傳感器網(wǎng)絡(luò)簇間通信自適應(yīng)節(jié)能路由優(yōu)化算法

李文峰，沈連豐，胡靜

（東南大學(xué) 移動通信國家重點實驗室，江蘇 南京 210096）

1 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN, wireless sensor networks）是由傳感器節(jié)點通過無線通信技術(shù)自組織構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)[1]。由大量高度集成的小型傳感器節(jié)點構(gòu)成的大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在遠程大氣監(jiān)測以及地震、醫(yī)療、資源保護等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集方面得到更加廣泛的應(yīng)用。但是，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的小型化意味著其能量極為有限，在網(wǎng)絡(luò)運行過程中，為大量傳感器節(jié)點更換電池顯然不切實際。因此，如何讓由有限能量的微型傳感器節(jié)點所構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)較長的生命周期，成為大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展所面臨的重大挑戰(zhàn)。人們普遍認識到，進一步拓寬大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用潛力的關(guān)鍵技術(shù)，就是盡量地減小其工作時的功耗，延長其生命周期。

延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期的研究大體可以分為2個方向，其一是減小節(jié)點自身和物理層鏈路的功耗[2～4]。例如，Chouhan 等人[2]分析了加性高斯白噪聲信道下，糾錯碼和調(diào)制參數(shù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信過程中對于節(jié)點能量變化的影響。在此分析基礎(chǔ)上提出了選擇糾錯碼與調(diào)制方式的最佳匹配方案，以達到節(jié)約通信功耗的目的。Kalis等人[3]則將網(wǎng)絡(luò)中的眾多節(jié)點作為整體看作是一個朝向數(shù)據(jù)融合中心并具有高度定向增益的天線陣列，通過波束成形的方式使得節(jié)點與數(shù)據(jù)融合中心之間可直接通信。而網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點僅當(dāng)需要向數(shù)據(jù)融合中心發(fā)送數(shù)據(jù)時才被激活，無需考慮MAC層的通信沖突和路由算法，從而保證節(jié)點可運行較長的周期。Abouei等人[4]針對能量受限的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提出了一種節(jié)能的最優(yōu)化非相干 MFSK調(diào)制方式（NC-MFSK，non-coherent M-ary frequency shift keying）。該調(diào)制方式尤其適用于室內(nèi)短距離低密度傳感器網(wǎng)絡(luò)，其工作復(fù)雜度及節(jié)能效率要好于其他調(diào)制方式。

另一方向則是研究協(xié)作策略[5～7]，即各傳感器節(jié)點如何協(xié)作，以最節(jié)能的方式實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能。例如，Zhuo等人[5]假設(shè)分簇傳感器網(wǎng)絡(luò)中所有簇間通信距離均遠遠大于簇內(nèi)通信半徑，在此前提下將多輸入多輸出（MIMO, multiple-input-multiple-output）協(xié)作通信作為簇間通信方式來提高通信時的能量效率。作者基于誤包率（PER, packet-error-rate）建立了源節(jié)點與目標(biāo)節(jié)點之間通信的能耗模型，并以此來優(yōu)化降低整個網(wǎng)絡(luò)的通信能耗。但實際網(wǎng)絡(luò)中，簇間通信距離并不一定遠遠大于簇內(nèi)通信距離，因而限制了文獻[5]中的協(xié)作通信方式在實際傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。Gao等人[6]則將多輸入多輸出協(xié)作通信與數(shù)據(jù)融合技術(shù)相結(jié)合，通過減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)目偭恳约敖柚鷧f(xié)作通信更好地整合網(wǎng)絡(luò)資源來提高能量效率、延長傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期。Ke等人[7]為了延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期提出了一種基于能量定價的中繼選擇和功率分配算法。該算法將網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點看作為能量銷售員，通過圖解法得到源節(jié)點與中繼節(jié)點之間的最佳功率分配解決方案，并依據(jù)成本最小化原則選擇最佳中繼節(jié)點。

