無線傳感器網絡的中繼節點自適應選擇休眠機制

李彩林　劉曉祥　孫躍

摘 要： 針對無線傳感器網絡節點能量有限的問題，設計一種中繼節點自適應休眠方法，對網絡節點的工作時間進行優化調度。在路由鏈路建立中，根據網絡中節點的地理位置、剩余能量選擇中繼節點的方法進行節點休眠調度。網絡工作時通過計算下一跳最佳節點位置，選取其附近區域內剩余能量多的節點作為下一跳的轉發節點，設計出中繼節點自適應選擇的節點休眠機制。仿真結果表明，所設計的休眠機制提高了節點能量利用效率、延長了網絡工作時間。

關鍵詞： 無線傳感器網絡； 中繼節點； 自適應選擇； 休眠機制

中圖分類號： TN915?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）16?0079?04

Abstract： According to the characteristic that the node energy in the wireless sensor networks is limited， a self?adapting sleeping method of relay node is designed to optimize and dispatch the operational time of network nodes. In the routing link establishment， the method is to select relay node according to the geographical location and dump energy of the nodes in wireless sensor network to conduct the node sleeping scheduling. As the network is working， the next optimal node location is calculated and the nearby node with more dump energy is chosen as the next transmitted node. The simulation result indicates that the proposed sleeping mechanism has improved the energy efficiency of the nodes and extended working time of the network.

Keywords： wireless sensor networks； relay node； self?adapting selection； sleep scheduling

0 引 言

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN）以其靈活性、機動性、廉價性的特點，廣泛應用于環境監測、醫療系統、智能電網和軍事偵察等領域[1?3]。它是由大量廉價的傳感器節點組成的一種通信網絡，通過節點的多跳方式形成的分布式無線自組網絡，其結構通常包括傳感器節點、匯聚節點和管理節點。一個傳感器節點由感知模塊、處理模塊和通信模塊組成，通過傳感器模塊采集到的信號經過A/D轉換后傳送給處理模塊，處理模塊的處理器對信號整理之后利用通信模塊將信號傳送給監控中心[4]。

由于無線傳感器網絡節點自帶電池的原因導致節點能量嚴重受限，同時節點在部署之后很難回收，當節點能量耗盡時，導致網絡失效，而且節點數目分布不均、數目龐大，也將使得更換電源不可行。當網絡中某一個或一些節點能量耗盡，將會使網絡產生能量空洞，進而影響網絡正常工作。所以，無線傳感器網絡的關鍵問題是降低能耗，如何提高節點能量的有效利用率、延長網絡的工作時間成為無線傳感器網絡設計的一個重要方面，也是當前研究的熱點[5]。

無線傳感器網絡節點的工作模式主要分為“運行”、“空閑”、“休眠”，運行模式節點能耗最大，空閑模式耗能其次，休眠狀態能耗最小。因此，在保證網絡數據正常傳輸的基礎上減少節點空閑偵聽是降低能耗的有效方法之一[6]。網絡的大多數節點需要通過多跳形式將數據傳送給目的節點（Sink節點），因此路由協議的關鍵問題就是如何選擇下一跳中繼節點[7?8]。為此，本文設計出基于地理位置的中繼節點自適應選擇休眠機制。通過自適應選擇中繼節點的方式選出整條鏈路耗能最少的節點作為下一跳節點，其余空閑節點進入休眠模式，從而減少空閑偵聽，達到提高網絡節點能量利用率延長網絡工作時間的目的。

