無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)能路由算法研究

丁海霞

(江蘇食品職業(yè)技術學院 計算機應用技術系，江蘇 淮安 223003)

無線傳感器網(wǎng)絡WSN(Wireless Sensor Network)作為新興的網(wǎng)絡測控技術，是能夠自主實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、融合和傳輸?shù)闹悄芫W(wǎng)絡系統(tǒng)，在軍事、交通、數(shù)字醫(yī)療等領域得到了廣泛應用，因而引起了業(yè)界的廣泛關注。但是由于WSN節(jié)點受到體積和成本等方面的限制，一般采用攜帶的電池，能量補充困難而且能量相對較少，這是目前WSN應用的主要問題。因此，如何降低能耗，提高整個網(wǎng)絡的生命周期是WSN的研究熱點，也是亟待解決的問題。

目前，國內(nèi)外大量學者針對如何降低和平衡節(jié)點能耗問題進行了研究，本文針對WSN路由節(jié)能問題進行研究。在WSN中，由于節(jié)點特殊原因或節(jié)點能量受限等因素影響，個別節(jié)點失效或不能工作狀況時有發(fā)生。當出現(xiàn)節(jié)點失效等情況后，需要有新的節(jié)點及時移動到失效節(jié)點的位置，取代失效節(jié)點繼續(xù)工作。在這個取代的過程中，節(jié)點移動有許多要解決的難題。首先，節(jié)點移動有嚴格的時間要求。當舊節(jié)點剩余能量低于閾值時，新節(jié)點必須在規(guī)定的時間內(nèi)移動到舊節(jié)點位置，并且越快越好，從而保證在舊節(jié)點失效之前，新節(jié)點能夠接替其工作。這樣才不會影響WSN正常運行，也不會出現(xiàn)盲區(qū)或某一時間無法監(jiān)測的區(qū)域。其次，節(jié)點移動不能影響網(wǎng)絡的正常工作，因為在節(jié)點移動的過程中，節(jié)點要與周圍節(jié)點交換信息，甚至可能影響節(jié)點的中繼路由或簇的形成。第三，由于傳感器節(jié)點的能量有限，節(jié)點移動的消耗能量應盡可能少，節(jié)約傳感器節(jié)點能源，從而延長整個傳感器網(wǎng)絡的有效工作時間。針對這些問題，本文在總結(jié)和應用其他學者研究成果的基礎上，提出了一種基于節(jié)點最佳路徑移動的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)能路由算法EEBM (Energy-Efficient routing algorithm based on the Best node Movement route)。

1 相關研究

1.1 分層型路由協(xié)議

分層型路由協(xié)議中，能量較高節(jié)點可用于處理和傳遞信息，而能量較低的節(jié)點則只能用于對目標進行近似測量。典型的分層型路由協(xié)議主要包括：

(1)低能耗自適應分簇LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)算法，它是一種自適應型分簇拓撲算法，通過讓各節(jié)點等概率的擔任簇頭達到相對均衡網(wǎng)絡中各節(jié)點所消耗的能量的目的。LEACH是一種以最小化傳感器網(wǎng)絡能量損耗為目標的分層式協(xié)議，它集成了傳感器網(wǎng)絡的基本路由協(xié)議和拓撲控制算法。在LEACH算法中整個網(wǎng)絡的通信由一輪一輪的周期性動作組成，每一輪包括簇的建立階段和數(shù)據(jù)通信階段，其中簇的建立階段完成簇的組織，數(shù)據(jù)傳輸階段將數(shù)據(jù)傳送到簇首，再由簇首發(fā)送到基站(BS)。

(2)傳感器信息系統(tǒng)的節(jié)能型采集方法PEGAS-IS[1]，它是一種臨近最優(yōu)鏈式協(xié)議，其基本思想是：借鑒LEACH的動態(tài)簇頭選舉思想[2]，建立一條包含所有節(jié)點的最短路徑(稱為“鏈”)，并最終在每輪中只選出一個簇頭負責與網(wǎng)關節(jié)點通信。由于最短路徑鏈上的節(jié)點都能以最小發(fā)射功率向鄰居節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，相比于LEACH，PEGAS-IS使網(wǎng)絡的生存時間得到顯著延長。但是，由于目前還沒有尋找包含所有節(jié)點的最短路徑的有效方法，PEGAS-IS不適合在大規(guī)模網(wǎng)絡上使用。

