WSN中基于節(jié)點能力的路由選擇方法

賈斌　谷孝東

摘 要：無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的電源能量非常有限，節(jié)點一旦能量過低就無法正常工作，由此甚至導致傳感器網(wǎng)絡的癱瘓，因此有關傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的節(jié)能、能量均衡成為WSN研究的一個重點。該文提出一種WSN節(jié)點基于節(jié)點本身的剩余能量、歷史統(tǒng)計的數(shù)據(jù)流量、每個周期發(fā)送和接收數(shù)據(jù)所消耗的能量來預測節(jié)點自身在下一傳輸周期中所具有的傳輸能力，并將傳輸能力通告給其周圍的鄰居節(jié)點，以使鄰居節(jié)點在選擇路由節(jié)點時避免選擇傳輸能力較低的節(jié)點而導致傳輸任務失敗、引用網(wǎng)絡癱瘓，從而延長無線傳感器網(wǎng)絡的生命周期。

關鍵詞：無線傳感器 節(jié)點 能量 流量 能力 預測

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）11（b）-0137-02

傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點（Sensor Node）、匯聚節(jié)點（Sink Node）和管理節(jié)點[1]。傳感器節(jié)點由傳感器模塊、處理器模塊、能量供應模塊和無線通信模塊等4部分組成[1]。傳感器模塊負責監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；處理器模塊負責控制整個節(jié)點的操作、存儲和處理本身采集的數(shù)據(jù)和其他節(jié)點傳送過來的數(shù)據(jù)；無線通信模塊負責與其他節(jié)點進行通信，交換控制消息和收發(fā)數(shù)據(jù)；能量供應模塊為上述模塊的正常運行提供能量，通常采用微型電池供電。

對無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的能耗研究一直是無線傳感器網(wǎng)絡的研究熱點之一，該文首先介紹無線傳感器網(wǎng)絡有關節(jié)點能耗研究的情況，然后提出一種基于節(jié)點能力的路由選擇方法。

1 WSN節(jié)點能耗研究概述

目前已有眾多有關無線傳感器節(jié)點能耗的研究，分別涉及傳感器節(jié)點節(jié)能、基于能耗進行分簇和基于能耗進行路由選擇等方面，下面分別進行簡述，以期為讀者提供一種技術概況。

1.1 傳感器節(jié)點節(jié)能

無線通信節(jié)點由發(fā)送、接收或空閑狀態(tài)切換到休眠狀態(tài)時，由于狀態(tài)切換會消耗能量并產(chǎn)生時延，因此，合適的切換策略至關重要，如果切換策略不合適，不僅無法節(jié)能，反而會增加能耗。文獻[1]給出了只有在兩種狀態(tài)之間的時長超過門限時才可實現(xiàn)節(jié)能。同時，文獻[1]還給出了節(jié)點A向節(jié)點B發(fā)送個字節(jié)的數(shù)據(jù)時所消耗的能量為：，接收個字節(jié)所消耗的能量為：。

1.2 基于能耗進行分簇

文獻[2]提出了一種基于剩余能量的簇頭預測方法，在該方法中，簇頭節(jié)點接收來自簇內(nèi)各節(jié)點的感知數(shù)據(jù)和剩余能量，簇頭對簇內(nèi)每個節(jié)點的剩余能量值進行記錄。在簇頭預測階段，簇頭通過計算每個簇成員節(jié)點的值來預測新的簇頭，其中值通過下式得到：。根據(jù)簇頭預測原則，原簇頭將選擇最小的成員節(jié)點作為新一輪次中的簇頭。

LEACH是一種基于分簇的路由協(xié)議，網(wǎng)絡中節(jié)點輪流作簇頭，均衡了網(wǎng)絡中能量的消耗[3]。針對LEACH協(xié)議的不足之處，文獻[4]提出了一種基于能量消耗的無線傳感器網(wǎng)絡路由優(yōu)化算法，該方法通過確定簇頭節(jié)點個數(shù)，通過確定節(jié)點當選為簇頭節(jié)點的概率，這在一定程度上實現(xiàn)了簇頭節(jié)點分布平衡，有效降低節(jié)點的能量消耗，延長網(wǎng)絡的生命周期。

