一種響應型無線傳感器網絡路由算法

徐 佳，金 寧，樓喜中

(中國計量學院信息工程學院，浙江 杭州 310018)

無線傳感器網絡傳感器(Wireless Sensor Networks)將節點部署在監控區域內，通過無線方式將節點采集到的數據發送給監測者。該網絡技術有效結合了無線通信、嵌入式和微系統技術?，F在無線傳感器網絡由于自身的自組織和低功耗等特點，從而被廣泛應用在醫療、軍事等領域［1－4］。

信息從源節點傳送到目標節點主要是由路由協議負責的，作為無線傳感器網絡的核心技術，它的性能與網絡整體性能聯系密切。依照應用類型可分為兩類，一類是主動式無線傳感器網絡，這種網絡適用于周期性數據監測應用，傳感器節點按照周期時間對監測區域進行感知并通過無線發送模塊將信息傳送到基站。另一種是響應型網絡，當有緊急事件觸發時，節點會進入工作狀態，并傳輸信息到基站，其他時間處于休眠狀態。典型的分簇路由協議有LEACH，TEEN，PEGASIS等［5－7］。但這些典型的分簇路由協議中，除了TEEN協議外，都未考慮響應型網絡的特點。根據TEEN協議模型，本文提出了一種改進的響應型網絡算法TEENNEW。

1 TEEN協議

TEEN(Threshold－sensitive Energy Efficient Sensor Network Protocol)與LEACH協議的簇頭選舉一樣，該協議簇頭節點會向簇內所有節點廣播兩個閾值參數(硬閾值和軟閾值)。TEEN協議可分為建立階段和傳輸階段。

1)建立階段

網絡中的節點隨機選擇一個(0，1)之間的隨機數，然后與協議中的閾值函數T(n)進行比較，當閾值T(n)大于節點產生的隨機數，節點將成為簇頭節點，并廣播軟閾值、硬閾值和成為簇頭的消息。非簇頭節點將收到的簇頭節點的信號強度作為是否加入該簇的依據，然后會發送通知信息給相應的簇頭節點。T(n)函數為

式中:p是簇頭所占百分比;G表示1/p輪中沒有當過簇頭的節點集合;r表示當前輪數。

2)傳輸階段

當網絡中傳感器節點第一次監測到的數據超過了硬閾值時，節點首先將該值存入內部的軟閾值，然后按照時隙分布(TDMA)的方式將該值發給簇頭節點。簇頭節點收到數據后，會進行相關的數據融合，最后將融合好的數據發送給基站節點。

傳感器節點的監測中，當監測的數據超過硬閾值，并且與軟閾值的差異大于等于軟閾值時，節點才會再次發送數據，并將當前監測的數據保存在軟閾值中。其中TEEN協議的拓撲結構如圖1所示。

TEEN協議在某種程度上利用軟、硬閾值降低了傳輸量和傳輸的次數，節約了網絡中的能量消耗。雖然TEEN協議比傳統的LEACH協議更加節能，但還是存在以下不足:

圖1 TEEN拓撲結構

(1)TEEN協議在簇頭選舉過程中隨機性太大，沒有考慮到節點剩余能量的影響，可能使剩余能量低的節點過早死亡。

(2)TEEN協議簇頭節點與基站之間采用單跳路由方式，消耗能量較大，同時也使網絡規模受限于簇頭節點的通信距離。

2 TEENNEW算法設計與仿真

2.1 算法改進方案

本文針對TEEN協議的不足提出了一種新的響應型網絡的路由算法TEENNEW算法。該算法主要在簇頭節點選擇上更多地考慮了節點的剩余能量，根據能量模型確定了最優的簇頭數目。當簇頭節點發送數據到基站的過程中，根據節點傳輸能耗以及節點之間的距離，建立了一條通往基站的多跳路徑。

2.1.1 算法的最優簇頭數

由于無線傳感器網絡的能量非常受限，所以無線傳感器網絡中，TEENNEW路由算法設計與信道能量損耗模型息息相關。信道損耗模型如圖2所示。

圖2 信道損耗模型

依照圖2所示的網絡模型，假設簇頭節點個數為k，網絡中簇頭節點的平均覆蓋面積為πR2/k，其中網絡中簇頭節點按照多跳方式進行數據發送，一跳的傳輸距離假定為L。一個簇頭節點的能量消耗主要由接收簇內成員信息、融合數據以及與基站通信3部分組成。一幀數據中簇頭節點消耗的能量為

式中:f為每個數據長度;EDA為融合數據消耗的能量;L是簇頭節點發送數據的距離。簇內成員節點假設為自由空間模型d2，從而一個非簇頭節點的能耗為

假設監測區域為圓形，根據簇頭節點的覆蓋面積可以得到dtoCH的計算公式為

假設網絡中節點是均勻分布的，根據式(4)和式(5)，可以得到簡化后的非簇頭節點能耗，見式(6)。

發送一個幀數據時整個簇消耗的能量為

在區域R中，發送一個幀的數據時消耗的總能量為

對Etotal求導，令導數等于0，得到最優簇頭數為

由此得到改進協議后的最優簇頭數k。

2.1.2 TEENNEW算法簇頭選擇函數

在TEEN協議中，簇頭選擇閾值只考慮了簇頭節點在WSN網絡中的期望比例，沒有考慮剩余能量等因素，導致簇頭節點在網絡中分布不合理。

將剩余能量和最優簇頭數加入到閾值函數T(n)中，然后比較T(n)與傳感器節點隨機產生的隨機數，如果大于隨機值則該節點被選為簇頭，T(n)改進后的計算公式為

式中:phead為網絡中最佳的簇頭節點概率;r為已完成的輪數;G為前1/p回合中未成為簇頭的節點集合;Ecurrent表示節點的當前能量;Einitial代表節點的初始能量。通過這樣的修改，當前節點能量大的節點有更大的機會擔任簇頭節點，從而平衡網絡能耗。

