一種能量均衡的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

桂林電子科技大學(xué) 李發(fā)飛 彭 剛 蘭 慎

1.引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks，WSN)已成為國際上備受關(guān)注的前沿?zé)狳c研究領(lǐng)域，由于無線傳感器節(jié)點能量的有限及無法添加，傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)能的路由算法作為通信協(xié)議的重要組成部分，已經(jīng)成為國內(nèi)外的一個研究熱點。

文獻(xiàn)[1]提出了一中高效節(jié)能的無限傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，傳感器節(jié)點保存多條到基站（Base Station）的路由，采取輪循機制讓數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)分布在多條路由路徑上，節(jié)省了某些節(jié)點能量的消耗，從而達(dá)到能量均衡的目的；但是靠近基站的圓形區(qū)域很容易成為“熱區(qū)（Hot Spot）”，容易導(dǎo)致基站附近的節(jié)點因為能量耗盡很快的“死亡”。

在這種情況下，本文提出的改進(jìn)的無線傳感器路由協(xié)議，應(yīng)具有一下特點：1）將無限傳感器網(wǎng)絡(luò)分層，靠近基站一定距離范圍d內(nèi)的節(jié)點直接與基站通信，即采用單跳通信；與基站有距離d之外的節(jié)點仍然與基站進(jìn)行多跳通信；2）傳感器節(jié)點保存多條到網(wǎng)關(guān)節(jié)點的路由，每次通信時，采用輪循機制選擇一條路徑，從而將數(shù)據(jù)傳輸?shù)呢?fù)載均衡的分配到多條路徑上，達(dá)到均衡能耗的目的；3）引入能量控制機制，當(dāng)與基站距離d的圓周上的節(jié)點能量消耗到一定值時，修改d的值重新組網(wǎng)，從而進(jìn)一步均衡能量的消耗，解決“熱區(qū)”問題，延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

2.協(xié)議概述

假設(shè)節(jié)點被任意分布在某區(qū)域上，節(jié)點可以根據(jù)其所接收到的信號強弱程度計算出與發(fā)送節(jié)點的距離，d表示基站與節(jié)點的距離，Φ表示節(jié)點的剩余能量；基站BS在該區(qū)域的中心位置。本協(xié)議完成以下基本功能：1）區(qū)域內(nèi)傳感器節(jié)點建立一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并向最近基站傳輸感知到的信息；2）當(dāng)傳感器節(jié)點失效或者能量不足時，傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠修復(fù)路由或者重新組建到達(dá)網(wǎng)關(guān)的路由；3）當(dāng)區(qū)域內(nèi)新加入節(jié)點時，節(jié)點可以加入到傳感器網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；4）當(dāng)與BS距離半徑d的圓周上的節(jié)點的剩余能量Φ達(dá)到某一零界值時，修改d的值，重新組網(wǎng)。

3.路由協(xié)議

3.1 初始化路由骨干網(wǎng)

路由骨干網(wǎng)具體定義如下：

路由骨干網(wǎng)包括一個基站節(jié)點及多個中間節(jié)點。其中基站節(jié)點用于連接外部網(wǎng)絡(luò)和傳感器網(wǎng)絡(luò)，基站沒有父節(jié)點，可以有多個子節(jié)點；中間節(jié)點為傳感器，可以有多個父節(jié)點和多個子節(jié)點。

初始狀態(tài)下，基站節(jié)點已經(jīng)存在，傳感器節(jié)點隨機分布在指定區(qū)域。路由骨干網(wǎng)按照如下步驟初始化：

1）網(wǎng)關(guān)節(jié)點廣播Adv消息。

2）在預(yù)定時間段內(nèi)，如果孤立節(jié)點（沒有加入到路由骨干網(wǎng)的節(jié)點）收到此Adv消息，計算出到基站的實際距離d，d小于D-D0的孤立節(jié)點將（如圖1中的節(jié)點S1）基站作為父節(jié)點，直接與基站通信，不再轉(zhuǎn)發(fā)消息，記錄到基站距離為0跳；d大于D+D0的孤立節(jié)點（如圖1中的節(jié)點S3）丟棄此消息，仍被視為孤立節(jié)點；d大于D-D0且小于D+D0的孤立節(jié)點（如圖1中的節(jié)點S2）將基站作為父節(jié)點，記錄到基站的距離為1跳，并且廣播Adv消息，此Adv消息包含一個以跳為單位的距離參數(shù)。

圖1

3）孤立節(jié)點查看消息中的距離參數(shù)，將距離參數(shù)最小的節(jié)點作為父節(jié)點，將父節(jié)點加入到父節(jié)點集合，記錄自己到基站的距離，并將距離參數(shù)值加1然后繼續(xù)廣播此Adv消息；如果已經(jīng)加入到骨干網(wǎng)的節(jié)點接收到Adv消息，則比較Adv消息中的距離參數(shù)，選擇距離參數(shù)較小的節(jié)點加入到父節(jié)點集合，記錄自己到基站的距離，將距離參數(shù)加1然后繼續(xù)廣播此Adv消息。

4）如果處于孤立狀態(tài)下的節(jié)點在預(yù)定時間段內(nèi)沒有收到任何Adv消息，則節(jié)點繼續(xù)等待下一個時間段，直到接收到Adv消息。

