基于節(jié)能的無線傳感器網絡跨層優(yōu)化設計研究

孫福陽 李安瑩 房鑫平

（沈陽理工大學，遼寧 沈陽 110159）

1 引言

近年來，WSN已成為國內外研究的熱點。WSN在目標區(qū)域內部署大量傳感器節(jié)點，以自組網的形式進行無線通信，數據采集和處理后發(fā)送給基站。已經廣泛應用在智能家居、農業(yè)養(yǎng)殖、工業(yè)生產和醫(yī)療監(jiān)護等常見領域，以及太空探索和應急搶險等特殊領域。由于傳感器本身資源的限制，必須研究更加節(jié)能的網絡協(xié)議。傳統(tǒng)網絡只考慮網絡層的性能，往往不能達到全局優(yōu)化的目的?？鐚觾?yōu)化的思想考慮了物理層、鏈路層和應用層等相關狀態(tài)，有效降低丟包率、誤碼率、發(fā)射功率，更好的提高服務質量，延長WSN生命周期。

目前人們在跨層優(yōu)化的理論上已經取得了一定成果。Haythem Bany Salameh等人在文獻[3]中指出了無線傳感器網絡MAC層的特點，提出了跨層優(yōu)化網絡模型：多信道非持續(xù)型CSMA的MAC協(xié)議。許力等人研究了MAC和系統(tǒng)吞吐量的問題，利用奪寶接收的思想，提出了一種基于IEEE 802.11 DCF MAC的奪寶接收媒體介入協(xié)議。李劼等人在參考文獻中打破原有的分層路由設計機制，提出一種多判據AODV跨層路由優(yōu)化機制。本文使用聯合設計的跨層優(yōu)化方法，聯合設計物理層、鏈路層和網絡層算法來減少傳感器節(jié)點的能量消耗，均衡網絡能量消耗，延長網絡的生命周期。

2 基于跨層優(yōu)化的分簇路由算法描述

Leach-CLO主要有6個階段：組網初始化階段，基站發(fā)送廣播統(tǒng)計所有節(jié)點的剩余能量和節(jié)點與基站的距離，對節(jié)點劃分等級；競選簇頭階段，選擇剩余能量較大且節(jié)點分布密度較高的節(jié)點作為簇頭節(jié)點；簇建立階段，簇頭節(jié)點發(fā)送入簇廣播，成員節(jié)點加入RSSI強且成員節(jié)點個數沒有達到上限的簇頭節(jié)點；簇內通信階段，簇頭節(jié)點分配時隙給成員節(jié)點，獲得時隙的成員節(jié)點與簇頭節(jié)點進行通信，簇頭節(jié)點需要去掉冗余數據；簇間通信階段，使用鏈路質量和剩余能量制定路由選擇，以多跳的形式將數據轉發(fā)到基站；功率控制階段，通過路由選擇好下一跳路由后，通過下一跳間距離制定最優(yōu)發(fā)射功率。其中簇間通信具體步驟如下：

（1）簇間通信鏈路協(xié)議使用：簇間通信指簇頭間通信，簇首消耗能量較大，當節(jié)點能量耗盡或者遭到破壞會導致整個網絡拓撲結構發(fā)生改變，因此鏈路層協(xié)議采用基于競爭的S-MAC協(xié)議，同時考慮到簇頭節(jié)點間距離也比較遠，對無線資源競爭相對較小，采用S-MAC協(xié)議也可以提高對信道的利用率。

（2）簇間通信路由設計：簇間路由使用多跳的路由方式進行路由。以基站為圓心，分別以d、2d...nd為半徑，其中d決定了兩級梯度的寬度，設檢測區(qū)域半徑為R，節(jié)點個數為N，簇頭節(jié)點概率為p，r為當前輪數，則。將檢測區(qū)域分為n個階區(qū)，n+1d～nd的區(qū)域為n級區(qū)域，在其內的簇頭稱n級簇頭，并將各個簇頭的級別存在調度信息表中。

在路由選擇時，監(jiān)測區(qū)域的大小、部署節(jié)點的個數、通信半徑、節(jié)點位置等都會嚴重影響路由的選擇。本文在路由選擇時共分為四個優(yōu)先級去選擇路由下一跳節(jié)點，其中第一級優(yōu)先級最高，第四級優(yōu)先級最低。n級簇頭節(jié)點需要從鄰居節(jié)點中找下一跳節(jié)點，其中上一級簇頭節(jié)點是第一優(yōu)先級，上一級成員節(jié)點是第二優(yōu)先級，相同級簇頭節(jié)點是第三優(yōu)先級，相同級成員節(jié)點是第四優(yōu)先級。從高優(yōu)先級到低優(yōu)先級的順序選擇下一跳節(jié)點。

鏈路質量的好壞與路由性能密切相關，鏈路質量差往往會增加報文發(fā)送的誤碼率、丟包率等，造成網絡能量的浪費。應選擇鏈路質量較好的簇頭節(jié)點以降低數據碰撞和信號干擾，減少數據重發(fā)概率。同時到考慮能量均衡問題，本文使用鏈路因子（Eefficency）作為路由選擇下一跳的指標，Eefficency最大的節(jié)點作為路由選擇的下一跳，且Eefficency滿足Eefficency=z×LQI/255+（1-z）Eresidual/Einitid，其中，z為小于1的正數，為了延長網絡的生命周期，使用輪的工作形式，每輪都要更換簇頭，更新該調度信息表。

結語

在分簇的結構下，將剩余能量與節(jié)點密度作為控制參數控制簇頭選擇；設定定時器的方式避免大量簇頭過于集中，計算出最優(yōu)簇頭的個數，控制簇頭個數過多或過少造成的通信開銷；簇內通信時，通過TDMA的方式分配時隙，成員節(jié)點直接與簇頭節(jié)點通信，降低成員節(jié)點間通信時競爭與干擾，分配更多時隙給成為路由中繼節(jié)點的成員節(jié)點，降低數據轉發(fā)時的延遲；簇間通信時使用SMAC協(xié)議，通過CSMA/CD的方式使用信道，減少空閑偵聽的能量消耗，使用剩余能量與鏈路質量作為路由選擇依據；使用功率控制技術，控制發(fā)射功率大小，降低發(fā)送數據的能量消耗，實現延長網絡生命周期的目的。

[1]許力.無線AdHoc環(huán)境下基于跨層設計和多包接收的媒體接入控制算法[J].計算機應用，2005（06）.

[2]李劼，李軍，李智，等.基于跨層設計的多判據AODV路由優(yōu)化機制[J].四川大學學報（工程科學版），2009，31（05）：749-752.

[3]Haythem Bany Salameh, Tao Shu,Marwan Krunz. Adaptive cross-layer MAC design for improved energy-efficiency in multi-channel wireless sensor networks.Ad Hoc Networks, August, 2007.