無線傳感器網絡功率控制的路由協議改進

Improvement of Routing Protocol of Wireless Sensor Networks

Based on Power Control

陳雪冬　陳碩紅

(中物院電子工程研究所，四川 綿陽　621000)

無線傳感器網絡功率控制的路由協議改進

Improvement of Routing Protocol of Wireless Sensor Networks

Based on Power Control

陳雪冬陳碩紅

(中物院電子工程研究所，四川 綿陽621000)

摘要：路由技術是傳感器網絡的核心技術之一。針對無線傳感器網絡節點能量有限、節能至關重要的特點，提出基于功率控制的無線傳感器網絡路由協議。結合自由空間傳播損耗模型和雙徑傳播模型，導出了節點最優發送功率。考慮網絡層路由選擇與物理層功率控制，在AODV協議幀中附加了一個字段，即在路由請求與回答報文中加入了最優發送功率。仿真結果表明，在保證低延遲和高吞吐量的前提下，該方法降低了網絡能量消耗，延長了網絡生存時間。

第一作者陳雪冬(1967-)，男，1997年畢業于電子科技大學自動控制專業，獲碩士學位，副研究員；主要從事傳感器技術研究。

關鍵詞：無線傳感器網絡網絡性能功率控制AODV 路由協議最優發送功率

Abstract：Routing technology is one of the core technologies of wireless sensor network. Due to the energy of the node is limited, and energy saving is significant, the wireless sensor network routing protocol based on power control is proposed. By combining the free space propagation loss model with the dual path propagation model, the calculation formula for optimal transmit power is derived. Considering the routing selection in network layer and the power control in physical layer, one field is added in AODV protocol frame, i.e., the optimal transmit power is added between routing request and reply message. The results of simulation show that in ensuring the promise of low latency and high throughput, the proposed method reduces the network energy consumption, prolongs the survival time of network.

Keywords：Wireless sensor networkNetwork performancePower controlAODV routing protocolOptimal transmission power

0引言

在無線傳感器網絡研究技術中，減少能量消耗，延長網絡生存時間是重要研究課題。目前采用功率控制協議[1-2]或采用族功率(cluster power)協議[3]的主要思想是控制發送功率。跨層設計可以實現不同層之間信息的共享[4-6]，減小層間通信與開銷。利用無線傳輸中多跳節能特征，構造節點有效功率拓撲結構，從而建立高效能量路徑[7-9]。改進AODV協議[10]，聯合鏈路層和路由層共同為節點和數據包選擇最優發送功率，從而節省網絡能耗。本文基于AODV[9]協議進行跨層功率控制研究，在網絡層依據能量相關度量構造路由表，在物理層依據路由表動態調整發送功率，從而達到降低節點能量消耗、延長網絡生命周期的目的。

1最優發送功率

在無線傳感器網絡中，信號接收功率的衰減與傳輸距離呈冪函數關系，且與傳播模型相關。使用傳播模型預測接收端所收到的信號強度，從而判斷傳送的數據能否成功被接收。在研究中，往往會選擇使用傳輸模型估計接收端所收到的信號強度，從而判斷傳送的數據能否成功被接收。

根據傳送端和接收端之間干擾情況的不同，存在幾種常用的傳輸模型。常用傳播模型分為自由空間模型、雙徑傳播模型和陰影模型三種[10]。自由空間模型是最理想的模型，只考慮從傳送端到接收端直線距離的路徑損耗。雙徑傳播模型是自由空間模型的改進，除了考慮傳送端到接收端直線距離的路徑損耗外，還考慮了地面反射因素。當收發節點間距離小于距離閾值時，傳播模型等同于自由空間模型。當收發節點間距大于距離閾值時，采用雙徑傳播模型。陰影模型是最復雜的模型，不僅考慮節點間直線距離路徑損耗和地面反射因素，而且考慮了傳送端和接收端之間有障礙物時對傳送信號的影響。雙徑傳播模型是最逼近真實環境的模型，本文采用該模型。

節點的傳輸功率決定著能量的消耗水平。當傳輸功率較大時，會產生額外的消耗；當傳輸功率較小時，節點之間無法實現通信。由此可見，在滿足節點可以正常通信的前提下，設置最優功率作為節點傳輸功率，可以有效降低節點能量消耗，改善網絡性能。因此首先通過功率控制策略，對AODV協議中節點的發送功率進行動態調整。

雙徑傳播模型發送功率為：

(1)