圖2 路由骨干網(wǎng)初始化

如圖2，在初始狀態(tài)下，網(wǎng)關(guān)廣播Adv消息，S0接收到消息，將基站作為父節(jié)點；節(jié)點S1、S2、S3、S4接收到消息，將基站加入到父節(jié)點集合，置距離為1跳，并且繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)Adv消息；S5在特定時間段內(nèi)收到S1、S2、S3和S6轉(zhuǎn)發(fā)來的Adv消息，比較三個消息的距離參數(shù)之后將參數(shù)距離較小的S1、S2、和S3、S4節(jié)點作為其父節(jié)點，并將將之加入到父節(jié)點集合中；S9收到S6、S7、S8發(fā)送來的消息，比較其距離參數(shù)，將S6和S7加入到父節(jié)點集合中。

3.2 新節(jié)點的加入

當(dāng)一個新節(jié)點S加入到傳感器網(wǎng)絡(luò)后，它會按照以下步驟加入到路由骨干網(wǎng)：1）節(jié)點S向一跳之內(nèi)的鄰居節(jié)點廣播一條Req消息；2）接收到此Req消息的節(jié)點如果已經(jīng)加入到骨干網(wǎng)，它返回一個Res消息，此消息中包含它到網(wǎng)關(guān)節(jié)點的距離參數(shù)；3）節(jié)點S等待特定時間后，查看接收到的Res消息中的距離參數(shù)值，選擇距離較近的節(jié)點作為自己的父節(jié)點，把父節(jié)點保存到父節(jié)點集合，記錄自己到網(wǎng)關(guān)節(jié)點的距離參數(shù)值（即父節(jié)點到網(wǎng)關(guān)的距離加1）；4）節(jié)點S向其鄰居節(jié)點廣播Res消息，此消息的內(nèi)容為節(jié)點S的距離參數(shù)值，表示節(jié)點S已經(jīng)加入到骨干網(wǎng)。至此，新節(jié)點加入到骨干網(wǎng)。

3.3 節(jié)點失效處理

由于傳感器節(jié)點的能量是有限的，所以當(dāng)能量耗盡之后節(jié)點會變成失效節(jié)點。當(dāng)傳感器節(jié)點S檢測到父節(jié)點F失效后，節(jié)點S將父節(jié)點從父節(jié)點集合在刪除。此時，如果父節(jié)點不為空，則節(jié)點S仍在骨干網(wǎng)中，可以繼續(xù)傳輸信息；如果父節(jié)點為空，那么節(jié)點S進(jìn)行一下操作：1）節(jié)點S向鄰居節(jié)點廣播一條Req消息；2）收到此Req消息的節(jié)點如果已經(jīng)加入到骨干網(wǎng)中，而且節(jié)點S不在它的父節(jié)點集合中，它向節(jié)點S返回一個Res消息，包括它的距離參數(shù)；3）節(jié)點S等待特定時間段后，查看接收到的Res消息的距離參數(shù)，然后選擇距離較小的節(jié)點作為父節(jié)點，將父節(jié)點加入到父節(jié)點集合中，記錄自己到網(wǎng)關(guān)節(jié)點的距離（即父節(jié)點到網(wǎng)關(guān)的距離加1）；4）節(jié)點S向其鄰居節(jié)點廣播Res消息，此消息的內(nèi)容為節(jié)點S的距離參數(shù)值，表示節(jié)點S已經(jīng)加入到骨干網(wǎng)。至此，節(jié)點失效處理過程結(jié)束。

3.4 路由過程

當(dāng)節(jié)點要把感知到的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)交緯r，首先查看自己的父節(jié)點集合，采用輪循機制選擇一個父節(jié)點F，將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)焦?jié)點F后，F(xiàn)節(jié)點查看自己的父節(jié)點集合，再用輪循機制選擇一個父節(jié)點F,并向F,傳輸數(shù)據(jù)信息，依次類推，直到發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點為止。當(dāng)環(huán)狀帶內(nèi)節(jié)點的能量值下降到一定閥值時，修改環(huán)狀帶的半徑和寬度，重復(fù)過程2.1，初始化路由骨干網(wǎng)。

4.性能分析

為了解決“熱區(qū)”問題，協(xié)議采用了兩種方法來均衡能量消耗。首先節(jié)點保存多個最短路由，采用輪循機制選擇一條路徑將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)交荆瑥亩鴮?shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)均衡地分布于多條路由路徑上，節(jié)省了節(jié)點的能量消耗；由于劃分了環(huán)狀帶，環(huán)狀帶內(nèi)的節(jié)點成為能量消耗比較多的節(jié)點，因此當(dāng)環(huán)狀帶內(nèi)節(jié)點的能量消耗到一定閥值時，減小環(huán)狀帶的半徑，轉(zhuǎn)移了熱點問題，同時擴大環(huán)狀帶的寬度，環(huán)狀帶外的節(jié)點有更多的父節(jié)點可以供選擇，從而把能量消耗均衡到更多路徑上，進(jìn)一步均衡了能量消耗，達(dá)到解決“熱區(qū)”問題的目的。

[1]王曉喃,高德民,徐江.高效節(jié)能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計與實現(xiàn)[J].2010.8.

[2]王平,黎峰.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于梯度的分簇路由算法[C].全國計算機網(wǎng)絡(luò)與通信學(xué)術(shù)會議論文集,2011.

[3]秦嶺,胡榮強.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的有效能耗最小化策略[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報,2010.

[4]李樹華,劉振宇,李迎秋.能量自適應(yīng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由協(xié)議[J].計算機工程與設(shè)計,2010.