1.3 基于能耗進行路由選擇

在無線傳感器網(wǎng)絡中，由于存在多個匯聚節(jié)點，網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)可以匯報給任何一個匯聚節(jié)點，這樣就面臨路徑選擇的問題，如果路徑選擇不當，同樣會存在某個節(jié)點的能量消耗過于嚴重而導致的整個網(wǎng)絡的能耗不均衡的問題。文獻[5]針對上述問題，提出了一種基于剩余能量和多匯聚節(jié)點的工業(yè)無線傳感網(wǎng)多路徑可靠數(shù)據(jù)傳輸方法，在該方法中，傳輸分組的節(jié)點可以在剩余能量較高的鄰居節(jié)點中選擇期望傳輸次數(shù)最小的鄰居作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，或者可以選擇能夠到達sink節(jié)點中的能量級別最高的下一跳節(jié)點。通過這種機制，可以減少每次數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰肯牟⒕夤?jié)點間的能量消耗，同時每個節(jié)點都維護了多條路徑，提高傳輸可靠性。

為在數(shù)據(jù)路由時能夠選擇合適的傳感器節(jié)點，解決無線多媒體傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點電源能量、計算、通信和存儲能力受限等問題，文獻[6]提出了一種面向數(shù)據(jù)收集的多媒體傳感網(wǎng)能量有效節(jié)點選擇方法，在該方法中，先構建一個能量消耗模型以評估任意時刻每個節(jié)點的能量剩余量，綜合考慮節(jié)點間相關性與節(jié)點能量值，從能量值高于允許能量最低值的所有非選擇節(jié)點中選擇一個與選擇節(jié)點集合相關性最小的節(jié)點，將其加入至選擇節(jié)點集合中，直至所有非選擇節(jié)點的能量值均低于允許能量最低值。由于該算法能結合實際情況確保每個節(jié)點的能量不被耗盡，從而有效地減少了傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸量和能量消耗，延長了網(wǎng)絡的整體生存周期。

2 基于節(jié)點能力的路由節(jié)點選擇

無線傳感器網(wǎng)絡是一個能量受限的網(wǎng)絡，路由節(jié)點的選擇必須要考慮到節(jié)點中當前所剩余的能量。上述文獻中雖然涉及根據(jù)鄰居節(jié)點的能量信息選擇路由節(jié)點，但均沒有涉及根據(jù)節(jié)點自身的歷史流量信息和節(jié)點剩余能量預測節(jié)點自身在下一周期的傳輸能力，該文基于此，提出一種傳感器節(jié)點根據(jù)自身的歷史流量信息和節(jié)點剩余能量預測節(jié)點自身在下一周期的傳輸能力，并將該能力通告給其鄰居節(jié)點，使得鄰居節(jié)點能夠根據(jù)該節(jié)點的能力信息確定是否選擇該節(jié)點作為下一跳節(jié)點，這樣能夠保證傳輸任務的順利進行，避免了傳輸能力較低的傳感器節(jié)點承擔了傳輸任務卻不能完成傳輸任務而導致網(wǎng)絡癱瘓，從而延長了網(wǎng)絡的生命周期。

2.1 中間節(jié)點預測下一周期的傳輸流量

該文中，源節(jié)點將數(shù)據(jù)傳輸給匯聚節(jié)點的過程稱為一個傳輸周期，除了源節(jié)點和匯聚節(jié)點之外的節(jié)點稱為中間節(jié)點。假設某個中間節(jié)點已完成了K次傳輸，即經(jīng)過了K個傳輸周期，該節(jié)點計算發(fā)送單位數(shù)據(jù)流量所消耗的能量，接收單位數(shù)據(jù)流量所消耗的能量為，計算方法可采用文獻[1]給出的方法。

統(tǒng)計K個傳輸周期中每個傳輸周期內(nèi)該中間節(jié)點已發(fā)送和接收的數(shù)量流量，設已發(fā)送的流量分別為，已

接收的流量為，則平均每個傳輸周期內(nèi)該中間節(jié)點發(fā)送的流量為，接收的平均流量為，不考慮節(jié)點的其他能量損耗，則當前節(jié)點已經(jīng)消耗的能量為。