本文提出一種適用于分簇?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)節(jié)能路由優(yōu)化選擇算法。與其他同類算法相比，該算法能夠優(yōu)化簇間通信路由，使得簇首之間通信時能自適應(yīng)地選擇最節(jié)能的通信方式，以確保源節(jié)點與目標(biāo)節(jié)點之間能夠建立最優(yōu)或次優(yōu)的節(jié)能路由；同時，該算法還可利用協(xié)作通信的方式修復(fù)或重建由于通信覆蓋盲區(qū)所造成的路由中斷，延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期及有效工作時間。

2 系統(tǒng)模型

假設(shè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由基站和傳感器節(jié)點組成。網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點隨機分布在某一區(qū)域內(nèi)，節(jié)點經(jīng)過分簇后組成不同的簇，如圖1所示。從圖1中可以看到，簇成員將自身采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給各自的簇首，再由簇首將這些數(shù)據(jù)匯合處理后統(tǒng)一發(fā)送至基站。簇內(nèi)通信均采用直接通信的方式，而簇間通信則可選擇直接通信、中繼節(jié)點接力通信以及多節(jié)點協(xié)作通信等不同通信方式。不同簇間通信方式的具體定義和能耗模型分析可參見第3節(jié)。在通信過程中，簇首將數(shù)據(jù)分組發(fā)送至基站時，若無法與基站直接通信，則需首先建立與基站之間的路由，通過其他節(jié)點將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至基站。為了確保源簇首與基站之間能夠建立最優(yōu)或次優(yōu)的節(jié)能路由，簇首在建立簇間通信路由時選擇適宜的簇首作為下一跳路由對象，以保證其與基站之間的總體通信能耗最小。

圖1 系統(tǒng)模型

在網(wǎng)絡(luò)中，假設(shè)每個節(jié)點均裝備有全向天線，且各個節(jié)點均已知自身的位置信息。除基站外，所有節(jié)點的能量均由電池提供。節(jié)點通信過程中通信能耗主要來源于功率放大器的發(fā)射能量以及收發(fā)機的電路損耗。若通信信道是基于高斯白噪聲下的瑞利衰落信道，則發(fā)射端成功發(fā)送單位比特數(shù)據(jù)所需的發(fā)射能量可表示為

另外，功率損耗還包括發(fā)送電路損耗和接收電路損耗，分別用Ect和Ecr表示。

3 簇間通信能耗模型分析

如圖2所示，簇間通信分為直接通信、中繼節(jié)點接力通信以及節(jié)點協(xié)作通信3種方式。圖2中采用與圖 1中一致的標(biāo)識符號來代表不同類型的節(jié)點。下面分別對這3種通信方式的能耗模型進行分析比較。

3.1 簇間直接通信

簇間直接通信是指源簇首與目標(biāo)簇首之間直接進行通信，如圖2(a)所示。簇首A向簇首B傳輸kbit數(shù)據(jù)幀所需消耗的發(fā)射能量為

其中，dAB指簇首A與簇首B之間的通信距離。傳輸過程中，簇首A和簇首B電路部分的損耗為

因而簇首A與簇首B之間通過直接通信方式傳輸kbit數(shù)據(jù)幀所需耗費的總能量為

3.2 簇間中繼通信

簇間中繼通信是指源簇首與目標(biāo)簇首通信時依靠其他節(jié)點對通信數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)發(fā)從而完成簇首間的通信，其中在簇首之間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的節(jié)點稱作為中繼節(jié)點，如圖2(b)和圖2(c)所示。

圖2 簇間通信方式

圖2(b)為單跳簇間中繼通信，簇首A和簇首B利用單個中繼節(jié)點a進行中繼通信。從圖中可以看出，單跳簇間中繼通信過程可等效為A與a以及a與B之間的直接通信。因此，簇首A與簇首B之間通過單個節(jié)點a中繼傳輸kbit數(shù)據(jù)幀所需耗費的總能量可表示為