式中：Pt為節點發送功率；Pr為節點接收功率；Gt、Gr分別為發送天線和接收天線的增益，對固定的節點，這兩個值為常量；d為傳送節點到接收節點直線距離；L與傳播無關的系統損耗因子(L≥1)；ht、hr為兩極傳輸模型中收發兩端的天線高度；dTh為收發兩端的距離閾值，當實際通信距離小于dTh時，傳輸模型將退化為自由空間模型，用P0表示此時節點接收功率，dTh=4πhthr/λ，其中λ為無線電波波長。

當某節點向其他節點發送信息時，如果發送功率較小，會導致信息無法正常傳輸；如果發射功率太大時，會帶來不必要的能量浪費。因此選擇能夠保證節點正常通信的最優功率傳輸數據信息，是一種增加節點生存時間的可行方案。

根據雙徑傳播模型，并結合電磁波傳播損耗，可以得到接收節點的接收功率為：

(2)

假設接收節點能夠正確檢測并解碼信號的功率門限閾值為Pth，如果接收到的信息強度大于門限閾值，則此信息會被成功接收；否則信息傳輸失敗。

接收節點想要正確檢測并接收數據包，應該滿足Pr≥Pth，從而有：

(3)

將節點最優發射功率記作Pm，并取式(3)中的最小值，則有：

(4)

結合所取的傳播模型，得到最優發送功率Pm為：

[2]American Journal of Bioethics依然是2016年SSCI社會科學1區的重要刊物，鑒于該刊物的學術影響力，本論文將其保留作為參照。

(5)

由上式可知，任意兩節點間的最優發送功率Pm可由節點發送功率Pt、節點接收功率Pr以及節點接收功率閾值Pth計算得到。通過計算得到最優功率后，將其寫入AODV協議幀參與廣播，從而確定節點之間的最優發射功率。

2AODV協議及改進方案

2.1　AODV協議

AODV是具有代表性的按需距離矢量路由協議，只有需要相互通信的兩個節點，才會進行路由查找與維護，中間節點提供轉發業務。AODV協議假設無線鏈路是雙向的，其路由機制包括路由發現和路由維護兩個階段。

當源節點有數據發送且無到達目的節點的有效路由時，AODV啟動路由發現過程，向網絡廣播路由請求報文。收到路由請求報文的節點首先判斷是否收到過相同報文，如果是，則丟棄；如果不是，則根據路由請求報文中的信息建立源節點的反向路由。如果中間節點含有到達目的節點的路由，會向源節點發送路由應答報文，否則廣播該路由請求報文。當目的節點收到路由請求報文后，同樣建立反向路由并回復路由應答報文。

在路由維護階段，節點定期發送消息進行鏈路連通性管理。源節點得到鏈路中斷消息后會重啟路由發現過程[10]。

2.2　AODV的改進

本文采用雙徑傳播模型，依據最優發送功率計算公式，將網絡層路由過程與物理層功率控制策略相結合，得到經過改進的協議AODV協議。

傳統的AODV協議以“最小跳數”為參數，在源節點與目的節點之間總是選擇跳數最小的路徑傳輸數據，因此隨著網絡負載的增加，會引起網絡中一些節點過多的發送數據信息，導致最終能量急劇消耗而死亡，從而影響網絡性能。根據式(5)可知，在節點發送功率Pt、節點接收功率Pr以及節點接收功率閾值Pth已知的情況下，計算節點的最優傳輸功率Pm，并自動將節點的傳輸功率調整為Pm。

首先對AODV協議幀進行擴展，在路由請求報文中添加一個字段，用于記錄當前節點的發送功率，在路由應答報文中同樣添加用于記錄計算所得的最優發送功率字段，同時在路由表中，添加用于調整節點功率的兩項信息：分別記錄節點自己的最優傳輸功率和其他節點的最優傳輸功率。算法描述如下。

① 源節點有數據向目的節點發送，且沒有到達目的節點的有效路由時，啟動路由發現過程，向網絡廣播路由請求報文。與AODV協議不同，在路由請求報文數據幀中加入最優發送功率一項并將節點最大發送功率Pt寫入，其他節點也以最大功率轉發路由請求報文包。