1 相關工作

節點休眠策略作為一種有效的節能手段，在無線傳感器網絡應用中得到了很多的研究。文獻[9]引入了“虛擬群”，每個節點可以在休眠、喚醒狀態下互換。一個“虛擬群”中的節點都采用相同休眠周期，在休眠期到達且無業務時轉入休眠。由于網絡的多跳性，可能會存在多個“虛擬群”，相鄰節點可能采用不同的休眠周期，每個節點都需記錄鄰近節點的休眠周期信息。此方法壓縮了節點的激活時間，將原本在任意時刻都會產生的數據信息集中在激活期發送，會增大節點冗余。文獻[10]給出了解決此問題的方法，將一條鏈路上的所有節點的激活期交錯起來，激活期中包含時間相等的發送期u和接收期u，節點根據其在鏈路中的深度D將激活時間向Sink節點確定的時鐘基準移動du，保證一條轉發鏈路的節點可以被順次激活傳輸。該機制雖節約了一定的能量，降低了數據的傳輸延時，但會對協議性能，如吞吐量產生影響。在文獻[11]中介紹了一種在轉發數據包時使用鄰近節點位置信息的路由協議GPSR。中繼節點根據自己與Sink節點距離進行數據傳送，中繼節點依據貪婪特性的轉發方式選擇在一跳范圍內距離Sink節點最近的節點作為轉發中繼節點。GPSR的中繼節點選擇思路可以在一跳范圍內選擇耗能最小的節點作為下一跳中繼節點，卻不能保證整條路由的總體能耗為最低。本文在中繼節點的選擇方面，通過計算下一跳最佳節點位置后，選取其附近半徑為Ru的區域內的最小代價節點為下一跳的中繼節點，設計出基于地理位置的中繼節點自適應選擇的節點休眠機制。endprint

2 模型建立

2.1 無線傳感器網絡模型建立

如圖1所示，假設研究的無線傳感器網絡模型是在邊長為h的正方形區域中，所有節點都配備了相同的發送模塊和接收模塊，所有節點的最大發送、接收范圍均為R，即區域中任意兩節點a和b，只有當節點a和節點b的距離d不大于R的情況才能相互通信。Sink節點處在區域中心位置，各節點均勻分布在整個網絡，每個節點都配有GPS裝置，可確定自己的位置并通過以太網廣播的方式確定鄰近節點的地理位置。

2.2 無線傳感器網絡能耗模型建立

無線傳感器網絡節點能耗有很多方面，為了研究的方便，將主要關注接收和轉發過程中的能量損耗。無線傳感器網絡能耗模型如圖2所示，發送模塊由發送電路和放大器組成，接收模塊僅為接收電路。

引理1和2表明在整條傳輸鏈路中，單跳距離d相等且為[2Eelecεamp（n-1）n]時，Elink（D）可以取到最小值，稱此時的d=[dchar]。設置n為固定值2，則[dchar]也為固定值。當源節點與Sink節點的傳輸距離為D（且D是[dchar]的整數倍）時，整條傳輸鏈路所消耗的Elink最小。但是在實際拓撲中不可能所有的D都被[dchar]整除，因此有時候[dchar]并不是最佳距離，但可以作為最佳距離的近似值近似地表示最佳距離。

在源節點與Sink節點的連線上每隔一個[dchar]距離的點ui（i=1，2…），按上述分析，如果ui位置有傳感器節點，則此節點為最佳的中繼節點。但是實際的無線傳感器網絡分布中， ui處可能沒有節點存在。如圖3所示，在實際應用中當數據包傳送給mi后，mi需要在ui+1的附近尋找下一跳節點。劃定一塊以ui+1為圓心，半徑為Ru的搜索范圍，只能在Ru范圍內尋找下一跳的節點。

無線傳感器網絡中的每個節點都通過廣播等方式知道自身以及Sink節點的位置坐標。當節點距離最佳節點的距離越近，整條傳輸鏈路的能耗將會最小。按照上述的證明，此時只要尋找在Ru范圍內的離最佳點ui+1最近的點即可。但是會出現這樣的現象：當整個網絡的節點感知數據產生的分布不均勻時，距離最佳點ui+1較近的節點產生、轉發數據頻繁，導致這些節點快速耗能而死亡。如果這些死亡節點是網絡中極為重要的節點，那么它的死亡將有可能破壞整個網絡的性能。若多數節點相繼死亡，那么會產生能量空洞，勢必會影響路由算法的性能。一個無法保證網絡正常工作的節能算法是無意義的。因此，引入一個代價函數決定下一跳節點。通過考慮最佳節點ui+1附近的節點的距離因素、剩余能量因素設計出代價函數如下：[cost=（1-α）?d（m，ui+1）R+α?1-EresEin，0<α<1，Eres>0] （6）

式中：[α]為權重系數；m是網絡中任意節點，[d（m，ui+1）]是m節點與最佳點ui+1的距離；R為最佳點附近的搜索半徑；Eres為當前節點的剩余能量；Ein為節點的初始能量。在網絡工作時，每個發送節點向鄰居節點發送廣播，鄰居節點在接收到的數據信息中選擇代價函數值最小的節點作為下一跳中繼節點，其余節點進入休眠狀態。