其中，EAa和EaB分別表示A與a以及a與B之間直接通信所需耗費的能量；dAa和daB分別為A與a以及a與B之間的通信距離。

簇首A與簇首B之間的簇間中繼通信還可擴展為多跳簇間中繼通信，即利用2個簇首之間的多個中繼節(jié)點（假設(shè)為n個）對數(shù)據(jù)進行多跳轉(zhuǎn)發(fā)從而完成簇首之間的通信，如圖2(c)所示。類似單跳中繼通信，當(dāng)時，多跳中繼通信所消耗的總能量小于直接通信所需的總能量，其中di指中繼轉(zhuǎn)發(fā)時每一跳的通信距離。

3.3 簇間協(xié)作通信

簇間協(xié)作通信是指利用多輸入多輸出通信技術(shù)，由源簇首及其所選擇的協(xié)作節(jié)點組成虛擬天線陣列與目標(biāo)簇首進行通信。如圖2(d)所示，簇首A與協(xié)作節(jié)點c1～cm-1組成虛擬天線陣列向簇首B發(fā)送數(shù)據(jù)。比較圖2(a)和圖2(d)可以看出，簇間直接通信和協(xié)作通信可分別看作為SISO（single-inputsingle-output）和MISO（multiple-input-single-output）系統(tǒng)。在同樣的發(fā)射功率負載和誤碼率標(biāo)準下，MISO系統(tǒng)能夠支持更高的傳輸速率，也就是說，在同樣吞吐量和誤碼率前提下，簇間協(xié)作通信所需的傳輸能量要比簇間直接通信所需的傳輸能量要小。

簇間協(xié)作通信時，假設(shè)源簇首選擇了m-1個協(xié)作節(jié)點（m≥1）并共同組成虛擬天線陣列向目標(biāo)簇首發(fā)送數(shù)據(jù)，則源端到目標(biāo)端之間共有m條獨立信道，此處將源簇首看作第m個協(xié)作節(jié)點。根據(jù)鏈路負載關(guān)系，由式(1)知，源端向目標(biāo)簇首成功發(fā)送單位比特數(shù)據(jù)所需的發(fā)射能量為

其中，dciB為協(xié)作節(jié)點ci與目標(biāo)簇首B之間的通信距離。

協(xié)作通信時的信道衰減矩陣是一個1×m維包含獨立高斯隨機變量的矩陣，可表示為H=[h1h2…h(huán)m]，hi（i=1, 2, …, m）是對應(yīng)于第i個分支的信道傳輸函數(shù)，并且信道矩陣H中每個元素的方差均為1。當(dāng)m=1時，H=[h1]，可將其看作為協(xié)作通信的一個特例，等效為直接通信。假設(shè)協(xié)作通信時，m個協(xié)作節(jié)點發(fā)射天線功率相等，于是接收端信噪比為

其中，N0表示加性高斯白噪聲的單邊功率譜密度。若接收端采用最大似然檢測技術(shù)，根據(jù)Chernoff邊界定理，接收端相應(yīng)的誤符號率為[8,9]

若采用BPSK調(diào)制，則其誤符號率和誤碼率相同。當(dāng)信噪比較高時，Eb/N0遠遠大于1。因而由式(9)可得到的取值范圍為

將式(10)取最大值，可得到源端發(fā)送單位比特數(shù)據(jù)所需的平均發(fā)射能量為

式(11)中假設(shè)源簇首與目標(biāo)簇首之間相隔較遠，因而各個協(xié)作節(jié)點與目標(biāo)簇首之間的通信距離看作近似相等，即dciB≈dAB。令