2.1.3 簇間路由機制

TEENNEW算法中任何兩個可直接通信的節點A、B，通信一次發送l bit數據的能量消耗EAB，計算公式為

式中:dAB表示A，B兩節點之間的通信距離;α為功耗指數，與dAB有關。

當前簇頭A，B為A的鄰居信息表中的一個簇頭節點，則節點A到節點B的距離代價DC定義為

式中:EAB表示節點A和節點B直接通信的能量消耗;RSSIB指節點B接收到Sink的信號強度;RSSImax指Sink廣播信號時的信號強度。

考慮能量平衡因素，節點A選擇節點B作為下一跳節點的條件是取得最小的DC，如果節點A的鄰居信息表為空，說明簇頭節點周圍沒有其他簇頭存在，這種情況一般出現在網絡運行后期，大部分節點已經死亡的情況下，此時簇頭節點A直接將數據傳輸給Sink節點。按照上述策略，簇頭生成一棵以基站為根的樹，數據沿著基站方向向上傳輸。該路由方式充分考慮了兩節點之間的能量消耗、剩余能量以及與Sink節點之間的距離。

TEENNEW算法中的能量消耗主要集中在數據傳輸和數據轉發階段，因此采用簇間多跳進行數據傳輸能夠有效地節約能量。TEENNEW的網絡拓撲結構如圖3所示。

2.2 算法的仿真分析

通過仿真軟件MATLAB進行仿真編譯，比較分析TEENNEW、TEENPE和TEEN三種算法的性能。仿真參數見表1。

仿真系統中節點布置完畢后一律不能移動，其中基站位于(150，50)處，運行仿真系統記錄3種算法中節點的能量消耗以及存活節點數目。

圖3 TEENNEW拓撲結構

表1 仿真參數表

圖4比較3種算法的節點平均能耗，可以看出TEENNEW與TEEN、TEENPE相比，當網絡運行到1500 s時TEENNEW的節點平均能耗小于1.5 J，而 TEEN與TEENPE的節點平均能耗都在1.6 J以上。

圖4 平均能耗比較圖

第一個節點死亡時間(First Node Death，FND)和一半節點死亡時間(Half Nodes Death，HND)作為依據來比較分析3種算法的網絡生命周期，圖5為3種算法的節點存活數和網絡運行時間的關系。

圖5 節點存活節點曲線圖

分析圖5和圖6，在相同的運行時間內，TEENNEW算法存活的節點數目要多于TEEN和TEENPE算法。比較第一個節點死亡時間FND，TEEN算法發生在1000 s，TEENPE發生在1258 s，而TEENNEW發生在1502 s。相比TEEN和TEENPE，TEENNEW算法在FND上延長了50%和19%。對于半數節點死亡時間HND，TEEN算法發生在1500 s，TEENPE發生在1700 s，而TEENNEW發生在2250 s，TEENNEW算法比TEEN和TEENPE算法分別延長了50%和32%。

圖6 第一個節點死亡時間(FND)、半數節點死亡時間(HND)的比較

根據上述仿真比較，當網絡生命周期以FND作為比較，TEENNEW算法最大能夠延長50%。對于HND，本文提出的算法也延長了50%。所以可以得出，本文提出的TEENNEW算法能夠有效延長TEEN算法的網絡生命周期，均衡網絡能量消耗。

3 小結

本文針對響應型網絡路由協議TEEN的缺點進行了3方面的改進:1)確定最優簇頭數;2)在選取簇頭時，使用節點的剩余能量與節點的初始能量的比值調節隨機數的選取;3)根據距離和能量建立簇頭節點與基站之間的多跳路徑。仿真結果表明TEENNEW算法能有效均衡節點能耗，延長網絡生存時間。TEENNEW算法相比TEEN算法更適用于大型的無線傳感網絡。

［1］孫利民，李建中.無線傳感器網絡［M］.北京:清華大學出版社，2005.

［2］AKYILDIZ I F，SU W，SANKARASUBRAMANIAM Y，et al.A survey on sensor networks［J］.IEEE Communications Magazine，2002，40(8):102－114.

［3］任豐源，黃海寧.無線傳感器網絡［J］.軟件學報，2003，14(7):1281－1291.

［4］孫友偉.基于下一代電視傳送技術的無線傳感器網絡［J］.電視技術，2010，34(6):54－56.

［5］LEWIS F L.Wireless sensor networks［M］.NewYork:Wiley－Interscience，2004.

［6］CHANG R，KUO C.An energy efficient routing mechanism for wireless sensor networks［EB/OL］.［2013 － 01 －01］.http://www.kresttechnology.com/krest－academic－projects/krest－mtech－projects/CSE/mtechdotnet－abstracts－bpapers/Network%20Security/9%29%20Energy%20efficient%20%20routing%20mechanism%20in%20wireless%20sensor%20network/9%29%20Energy%20efficient%20%20routing%20mechanism%20in%20wireless%20sensor%20network.pdf.

［7］MANJESHWAR A，AGRAWAL D P.TEEN:A routing protocol for enhanced efficiency in wireless sensor networks［C］//Proc.15th International Parallel and Distributed Processing Symposium.San Francisco，USA:IEEE CS，2001:2009－2015.