1.2 平面型路由協(xié)議

在平面型路由中，所有節(jié)點的地位平等，典型協(xié)議主要有：

(1)序列分配路由 SAR[3]，其基本原理是：選擇路由時，綜合考慮能量資源、各路徑的服務質(zhì)量(QoS)和各信息包的優(yōu)先權3個要素，根據(jù)最終的權值來決定當前的路由。若由于節(jié)點故障拓撲邏輯產(chǎn)生變化，則需要重新計算路由。其中，基站負責計算拓撲邏輯變化的總量，并周期性觸發(fā)路徑重新計算。同時，還采用鄰近節(jié)點間基于局部路徑重建的交換方式恢復路徑。

(2)最小開銷前向傳遞算法 MCFA[4]，其基本原理是：利用路由傳遞方向的己知信息(例如向外部固定基站傳遞數(shù)據(jù))對數(shù)據(jù)進行路由。無線傳感器節(jié)點前向傳遞的每條信息都被發(fā)送到相鄰節(jié)點中。當節(jié)點接收到該信息時，檢查自己是否處于源節(jié)點與基站間最小花費路徑上。如果是，則再將信息傳遞給相鄰節(jié)點。不斷重復該過程，直至該信息被傳遞到基站中。在MCFA中，各節(jié)點需要了解從本節(jié)點到基站間的預計最小花費路徑，節(jié)點無需包含特有ID或維護路由表。另外，各節(jié)點也不斷修正自己到基站的最低花費值。

1.3 適應型路由

信息協(xié)商傳感器協(xié)議(SPIN)[5]是適應型路由的典型協(xié)議，可通過控制特定的系統(tǒng)參數(shù)以適應網(wǎng)絡當前條件和可用的能量水平。

通過對典型節(jié)能路由模型的研究可以看出，針對WSN能耗的研究主要集中在路由和網(wǎng)絡的建立、節(jié)點分簇、簇頭選取、輪詢策略等方面，而通過策略選取節(jié)點，將其移動到指定區(qū)域來取代失效節(jié)點，完成類似移動Internet或3G/4G的移動服務等方面的研究還相對較少。

2 基于節(jié)點最佳路徑移動的WSN節(jié)能路由算法EEBM

2.1 基本思想

EEBM主要研究當“瓶頸節(jié)點”即將發(fā)生失效等情況時，如何在滿足節(jié)約節(jié)點移動消耗能量等多條件約束情況下，找到最佳的移動節(jié)點(優(yōu)先考慮移動獨立冗余節(jié)點)和移動路徑，從而保證網(wǎng)絡的正常工作，延長網(wǎng)絡的有效工作時間的方法。

算法的主要思想如下：

(1)網(wǎng)絡中獨立冗余節(jié)點的選取策略。所謂獨立冗余節(jié)點，即若關閉該節(jié)點，不會影響網(wǎng)絡的覆蓋率。以下通過Voronni劃分與Delaunay三角剖分來確定網(wǎng)絡中的獨立冗余節(jié)點[6]。

(2)網(wǎng)絡中“瓶頸節(jié)點”的選取。所謂“瓶頸節(jié)點”，即在一個隨機部署的WSN中，那些由于它們的失效而造成整個網(wǎng)絡被割裂成兩個或多個不相連的區(qū)域，并且由于收集數(shù)據(jù)的基站和檢測目標不在同一個區(qū)域內(nèi)，造成整個網(wǎng)絡生命期結(jié)束的最少數(shù)目的節(jié)點。直觀地說，如果瓶頸節(jié)點消亡，則整個WSN的生命就結(jié)束。參考文獻[7]就是在全局范圍內(nèi)找出限制網(wǎng)絡壽命的“瓶頸節(jié)點”。

(3)節(jié)點移動最佳路徑選擇。在前面兩部分的基礎上，選取合適的獨立冗余節(jié)點進行移動，將其移動到“瓶頸節(jié)點”的周圍，有兩個約束條件：不破壞網(wǎng)絡原有的覆蓋率以及移動損耗能量最少。在滿足基本網(wǎng)絡覆蓋率的情況下，使得“瓶頸節(jié)點”周圍有備用的節(jié)點，備用節(jié)點可以與 “瓶頸節(jié)點”協(xié)同工作或失效的 “瓶頸節(jié)點”替換。