設中間節(jié)點的初始能量為，則當前該節(jié)點的剩余能量為。中間節(jié)點預測下一傳輸周期本節(jié)點的發(fā)送流量和接收流量，一種預測方法是直接將前K個周期的平均發(fā)送流量B和平均接收流量C作為下一周期內(nèi)的發(fā)送流量和接收流量。也可以采用如下方法：

設K個周期內(nèi)相鄰兩個周期之間的發(fā)送流量差為，其平均值是，相鄰周期接收的數(shù)量流量差為，其平均值是，設第K-1周期該中間節(jié)點發(fā)送和接收的真實的流量分別為和則下一周期該節(jié)點的發(fā)送流量預測值為，下一周期該節(jié)點的接收流量預測值為。

2.2 中間節(jié)點預測下一周期內(nèi)自身的傳輸能力

中間節(jié)點根據(jù)預測的下一周期的發(fā)送流量和預測的接收流量計算下一周期需要消耗的能量：。

如果≤，則表示該中間節(jié)點有能力完成下一周期的傳輸任務，但可能不能完成下一周期后的再次傳輸。如果，則表示該中間節(jié)點有可能不能完成下一周期的傳輸任務，如果選擇該節(jié)點作為下一次傳輸?shù)穆酚晒?jié)點，則可能因該節(jié)點不能完成傳輸任務而導致整個網(wǎng)絡癱瘓。

2.3 中間節(jié)點通告自身的傳輸能力

中間節(jié)點將自身的傳輸能力信息通告給自己的鄰居節(jié)點，在通告信息中表明自身是否可能完成下一次的傳輸任務，例如：用1表示可以完成下一次的傳輸任務，用0表示存在不能完成下次傳輸任務的風險。這樣，其他節(jié)點在接收到該中間節(jié)點的通告消息后，根據(jù)該節(jié)點通告的能力信息，可確定是否需要選擇該中間節(jié)點作為下一跳的路由節(jié)點，可避免該中間節(jié)點被選擇為路由節(jié)點但卻不能完成傳輸任務而導致網(wǎng)絡癱瘓，從而延長了網(wǎng)絡的生命周期。

3 結語

該文對傳感器節(jié)點節(jié)能、基于能耗進行分簇以及基于能耗進行路由選擇等方面的文獻進行梳理分析，在此基礎上提出一種WSN節(jié)點基于節(jié)點本身的剩余能量、歷史統(tǒng)計的數(shù)據(jù)流量、每個周期發(fā)送和接收數(shù)據(jù)所消耗的能量來預測節(jié)點自身在下一傳輸周期中所具有的傳輸能力，并將傳輸能力通告給其周圍的鄰居節(jié)點，以使鄰居節(jié)點在選擇路由節(jié)點時避免選擇傳輸能力較低的節(jié)點而導致傳輸任務失敗、引用網(wǎng)絡癱瘓，從而延長無線傳感器網(wǎng)絡的生命周期。仿真實驗測試結果表明該方法在一定程度上能夠延長網(wǎng)絡生命周期，增強網(wǎng)絡的魯棒性。

參考文獻

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[3] 長春理工大學.基于路徑能量消耗及節(jié)點剩余能量的多層分簇算法：中國，CN104780583A[P].2015-07-15.

[4] 東北電力大學.一種基于能量消耗的無線傳感器網(wǎng)絡路由優(yōu)化算法：中國，CN102802175A[P].2012-11-28.

[5] 江蘇邁利科技發(fā)展有限公司.一種基于剩余能量和多匯聚節(jié)點的工業(yè)無線傳感網(wǎng)多路徑可靠數(shù)據(jù)傳輸方法：中國，CN103686920A[P].-2014-03-26.

[6] 南京郵電大學.面向數(shù)據(jù)收集的多媒體傳感網(wǎng)能量有效節(jié)點選擇方法：CN103916941A[P].2014-07-09.