顯然，g(x)在區(qū)間(0, +∞)上連續(xù)并且可導(dǎo)。推導(dǎo)可知當(dāng)滿足x＜-ln時，g(x)在區(qū)間(0,-ln]上單調(diào)減少。通常0＜?1，故可滿足-ln＞1。若令，則當(dāng)m為大于1小于等于n的整數(shù)時，必然有g(shù)(m)＜g(1)，因而Et(m)＜Et(1)，即發(fā)射能量隨著天線數(shù)m的增加而降低，也就是說，簇間協(xié)作通信源端所需的發(fā)射能量小于直接通信源端所需的發(fā)射能量。然而，由于協(xié)作通信過程中參與的節(jié)點更多，因此發(fā)送和接收電路必然消耗更多的能量。當(dāng)簇間通信時，若簇間通信距離較短，收發(fā)兩端發(fā)送和接收電路部分的能量損耗也是一個不可忽略的因素。協(xié)作通信時，收發(fā)兩端電路部分在傳輸單位比特數(shù)據(jù)時消耗的能量Ec可近似表示為

因而使用協(xié)作通信方式傳輸單位比特數(shù)據(jù)所需的總能量為

圖3和圖4比較了協(xié)作通信與直接通信的能耗與通信距離的關(guān)系。比較時所引進的通信系統(tǒng)參數(shù)如表1所示[10]，其中，Tt表示數(shù)據(jù)發(fā)送周期。

圖3 傳輸單位比特消耗的能量

圖4 單位比特通信過程中需要的總能量

表1 系統(tǒng)參數(shù)

圖3比較了2×1 MISO系統(tǒng)與SISO系統(tǒng)發(fā)送單位比特數(shù)據(jù)時所需的發(fā)射能量。從圖中可以看出，協(xié)作通信相比直接通信始終占用更少的發(fā)射能量。

在考慮通信過程中電路部分的能耗后，MISO系統(tǒng)與SISO系統(tǒng)的能耗比較如圖4所示。從圖中可以看出，在短距離通信中，電路損耗相較于通信能耗占據(jù)主導(dǎo)地位，因而參與節(jié)點較少的直接通信顯然更為節(jié)能；而在長距離通信中，隨著通信距離的增加，路徑衰落成為能耗的主導(dǎo)因素，因而具有天線增益和抗多徑衰落特性的協(xié)作通信較為節(jié)能。

在實際簇間協(xié)作通信過程中，源簇首需要首先將待發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)作節(jié)點，然后再利用虛擬天線陣列同時發(fā)送給目標(biāo)簇首。因而在估算簇間協(xié)作通信總能耗時，除了式(13)列出的簇間通信能耗外，還需包括簇內(nèi)的通信開銷。簇內(nèi)部分的能耗開銷包括源簇首向協(xié)作節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時的發(fā)射能耗以及各個通信節(jié)點的電路損耗。簇內(nèi)通信一般采用直接通信方式，若協(xié)作節(jié)點為m-1個，則源簇首與協(xié)作節(jié)點之間簇內(nèi)通信能耗開銷為

其中，d是簇內(nèi)通信半徑。此處需滿足m≥2，否則除簇首外無其他節(jié)點作為協(xié)作節(jié)點，簇間協(xié)作通信等效為簇間直接通信，則無簇內(nèi)能耗開銷。因而簇間協(xié)作通信從源簇首發(fā)送單位比特數(shù)據(jù)到目標(biāo)簇首總的通信能耗為

其中，D是簇間源簇首與目標(biāo)簇首之間的通信距離。而若采用簇間直接通信方式，通信總能耗為

比較式(15)和式(16)，簇間協(xié)作通信的通信能耗是否小于簇間直接通信的通信能耗，取決于簇間通信距離D、簇內(nèi)通信半徑d、協(xié)作節(jié)點數(shù)目m以及電路損耗參數(shù)。若EMISO＜ESISO，則可得到

