一種能量均衡的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

桂林電子科技大學(xué) 李發(fā)飛 彭 剛 蘭 慎

1.引言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks，WSN)已成為國(guó)際上備受關(guān)注的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域，由于無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)能量的有限及無(wú)法添加，傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)能的路由算法作為通信協(xié)議的重要組成部分，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

文獻(xiàn)[1]提出了一中高效節(jié)能的無(wú)限傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，傳感器節(jié)點(diǎn)保存多條到基站（Base Station）的路由，采取輪循機(jī)制讓數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)分布在多條路由路徑上，節(jié)省了某些節(jié)點(diǎn)能量的消耗，從而達(dá)到能量均衡的目的；但是靠近基站的圓形區(qū)域很容易成為“熱區(qū)（Hot Spot）”，容易導(dǎo)致基站附近的節(jié)點(diǎn)因?yàn)槟芰亢谋M很快的“死亡”。

在這種情況下，本文提出的改進(jìn)的無(wú)線傳感器路由協(xié)議，應(yīng)具有一下特點(diǎn)：1）將無(wú)限傳感器網(wǎng)絡(luò)分層，靠近基站一定距離范圍d內(nèi)的節(jié)點(diǎn)直接與基站通信，即采用單跳通信；與基站有距離d之外的節(jié)點(diǎn)仍然與基站進(jìn)行多跳通信；2）傳感器節(jié)點(diǎn)保存多條到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的路由，每次通信時(shí)，采用輪循機(jī)制選擇一條路徑，從而將數(shù)據(jù)傳輸?shù)呢?fù)載均衡的分配到多條路徑上，達(dá)到均衡能耗的目的；3）引入能量控制機(jī)制，當(dāng)與基站距離d的圓周上的節(jié)點(diǎn)能量消耗到一定值時(shí)，修改d的值重新組網(wǎng)，從而進(jìn)一步均衡能量的消耗，解決“熱區(qū)”問(wèn)題，延長(zhǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

2.協(xié)議概述

假設(shè)節(jié)點(diǎn)被任意分布在某區(qū)域上，節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)其所接收到的信號(hào)強(qiáng)弱程度計(jì)算出與發(fā)送節(jié)點(diǎn)的距離，d表示基站與節(jié)點(diǎn)的距離，Φ表示節(jié)點(diǎn)的剩余能量；基站BS在該區(qū)域的中心位置。本協(xié)議完成以下基本功能：1）區(qū)域內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)建立一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并向最近基站傳輸感知到的信息；2）當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)失效或者能量不足時(shí)，傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠修復(fù)路由或者重新組建到達(dá)網(wǎng)關(guān)的路由；3）當(dāng)區(qū)域內(nèi)新加入節(jié)點(diǎn)時(shí)，節(jié)點(diǎn)可以加入到傳感器網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；4）當(dāng)與BS距離半徑d的圓周上的節(jié)點(diǎn)的剩余能量Φ達(dá)到某一零界值時(shí)，修改d的值，重新組網(wǎng)。

3.路由協(xié)議

3.1 初始化路由骨干網(wǎng)

路由骨干網(wǎng)具體定義如下：

路由骨干網(wǎng)包括一個(gè)基站節(jié)點(diǎn)及多個(gè)中間節(jié)點(diǎn)。其中基站節(jié)點(diǎn)用于連接外部網(wǎng)絡(luò)和傳感器網(wǎng)絡(luò)，基站沒(méi)有父節(jié)點(diǎn)，可以有多個(gè)子節(jié)點(diǎn)；中間節(jié)點(diǎn)為傳感器，可以有多個(gè)父節(jié)點(diǎn)和多個(gè)子節(jié)點(diǎn)。

初始狀態(tài)下，基站節(jié)點(diǎn)已經(jīng)存在，傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在指定區(qū)域。路由骨干網(wǎng)按照如下步驟初始化：