③ 路由回復過程中，在路由應答報文中添加最優發送功率Pm這一項，并將計算得到的最優發送功率寫入。

④ 源節點收到路由應答報文后，建立兩節點間路由，且以最優發送功率Pm作為發送功率發送數據。

通過上述措施，將網絡層的路由過程與物理層的功率控制策略相結合，從而動態調整節點的發送功率，在保證網絡性能前提下，降低節點能量消耗，延長網絡生命周期。

3仿真與性能分析

3.1　仿真場景與參數

仿真工具采用NS2平臺，分別對AODV協議和Im-AODV協議進行仿真及性能分析。

仿真場景為300 m×300 m的正方形區域，49個節點分布其中，指定右上角節點為sink節點，如圖1所示。無線節點仿真參數如表1所示。

圖1　節點分布狀態圖

參數數值傳播模型 雙徑傳播模型帶寬 2bit/s初始能量 50J電波傳輸距離50m接收功率閾值7.69113e-08發送頻率 9.14e+08接收功率 0.395W監聽功率 0.0W

隨機選擇5個節點為數據源節點，以恒定比特數向sink節點發送恒比特率(constants bit rate，CBR)數據包，數據包大小為512 B，每秒分別發送1、2、4、8、15個數據包，仿真時間為300 s。

在不同發送速率下分別進行5次仿真，最終數據采用5次仿真數據的平均值。

3.2　仿真結果與分析

端到端延遲與吞吐量是衡量網絡性能的重要指標。本文在不同CBR發送速率下，比較AODV協議與Im-AODV協議的平均端到端延遲、網絡吞吐量，并對兩種協議的能量消耗進行比較，分析采用功率控制對網絡性能帶來的提升。

在不同CBR發送速率下，兩種協議的平均端到端延遲如圖2所示。隨著數據包發送速率的增大，兩者的平均延遲都隨之增大，然而與傳統AODV相比，改進后的協議擁有更小的平均端到端延遲。

圖2　平均延遲曲線

不同CBR發送速率下，兩種協議的平均吞吐率曲線如圖3所示。在較小發送速率時，兩種協議吞吐量相同，在較大發送速率時，改進后的AODV協議可以增大網絡吞吐量，提高網絡性能。

圖3　平均吞吐率曲線

不同CBR發送速率下，兩種協議的能量消耗如圖4所示。隨著發送速率的增大，兩種協議的能量消耗都隨之增大。與傳統AODV協議相比，改進后的協議擁有更小的能量消耗，在較大發送速率下能量消耗更低。

圖4　能量消耗曲線

由此可見，改進后的協議，節點剩余能量有較大提升，可以有效延長網絡生命周期，達到降低能量消耗的目的。

4結束語

本文依據功率控制的思想，將網絡層的路由過程與物理層的功率控制相結合，對AODV協議進行改進，擴展AODV協議幀;并依據最優發送功率，動態調整節點的功率，從而達到降低節點能耗的目的。

通過NS2仿真驗證，改進后的AODV協議，在保證網絡較低延遲和較高吞吐量的前提下，可以有效減小節點能量消耗，從而達到延長網絡生命周期的目的。

參考文獻

[1] Park S,Sivakumar R.Load-sensitive transmission power control in wireless Ad-hoc networks[C]∥Global Telecommunications Conference,2002:42-46.

[2] Swetha N,Vikas K,Sreenivas R S,et al.Power control in Ad-hoc networks:theory,architecture,algorithm and implementation of the COMPOW protocol[C]∥European Wireless Conference,2002:156-162.

[3] Vikas K,Kumar P R.Power control and clustering in ad hoc networks[C]∥Twenty-Second Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications,IEEE Societies,2003:459-469.

[4] Shakkottai S，Rappaport T S,Karlsson P C.Cross-layer design for wireless sensor networks[J].IEEE Communications Magazine,2003,41(10):74-80.

[5] 黃玉清，王嬌，江虹.基于Overlay-Underlay的功率控制路由算法[J].電子科技大學學報，2013，42(4)：549-554.

[6] 黃玉清，王英倫.支持服務區分的多智能體Q學習MAC算法[J].計算機工程，2013，39(8)：112-117.

[7] Wen K.Guo W，Huang G J.Topology-based power-aware routing protocol in the wireless Ad hoc networks[J].Journal of Electronics & Information Technology,2008,30(12):3013-3017.

[8] Li B,Jin Z G,Shu Y T.Cross-layer design of energy saving AODV routing protocol[J].Transactions of Tianjin University,2009,15(5):343-349.

[9] Perkins C E,Royer E M.Ad-hoc on-demand distance vector routing[C]∥Second IEEE Workshop on Mobile Computing Systems and Applications,1999:90-100.

[10]Gruber I,Knauf O,Li H.Performance of Ad Hoc routing protocols in urban environments[J].European Wireless,2004(2).

中圖分類號：TP393

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201501018

修改稿收到日期：2014-07-15。