(4)移動完畢后，網(wǎng)關節(jié)點會監(jiān)聽“瓶頸節(jié)點”發(fā)出的信息，一旦該“瓶頸節(jié)點”的剩余能量低于閾值，則移動到其附近的節(jié)點會被喚醒，取代失效節(jié)點，從而使網(wǎng)絡正常工作。

2.2 相關概念

假設一個 WSN 包含一組節(jié)點 X={x1，x2，x3…，xn}，其中n為網(wǎng)絡內(nèi)節(jié)點數(shù)量，n個節(jié)點部署到一個監(jiān)測區(qū)域MA網(wǎng)絡內(nèi)通常存在一個基站節(jié)點BS來實現(xiàn)信息匯聚以及與外界通信，正常的網(wǎng)絡節(jié)點采用多跳方式與BS通信，將感知數(shù)據(jù)傳送到需要的地方。假設：

(1)節(jié)點xi可采用GPS或其他方式獲取自己的位置；

(2)節(jié)點 xi的感知半徑為 Rsi和感知區(qū)域為 Asi，節(jié)點xi的通信半徑為 Rci；

2.3 尋找“瓶頸節(jié)點”的方法

“瓶頸節(jié)點”具有如下特點：

(1)“瓶頸節(jié)點”是兩個或多個WSN區(qū)域通信的唯一路徑，承擔著繁重的中繼任務。

(2)“瓶頸節(jié)點”的能耗要大大高于普通節(jié)點乃至基站節(jié)點，這就造成了節(jié)點的能耗差異較大和不均勻性。

(3)“瓶頸節(jié)點”失效意味著部分通信中斷、整個網(wǎng)絡失效或者部分失效(參考文獻[7]對此也有專門的討論)。針對上述特點，綜合KARGER等人提出的MINCUT算法[8]，借鑒開放最短路徑優(yōu)先OSPF(Open Shortest Path First)[9]中的探測協(xié)議，提出基于消息交換的瓶頸節(jié)點定位算法。

算法的具體思想為：(1)節(jié)點發(fā)送報文到鄰居節(jié)點，鄰居節(jié)點以消息確認形式反饋；(2)節(jié)點通過消息交換獲得鄰居節(jié)點信息，生成拓撲結(jié)構(gòu)，判斷是否為瓶頸節(jié)點。

2.4 EEBM算法的實現(xiàn)

經(jīng)過2.3的研究，能夠得到所有的獨立冗余節(jié)點及網(wǎng)絡中制約使用壽命的“瓶頸節(jié)點”，以下將在這些工作的基礎上，在不破壞網(wǎng)絡連通性和覆蓋率以及最小化能量消耗的前提下，完成節(jié)點移動的任務，使得“瓶頸節(jié)點”周圍有備用的節(jié)點。

2.4.1 節(jié)點直接移動

由2.2及2.3可以得到所有獨立冗余節(jié)點的集合S和網(wǎng)絡中的“瓶頸節(jié)點”，節(jié)點直接移動算法的具體步驟為：(1)從獨立冗余節(jié)點集合S中選出可以移動的節(jié)點；(2)分別計算每個可移動節(jié)點移動時所消耗的能量及其剩余能量，并進行綜合評估，找到消耗能量少且剩余能量多的移動策略。但是，有時候消耗能量最小和剩余能量最大兩個最優(yōu)不會同時達到，所以需要對這兩個代價進行折中；(3)向該節(jié)點發(fā)出命令信號，命令其向指定位置移動。

2.4.2 節(jié)點最佳路徑移動

節(jié)點直接移動方法的優(yōu)點是算法簡單、效率高，但仍存在著較大的缺陷。例如，當可移動節(jié)點離指定位置較遠時，移動該節(jié)點會耗費較多能量，其移動后的剩余能量會很小，若此時采用節(jié)點直接移動算法，效果很差，因此以下給出采用節(jié)點最佳路徑移動的方法。該方法是在保證連通性和覆蓋率的情況下，逐步移動多個節(jié)點，使得最后移動到“瓶頸節(jié)點”周圍的替補節(jié)點的剩余能量相對較高，使用壽命也會更長。

節(jié)點最佳路徑移動的具體步驟如下：

(1)尋找中介節(jié)點的算法

當WSN中產(chǎn)生失效節(jié)點時，需要有新的節(jié)點移動到失效節(jié)點位置代替失效節(jié)點繼續(xù)工作。

假設x0為失效節(jié)點，xi為冗余節(jié)點，則可以將節(jié)點 xi移動到節(jié)點x0的位置，或者不直接將節(jié)點xi移動到處x0，而是尋找節(jié)點 x0與節(jié)點 xi之間的中介節(jié)點，產(chǎn)生多條節(jié)點移動路徑，如圖1所示。