因而當(dāng)簇間通信距離滿足式(17)時，簇間協(xié)作通信的總體通信能耗小于簇間直接通信的通信能耗。

通過對上述3種不同簇間通信方式通信能耗模型的比較可知，在相同簇間通信距離條件下，簇間中繼通信的通信能耗通常要小于直接通信的通信能耗；而當(dāng)簇間通信距離大于距離敏感參數(shù)D時，簇間協(xié)作通信的通信能耗小于直接通信的通信能耗。因此，當(dāng)簇間通信距離小于距離敏感參數(shù)D時，可優(yōu)先采用簇間中繼通信方式，其次考慮采用直接通信方式；而當(dāng)簇間通信距離大于距離敏感參數(shù)D時，考慮到時延的關(guān)系，可優(yōu)先采用簇間協(xié)作通信方式，其次考慮采用中繼通信方式。

針對上述不同簇間通信方式的能耗特點，本文設(shè)計出一種更節(jié)能的簇間通信自適應(yīng)路由優(yōu)化算法，從而延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。

4 算法描述

當(dāng)傳感器網(wǎng)絡(luò)初始化之后，所有節(jié)點均處于未分配任務(wù)狀態(tài)?；纠梅汉榉绞较蛩泄?jié)點廣播發(fā)送一個 SETUP請求分組，通知節(jié)點系統(tǒng)開始工作。節(jié)點接收到請求分組首先判斷該分組的發(fā)送路徑是否成環(huán)。若是則丟棄該請求分組，否則記錄下接收到該信息分組的跳數(shù)并將其加1后再轉(zhuǎn)發(fā)給相鄰節(jié)點，同時開始調(diào)用分簇算法選擇簇首并進行分簇。若節(jié)點接收到多個 SETUP信息分組，則僅記錄下最小跳數(shù)并將其加 1后轉(zhuǎn)發(fā)，其余接收到的SETUP信息分組均丟棄。節(jié)點可以根據(jù)接收到的SETUP信息分組中包含的跳數(shù)和接收信息分組的信號強度判斷與基站之間的距離遠近，為后續(xù)的路由選擇做準備。

4.1 節(jié)點分簇

每個節(jié)點通過分布式的算法決定自身是否成為簇首。成為簇首的節(jié)點發(fā)布廣播信息給周圍節(jié)點，而沒有成為簇首的節(jié)點收到簇首的廣播信息后，從中選擇一個最適合的（可按距離最近原則）簇首并加入相應(yīng)的簇中，同時反饋一個加入信息給相應(yīng)簇首，在該反饋信息中需要包含該節(jié)點自身的剩余能量值及位置信息等相關(guān)信息。另外，由于在網(wǎng)絡(luò)運行過程中簇首的能量通常消耗較大，因而可采用周期性重新分簇，經(jīng)過一定條件的篩選，選擇適合條件的不同節(jié)點來輪流擔(dān)任簇首，從而均衡網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點能量的消耗。具體的分簇算法可根據(jù)實際網(wǎng)絡(luò)運行條件和需求參考已有的相關(guān)分簇算法，如LEACH[11]、HEED[12]等典型分簇算法。

4.2 簇間通信路由獲取

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點分簇完成后，簇首負責(zé)將簇內(nèi)成員采集到的數(shù)據(jù)匯合處理后發(fā)送到基站。若簇首無法與基站之間直接通信，則需首先建立與基站之間的路由，借助其余簇首或節(jié)點，通過多跳轉(zhuǎn)發(fā)將數(shù)據(jù)續(xù)傳至基站。簇間通信路由獲取流程如圖5所示。

當(dāng)源簇首S需要與基站通信，S首先檢查自己的路由表，看是否已存在到基站的路由。若存在，將路由寫入數(shù)據(jù)報文的頭部，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至基站；否則S啟動路由請求，以最大功率廣播“路由請求”給所有相鄰的下游簇首，并開始等待相應(yīng)的路由回答。此處下游簇首是指比源簇首距離基站更近的簇首。收到“路由請求”的簇首判斷自己是否位于請求簇首的下游，若不是則丟棄該請求分組，否則處理如下。