1）網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)廣播Adv消息。

2）在預(yù)定時(shí)間段內(nèi)，如果孤立節(jié)點(diǎn)（沒(méi)有加入到路由骨干網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)）收到此Adv消息，計(jì)算出到基站的實(shí)際距離d，d小于D-D0的孤立節(jié)點(diǎn)將（如圖1中的節(jié)點(diǎn)S1）基站作為父節(jié)點(diǎn)，直接與基站通信，不再轉(zhuǎn)發(fā)消息，記錄到基站距離為0跳；d大于D+D0的孤立節(jié)點(diǎn)（如圖1中的節(jié)點(diǎn)S3）丟棄此消息，仍被視為孤立節(jié)點(diǎn)；d大于D-D0且小于D+D0的孤立節(jié)點(diǎn)（如圖1中的節(jié)點(diǎn)S2）將基站作為父節(jié)點(diǎn)，記錄到基站的距離為1跳，并且廣播Adv消息，此Adv消息包含一個(gè)以跳為單位的距離參數(shù)。

圖1

3）孤立節(jié)點(diǎn)查看消息中的距離參數(shù)，將距離參數(shù)最小的節(jié)點(diǎn)作為父節(jié)點(diǎn)，將父節(jié)點(diǎn)加入到父節(jié)點(diǎn)集合，記錄自己到基站的距離，并將距離參數(shù)值加1然后繼續(xù)廣播此Adv消息；如果已經(jīng)加入到骨干網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)接收到Adv消息，則比較Adv消息中的距離參數(shù)，選擇距離參數(shù)較小的節(jié)點(diǎn)加入到父節(jié)點(diǎn)集合，記錄自己到基站的距離，將距離參數(shù)加1然后繼續(xù)廣播此Adv消息。

4）如果處于孤立狀態(tài)下的節(jié)點(diǎn)在預(yù)定時(shí)間段內(nèi)沒(méi)有收到任何Adv消息，則節(jié)點(diǎn)繼續(xù)等待下一個(gè)時(shí)間段，直到接收到Adv消息。

圖2 路由骨干網(wǎng)初始化

如圖2，在初始狀態(tài)下，網(wǎng)關(guān)廣播Adv消息，S0接收到消息，將基站作為父節(jié)點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)S1、S2、S3、S4接收到消息，將基站加入到父節(jié)點(diǎn)集合，置距離為1跳，并且繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)Adv消息；S5在特定時(shí)間段內(nèi)收到S1、S2、S3和S6轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)的Adv消息，比較三個(gè)消息的距離參數(shù)之后將參數(shù)距離較小的S1、S2、和S3、S4節(jié)點(diǎn)作為其父節(jié)點(diǎn)，并將將之加入到父節(jié)點(diǎn)集合中；S9收到S6、S7、S8發(fā)送來(lái)的消息，比較其距離參數(shù)，將S6和S7加入到父節(jié)點(diǎn)集合中。

3.2 新節(jié)點(diǎn)的加入

當(dāng)一個(gè)新節(jié)點(diǎn)S加入到傳感器網(wǎng)絡(luò)后，它會(huì)按照以下步驟加入到路由骨干網(wǎng)：1）節(jié)點(diǎn)S向一跳之內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)廣播一條Req消息；2）接收到此Req消息的節(jié)點(diǎn)如果已經(jīng)加入到骨干網(wǎng)，它返回一個(gè)Res消息，此消息中包含它到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的距離參數(shù)；3）節(jié)點(diǎn)S等待特定時(shí)間后，查看接收到的Res消息中的距離參數(shù)值，選擇距離較近的節(jié)點(diǎn)作為自己的父節(jié)點(diǎn)，把父節(jié)點(diǎn)保存到父節(jié)點(diǎn)集合，記錄自己到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的距離參數(shù)值（即父節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)的距離加1）；4）節(jié)點(diǎn)S向其鄰居節(jié)點(diǎn)廣播Res消息，此消息的內(nèi)容為節(jié)點(diǎn)S的距離參數(shù)值，表示節(jié)點(diǎn)S已經(jīng)加入到骨干網(wǎng)。至此，新節(jié)點(diǎn)加入到骨干網(wǎng)。

