用上，通過這方面進行仿真和測量，來對該協議的性能給出評價。

綜上所述，本文主要考察無線傳感器網絡中的四個方面的性能：

a）節點壽命。該指標主要用來對傳感器網絡中節點經過采用ERARP后的壽命進行統計。由于現有的材料中對無線自組網中節點或者網絡的工作壽命問題沒有給出統一的、標準的評價模型，只有通過間接的方式采用統一的標準來對協議間節點壽命進行比較和仿真。

b）數據丟包率（data dropped）。考察節點在對數據包響應時的性能。

c）吞吐量（throughput）。

d）端到端延遲(delay)。

4．2仿真結果

通過賦予某實型變量用400表示能量的原始值，每發送一個數據包，分節點是否為盡力服務和降低半徑以后兩個狀態分別對從表征能量的整數中減去一個值（本文中設定盡力發送一個數據包減小0.000 1，降低半徑后每發送一個數據包減小0.000 1），仿真10 min統計所得的數據如圖8所示。

圖8ERARP、SPIN和DD協議能量性能比較

通過圖8顯示的結果可以看出ERARP要比SPIN和DD協議有著更多的優勢。它的能量消耗更加平穩、更加緩慢地進行消耗，可以有根據地推測出，運行ERARP的節點能夠運行更長的時間。由此可以看出，本文所設計的通過調節半徑來達到節能的目的，這種做法是可取并且富有成效的。

能量的評測之所以會出現上面的結果，其主要原因來自于三者之間的協議節能的原理以及不同原理所涉及到的節能策略的針對點的不同。DD通過引入的嗜好來建立某節點的梯度場，進而來引導數據包的傳播路徑。這種方式雖然減少了泛洪等過度的能量消耗，但梯度建立過程中，廣播的過程消耗了相對較多的能量。SPIN協議所建立的協商機制，通過廣播采集數據的描述信息的方式來進行路由的建立，通過減少數據包大小的方式來節省能量，從某種程度上來看，效果相對較差。而ERARP在路由建立過程中借鑒了SPIN協議的協商握手機制以及DD協議的引導數據包傳播的思想，同時通過對節點自身能量的運行動態狀況對節點的角色進行調整，節省了能耗；同時通過調節節點自身的發射半徑從更大程度上提高了能量的優化配置和使用。這再次驗證了節點能耗中無限射頻模塊占據了節點所消耗能量的大部分，同時通過降低節點的發射半徑可以較大程度地對節點能量進行有效使用。

總的來說，綜合評定網絡節能性能、吞吐量、延遲、丟包率等評價指標，可以看出，本文所設計的ERARP在吞吐量不降低、丟包率合理、延遲性能較優的前提下，能量的使用更加合理，同樣的節點能量供給能夠讓節點運行更長的時間。

5結束語

本文分析了無線傳感器網絡中的能量消耗情況以及能耗模型，發現無線收發模塊中的能量消耗占了整個節點所有耗能部件的大部分能量，而無線收發模塊所消耗的能量與射頻模塊在進行無線收發時的傳感半徑有著緊密的關系。傳統的無線傳感器網絡節能路由協議的設計是基于無線射頻模塊在無線收發時均采用盡力服務的模式來展開討論，而這與真實的物理層情況不符。從而找出了優化網絡中節點能量的路由協議新的入口點。

本文設計了ERARP路由協議，該協議由路由發起和路由維護兩個階段組成。隨著節點能量的不斷消耗，通過動態調整節點射頻模塊傳感半徑達到節能目的。在實現

過程中對各個功能模塊進行了功能上的明細劃分，通過多線程的方式實現了該協議。最后通過OPNET Modeler仿真平臺對本文所設計的ERARP協議以及無線傳感器網絡中傳統的兩種節能路由協議SPIN和DD在延遲率、吞吐量、丟包率三個網絡性能進行了仿真和這三種統計量的收集。特別地，專門對無線傳感器網絡中能量節省情況進行了數據收集和仿真。通過仿真所得數據，得出了ERARP在節點的能量使用方面的優勢，同時該協議在延遲、丟包率以及吞吐量三個評價指標也顯示了很好的性能。

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