1) 檢查是否曾收到過該報文，若收到過則將報文刪除，避免循環(huán)處理。

2) 檢查自己是否已擁有到基站的路由。若有，則轉(zhuǎn)至8)。

3) 將自己的ID和鄰接關(guān)系值附加到請求報文中，并將報文繼續(xù)發(fā)送給自身相應(yīng)的相鄰下游簇首，其后請求報文將沿著頭部記錄的路由到達基站，不再被廣播。

4) 等待下游簇首的路由回答。

5) 等待一定時長后，若未接收到路由回答，則將重發(fā)次數(shù)i加1；否則轉(zhuǎn)至7)。

6) 若 i≤2，則轉(zhuǎn)至 3)；若 2＜i≤4，則啟用簇間協(xié)作通信方式擴大請求簇首通信范圍并轉(zhuǎn)至3），以避免通信覆蓋盲區(qū)的出現(xiàn)；否則，將i清零并結(jié)束路由回答進程。

7) 估算與回答簇首之間的通信距離及通信所需的能耗，并根據(jù)路由回答報文中所攜帶的通信能耗信息，估算發(fā)送單位比特數(shù)據(jù)至基站所需的總能量。將對應(yīng)總能量估值最小的回答簇首作為下一跳候選路由。

8) 針對下一跳候選路由簇首啟動簇間通信自適應(yīng)優(yōu)化選擇算法，選擇相應(yīng)最節(jié)能的通信方式，并更新經(jīng)過優(yōu)化后到該候選簇首的路由以及與基站通信所需的總能耗估值。

9) 從所有候選中選擇對應(yīng)與基站通信能耗估值最小的路徑作為路由序列。

10) 將節(jié)點ID加入正式路由的頭部，將該路由序列放入路由回答報文并發(fā)送給相應(yīng)的上游請求簇首，同時將i清零?；卮鹬袛y帶回答簇首到基站的完整路由序列以及使用該路由傳輸數(shù)據(jù)到基站所需的能耗估值，路由回答的發(fā)送和路由請求的發(fā)送類似。

圖5 簇間通信路由獲取流程

S收到路由回答后通過簇間通信自適應(yīng)優(yōu)化選擇算法選擇最節(jié)能的路由，就可以向基站發(fā)送數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)報文的頭部攜帶到基站的路由序列，沿途簇首按照該路由轉(zhuǎn)發(fā)報文。若S超時沒有收到回答，則重新發(fā)送“路由請求”，直到收到回答或嘗試給定次數(shù)后觸發(fā)協(xié)作通信模式擴大通信范圍重新進行“路由請求”，具體可參考4.3節(jié)中的路徑重建部分。

請求簇首根據(jù)接收到的路由回答，可使用簇間通信優(yōu)化算法自適應(yīng)選擇最節(jié)能的通信方式來進一步優(yōu)化簇間通信路由，并確定到基站的路由序列。簇間通信優(yōu)化算法基于第3節(jié)中各種簇間通信方式的能耗模型，具體處理過程如圖6所示。

圖6 簇間通信自適應(yīng)優(yōu)化選擇算法流程

簇間通信自適應(yīng)優(yōu)化選擇算法中，所用到的距離敏感參數(shù) D的數(shù)值可通過網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的數(shù)目和分簇的數(shù)量以及具體的通信系統(tǒng)參數(shù)預(yù)先設(shè)定，設(shè)定值的估算可參見第3節(jié)的協(xié)作通信觸發(fā)條件分析。

在簇間通信方式優(yōu)化選擇過程中，若選擇簇間協(xié)作通信方式進行通信，源簇首需選擇適宜的簇成員作為協(xié)作節(jié)點共同組成天線陣列。源簇首根據(jù)簇成員的狀態(tài)信息，從距離最近的簇成員中選擇不超過 m-1個剩余能量較多的節(jié)點作為協(xié)作節(jié)點。m的值可根據(jù)第3節(jié)中的相關(guān)內(nèi)容通過通信過程中的平均誤碼率進行估算。若選擇簇間中繼通信方式進行通信，則依據(jù)能耗最小原則，選擇轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時從源簇首到目標(biāo)簇首總體通信耗能最小的中間節(jié)點作為中繼節(jié)點。