3.3 節(jié)點(diǎn)失效處理

由于傳感器節(jié)點(diǎn)的能量是有限的，所以當(dāng)能量耗盡之后節(jié)點(diǎn)會(huì)變成失效節(jié)點(diǎn)。當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)S檢測(cè)到父節(jié)點(diǎn)F失效后，節(jié)點(diǎn)S將父節(jié)點(diǎn)從父節(jié)點(diǎn)集合在刪除。此時(shí)，如果父節(jié)點(diǎn)不為空，則節(jié)點(diǎn)S仍在骨干網(wǎng)中，可以繼續(xù)傳輸信息；如果父節(jié)點(diǎn)為空，那么節(jié)點(diǎn)S進(jìn)行一下操作：1）節(jié)點(diǎn)S向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播一條Req消息；2）收到此Req消息的節(jié)點(diǎn)如果已經(jīng)加入到骨干網(wǎng)中，而且節(jié)點(diǎn)S不在它的父節(jié)點(diǎn)集合中，它向節(jié)點(diǎn)S返回一個(gè)Res消息，包括它的距離參數(shù)；3）節(jié)點(diǎn)S等待特定時(shí)間段后，查看接收到的Res消息的距離參數(shù)，然后選擇距離較小的節(jié)點(diǎn)作為父節(jié)點(diǎn)，將父節(jié)點(diǎn)加入到父節(jié)點(diǎn)集合中，記錄自己到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的距離（即父節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)的距離加1）；4）節(jié)點(diǎn)S向其鄰居節(jié)點(diǎn)廣播Res消息，此消息的內(nèi)容為節(jié)點(diǎn)S的距離參數(shù)值，表示節(jié)點(diǎn)S已經(jīng)加入到骨干網(wǎng)。至此，節(jié)點(diǎn)失效處理過(guò)程結(jié)束。

3.4 路由過(guò)程

當(dāng)節(jié)點(diǎn)要把感知到的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)交緯r(shí)，首先查看自己的父節(jié)點(diǎn)集合，采用輪循機(jī)制選擇一個(gè)父節(jié)點(diǎn)F，將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)焦?jié)點(diǎn)F后，F(xiàn)節(jié)點(diǎn)查看自己的父節(jié)點(diǎn)集合，再用輪循機(jī)制選擇一個(gè)父節(jié)點(diǎn)F,并向F,傳輸數(shù)據(jù)信息，依次類(lèi)推，直到發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)為止。當(dāng)環(huán)狀帶內(nèi)節(jié)點(diǎn)的能量值下降到一定閥值時(shí)，修改環(huán)狀帶的半徑和寬度，重復(fù)過(guò)程2.1，初始化路由骨干網(wǎng)。

4.性能分析

為了解決“熱區(qū)”問(wèn)題，協(xié)議采用了兩種方法來(lái)均衡能量消耗。首先節(jié)點(diǎn)保存多個(gè)最短路由，采用輪循機(jī)制選擇一條路徑將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)交?，從而將?shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)均衡地分布于多條路由路徑上，節(jié)省了節(jié)點(diǎn)的能量消耗；由于劃分了環(huán)狀帶，環(huán)狀帶內(nèi)的節(jié)點(diǎn)成為能量消耗比較多的節(jié)點(diǎn)，因此當(dāng)環(huán)狀帶內(nèi)節(jié)點(diǎn)的能量消耗到一定閥值時(shí)，減小環(huán)狀帶的半徑，轉(zhuǎn)移了熱點(diǎn)問(wèn)題，同時(shí)擴(kuò)大環(huán)狀帶的寬度，環(huán)狀帶外的節(jié)點(diǎn)有更多的父節(jié)點(diǎn)可以供選擇，從而把能量消耗均衡到更多路徑上，進(jìn)一步均衡了能量消耗，達(dá)到解決“熱區(qū)”問(wèn)題的目的。

[1]王曉喃,高德民,徐江.高效節(jié)能的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].2010.8.

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[3]秦嶺,胡榮強(qiáng).無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的有效能耗最小化策略[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2010.

[4]李樹(shù)華,劉振宇,李迎秋.能量自適應(yīng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由協(xié)議[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2010.