為了能夠得到鄰居節點中的最小代價值，在發送的RTS（Request To Sent）中加入三個短域其中包括節點位置坐標、傳輸負載量和節點剩余能量。報文內容如下：

采取在網絡工作不同階段選取相對應的中繼節點選擇的方式，網絡中繼節點選擇方式流程圖見圖4。

休眠算法實現方式具體操作如下：

（1） 節點通過廣播的形式得到Sink節點和鄰近節點的位置，計算出下一跳最佳的中繼坐標；

（2） 計算出下一跳最佳的中繼節點坐標后并向全網絡廣播其坐標位置；

（3） 設置定時器，在最大允許時間T內，接收來自鄰居節點的RTS，計算[mui+1]值，大于通信半徑R則丟棄信息。

（4） 計算代價函數cost值，選取最小cost值的節點并記錄其位置信息。每接收一個RTS，計算cost值后，與前邊的cost比較，如果大于前邊的cost值則舍棄，否則作為新的cost值。即保留最小代價值的那個節點的信息。

在一次路由鏈路的建立過程中，所有無線傳感器網絡中的節點都保持偵聽狀態，通過發送自身節點信息選擇是否為下一跳中繼節點。未被選作下一跳中繼節點的節點進入休眠模式，在下一輪的路由鏈路建立開始時再次喚醒，并繼續競爭下一跳中繼節點。

4 仿真分析

為了分析本文提出的基于地理位置的中繼節點自適應選擇休眠機制的性能，通過Matlab平臺編寫一個M文件，并進行實驗仿真。仿真實驗模擬了一個在100 m×100 m的矩形范圍內，網絡中均勻分布100 B，Sink節點位于網絡中心。除Sink節點不產生數據，其余傳感器節點在一個周期內都產生一個數據分組，并且其余節點初始能量都相同。表2為仿真實驗中使用的參數，其中Ein為節點起始能量，Eelec為發送1 b的能量消耗，[εamp]為發送1 b數據放大器消耗的能量，[α]為權重系數，D為源節點與Sink節點的最遠距離，K為數據包的大小。

圖5和圖6分別為GPSR協議與本文提出休眠方式在仿真經過700輪后網絡中的節點剩余能量情況。圖5中紅色的點為剩余能量為零的節點，即死亡節點。由圖可知，在網絡運行到700輪時已經有40%節點開始死亡。而圖6中，經過700輪后網絡中并未出現死亡節點，在之后的仿真中發現直到800輪后網絡中才出現死亡節點。這是因為GPSR協議是依據貪婪特性選擇距離Sink節點最近的節點作為下一跳節點，并未從網絡整體考慮減少能耗，而本文提出的方法均衡了節點的地理位置因素和剩余能量因素，所選的傳輸鏈路接近最小能耗，因此死亡節點的壽命更長。

圖7為隨著網絡運行輪數的增加網絡中剩余存活節點的數量的變化。圖中藍色線條代表GPSR協議的剩余節點存活數量變化，紅色線條表示本文提出的方法的剩余節點存活數量變化。當網絡運行到600輪時GPSR協議已經有節點能量耗盡，而本文提出的休眠方式在網絡運行到800輪后才有節點死亡，而到900輪后會有一個驟降的趨勢。這是因為本文提出的方法考慮了網絡節點的整體能量，節點死亡的時間會較晚。隨著網絡工作時間的延長，死亡節點會快速增多，是因為該方法是基于能量均衡原則，會犧牲部分能量使達到能量均衡，到了網絡工作后期節點會快速死亡。endprint

本文提出的方法能夠提高節點能量利用率、延長了網絡工作時間。在節點均勻分布的仿真實驗中，雖然各方法的性能差距較小，但還是能夠顯示該方法在延長網絡工作時間方面的優勢。如果在節點不均勻分布的情況下，該方法的優勢將會更加明顯。

5 結 論

本文為無線傳感器網絡設計了一種基于地理位置的中繼節點自適應選擇機制，并通過Matlab仿真驗證了所提出休眠方式的性能，結果顯示本文所提的休眠機制具有較好的能量有效性，并且提高了網絡節點能量的利用率。進一步研究中，將對無線傳感器網絡中節點分布不均勻的情況開展討論，設計能夠適應多種業務模型的休眠策略來提高網絡節點的能量利用率。

參考文獻

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