網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點與其他節(jié)點間的路由可使用按需路由。當(dāng)源節(jié)點需要目的節(jié)點的路由，則源節(jié)點通過自身所屬的簇首發(fā)送“路由請求”報文，最終獲取路由的處理過程類似于建立與基站之間路由的過程。

4.3 路由維護

路由維護負責(zé)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中鏈路的狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)鏈路斷開，立刻通知網(wǎng)絡(luò)中的簇首，以便及時刪除包含斷開鏈路的路由。網(wǎng)絡(luò)中每個簇首周期性地發(fā)送Hello報文，當(dāng)某個簇首在給定的Ts內(nèi)沒有收到原下游簇首的 Hello報文，該簇首將重新發(fā)送“路由請求”，建立到基站的新路由。同時，該簇首將在隨后Ts內(nèi)的Hello報文中攜帶該斷開鏈路，收到 Hello報文的簇首檢查自己的路由表，查看是否包含該斷開鏈路。若有，則將該路由刪除，重新查找到基站的路由。這些簇首在隨后Ts內(nèi)的Hello報文中也攜帶該斷開鏈路。由此，所有包含該斷開鏈路的路由都將被最終刪除，這樣可以防止路由無效時，源簇首在不知情的情況下仍然使用該失效路由發(fā)送數(shù)據(jù)，造成數(shù)據(jù)的丟失和能量的浪費。

考慮到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能量受限的特點，為了避免在路由維護中不斷轉(zhuǎn)發(fā)鏈路斷開信息從而占用網(wǎng)絡(luò)資源造成浪費，可采用按需維護策略。所謂按需維護是指某個鏈路斷開時，只有當(dāng)簇首使用該鏈路時才進行維護，通知網(wǎng)絡(luò)中包含斷開鏈路路由的源簇首，若簇首不使用該斷開鏈路，將不進行路由維護，由此減小維護開銷。

當(dāng)斷開路徑需要修復(fù)和重建時，簇首發(fā)送“路由請求”，直至建立其與基站之間的路由。若嘗試給定次數(shù)“路由請求”均未得到響應(yīng)時，則認為檢測到通信覆蓋盲區(qū)，即一跳范圍內(nèi)沒有其他簇首作為中繼進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。此時，源簇首觸發(fā)協(xié)作通信模式，從自己簇內(nèi)成員中選擇合適的節(jié)點作為協(xié)作節(jié)點共同組成虛擬天線陣列，并以最大功率重新廣播發(fā)送“路由請求”以擴大通信覆蓋范圍，嘗試與遠端下游簇首建立聯(lián)系。

本文所提出的節(jié)能路由優(yōu)化算法主要適用于靜態(tài)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。對于動態(tài)傳感器網(wǎng)絡(luò)，由于節(jié)點的移動性導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)不斷變化，將使得端到端之間的路由維護代價過高。但對于動態(tài)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的簇間通信，當(dāng)相鄰分簇之間的拓撲變化速度較慢時，仍可使用簇間通信自適應(yīng)優(yōu)化選擇算法進行優(yōu)化，降低簇間通信開銷。

5 性能評估

本節(jié)通過仿真來評估所提出的通信路由算法的性能。對所提出的路由算法與HEED協(xié)議進行了性能比較。為使性能評估結(jié)果公平起見，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點均按照HEED協(xié)議中的分簇算法進行分簇。假設(shè)傳感器節(jié)點隨機分布在1 000m×1 000m的區(qū)域內(nèi)。實驗中無線通信參數(shù)如表1所示，其余仿真參數(shù)如表2所示。下面所列出的實驗值都是20次實驗結(jié)果的平均值，各次實驗中的數(shù)據(jù)吞吐量和接收端的誤碼率都相同。

表2 仿真參數(shù)