圖1 x0到 xi之間的多條節(jié)點移動路徑

如果節(jié)點xi可以移動到節(jié)點xj處，則必須滿足不等式：

其中，dij為節(jié)點 xi與節(jié)點 xj的距離，v為節(jié)點移動速度。

用此方法可以找出x0與xi之間的多個中介節(jié)點，從而得到多條移動路徑，如圖1所示。并且計算每個中介節(jié)點圓區(qū)域內(nèi)的節(jié)點分布密度、每個路徑的路徑節(jié)點密度、總體消耗能量和中介節(jié)點移動后的最小剩余能量。

(2)選擇最佳移動路徑

選擇最佳路徑的原則是：該路徑總體消耗能量最小，該路徑節(jié)點移動后的剩余能量最大以及該路徑節(jié)點密度最大。一般情況下，不可能同時滿足上述三個原則，于是應用層次分析法解決該問題。

層次分析法是數(shù)學建模中常用的用于決策的方法。在深入分析實際問題的基礎上，將有關的各個因素按照不同屬性自上而下地分解成若干層次。同一層的諸因素從屬于上一層的因素或?qū)ι蠈右蛩赜杏绊懀瑫r又支配下一層的因素或受到下層因素的作用。最上層為目標層，通常只有1個因素，最下層通常為方案或?qū)ο髮?，中間可以有1個或幾個層次，通常為準則或指標層。本文中目標層為選擇最佳路徑，準則層有3個因素分別是總體消耗能量最小、移動后節(jié)點最小剩余能量最大和路徑節(jié)點密度最大，方案層為若干條后選路徑，如圖2所示(假設有3條候選路徑)。

2.4.3 仿真及結(jié)果分析

仿真環(huán)境如下：無線傳感器節(jié)點隨機分布在40×40的平面正方形區(qū)域中，節(jié)點數(shù)目為48個，每個節(jié)點的初始能量E=2 000 J，節(jié)點移動速度V=1m/s，恢復時間T=10s，節(jié)點移動1 m消耗的能量為30 J，節(jié)點的傳感半徑R=6，傳感器的類型參數(shù)α=0.1，β=3進行仿真。節(jié)點移動前后瓶頸節(jié)點能耗對比如圖3所示。

圖2 選擇最佳節(jié)點移動路徑的層次結(jié)構(gòu)

圖3 移動一個節(jié)點前后瓶頸節(jié)點能量消耗示意圖

假設節(jié)點平均接收一次信號消耗的能量為0.5 J，發(fā)送一次信號的能量為0.7 J，并且瓶頸節(jié)點每10 s周期性地發(fā)送或接收信號，其余節(jié)點處于休眠狀態(tài)。對下面兩種情況進行仿真：(1)不移動任何節(jié)點；(2)將離瓶頸節(jié)點較近的冗余節(jié)點移動到瓶頸節(jié)點的位置，共同分擔信號的接收和發(fā)送工作。仿真結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以發(fā)現(xiàn)，瓶頸節(jié)點有了支援節(jié)點后，其消耗的能量明顯地減少，即瓶頸節(jié)點的壽命有所延長，從而延長了整個網(wǎng)絡的有效壽命。

本文對WSN中基于節(jié)點移動的節(jié)能路由問題進行了有針對性的研究，提出了利用冗余節(jié)點最佳移動路徑算法來解決“瓶頸節(jié)點”能量消耗過快的問題，形成了移動后的冗余節(jié)點與“瓶頸節(jié)點”協(xié)同工作，分擔通信負荷，提高 “瓶頸節(jié)點”壽命的新型節(jié)能路由算法——EEBM。該算法考慮了節(jié)點移動消耗能量、節(jié)點剩余能量和節(jié)點分布密度等因素，運用層次分析法，能夠在多條件約束情況下找到最佳的移動節(jié)點和移動路徑，從而保證在節(jié)點覆蓋不受影響的條件下網(wǎng)絡仍能正常工作，并且延長整個傳感器網(wǎng)絡的有效工作時間。仿真證明，在存在瓶頸節(jié)點的WSN中，EEBM算法相比其他節(jié)點移動算法確有較大的改進。

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