圖7比較了采用不同路由算法的網(wǎng)絡(luò)生命周期。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的運行時間以“輪（round）”為單位，“輪”由簇的建立和穩(wěn)定工作2個階段組成。每一輪當(dāng)重新選舉簇首后進入穩(wěn)定工作階段，簇成員在一段時間內(nèi)向簇首發(fā)送所采集到的數(shù)據(jù)，并由簇首將數(shù)據(jù)匯合處理后發(fā)送至基站，直至下一輪重新選舉簇首建立分簇。實驗中假設(shè)有1 000個節(jié)點隨機分布在區(qū)域內(nèi)?？梢钥闯?，隨著網(wǎng)絡(luò)運行時間的推移，采用本文所提出路由算法存活的節(jié)點數(shù)目始終要多于采用HEED算法存活的節(jié)點數(shù)目。這是由于所提出的路由算法在通信過程中，能夠使得數(shù)據(jù)發(fā)送到基站時的路徑最短且優(yōu)化了簇間的通信方式，為節(jié)點節(jié)約了能量。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對網(wǎng)絡(luò)的生命周期有多種不同的定義。無論是將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期定義為從網(wǎng)絡(luò)啟動到網(wǎng)絡(luò)中首次出現(xiàn)節(jié)點死亡所持續(xù)的時間，或是定義為從網(wǎng)絡(luò)啟動到網(wǎng)絡(luò)中僅存活一定比例的節(jié)點所持續(xù)的時間，從圖7中均可看出，本文提出的路由算法可以使得網(wǎng)絡(luò)的生命周期更長。

圖7 網(wǎng)絡(luò)生命周期比較

圖8給出了不同節(jié)點密度下每一輪通信平均所消耗的能量，網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點數(shù)量從400個變化到1 600個。從圖中可看出，在不同的節(jié)點密度下，所提出的簇間通信自適應(yīng)節(jié)能路由優(yōu)化算法每一輪均花費更少的通信能量。這是因為每一輪通信過程中，所提出的路由算法可以使得每個源節(jié)點都將采集到的數(shù)據(jù)沿著最優(yōu)化的節(jié)能路由發(fā)送至基站，因而節(jié)省了通信能耗開銷。

圖 9比較了不同節(jié)點密度下網(wǎng)絡(luò)有效的工作時間，網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點數(shù)量從400個變化到1600個。此處網(wǎng)絡(luò)有效的工作時間定義為從網(wǎng)絡(luò)啟動到網(wǎng)絡(luò)中首次出現(xiàn)通信覆蓋盲區(qū)造成源簇首與基站之間的路由失效且無法修復(fù)的時間。從圖中可以看出，無論節(jié)點的密度是多少，所提出的路由算法的有效工作時間均優(yōu)于 HEED算法。這主要是因為以下原因：所提出的路由算法在簇間通信時每一跳均選用了最節(jié)能的通信方式，從而為節(jié)點節(jié)省了能量；當(dāng)發(fā)現(xiàn)通信覆蓋盲區(qū)時，利用簇間協(xié)作通信擴大了通信覆蓋范圍，可直接與遠方的節(jié)點通信，降低了路由中斷的概率，減少了路由維護所需的能量開銷。

圖8 平均每輪通信消耗能量

圖9 網(wǎng)絡(luò)有效工作時間比較

6 結(jié)束語

本文提出了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簇間通信自適應(yīng)節(jié)能路由優(yōu)化算法。該算法依據(jù)簇間通信距離以及不同簇間通信方式所消耗能量的差異，自適應(yīng)地選擇最節(jié)能的每一跳路由，從而保證得到最優(yōu)或次優(yōu)的節(jié)能路由。仿真結(jié)果表明，所提出的路由算法使得每一輪的通信能耗都減少，并且延長了網(wǎng)絡(luò)的生命周期和有效工作時間。

本文所提出的自適應(yīng)簇間節(jié)能路由優(yōu)化算法可與其他各類分簇算法相結(jié)合，從而進一步優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)簇間通信能量效率，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期和有效工作時間。

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