無線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層能耗均衡路由協(xié)議

房能沛

(廣東石油化工學(xué)院 高州師范學(xué)院，廣東 茂名 525000)

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無線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層能耗均衡路由協(xié)議

房能沛

(廣東石油化工學(xué)院 高州師范學(xué)院，廣東 茂名 525000)

在改進(jìn)最小代價(jià)路由協(xié)議的基礎(chǔ)上，建立一個(gè)跨層能量管理模型，將網(wǎng)絡(luò)各層的能耗、流量、非均勻特性等融合到路由建立、路由選擇和路由維護(hù)中，設(shè)計(jì)了節(jié)點(diǎn)路由選擇與基站全局調(diào)節(jié)相結(jié)合的雙層規(guī)劃的跨層能耗均衡路由協(xié)議(CEBR)。該協(xié)議能綜合優(yōu)化各層能量消耗，支持多路徑流量均衡分配，以節(jié)省能量、均衡網(wǎng)絡(luò)能耗來延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)態(tài)生命周期。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：CEBR與MCF協(xié)議相比較，在能耗均衡和延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)態(tài)壽命上更優(yōu)。

能耗均衡；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；跨層；路由協(xié)議

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)經(jīng)常被大規(guī)模部署在較難持續(xù)供電的環(huán)境中，加之海量數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)自組織等特點(diǎn)，容易出現(xiàn)局部能量消耗過快的情況，造成因網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)破壞而導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)生命周期過早結(jié)束[1-7]。因此，降低節(jié)點(diǎn)能耗，合理、高效地利用有限的能量資源，最大化網(wǎng)絡(luò)壽命是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究面臨的重要挑戰(zhàn)之一[8]。

在網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)，眾多節(jié)點(diǎn)通常采用多跳方式相互通信，部分節(jié)點(diǎn)既采集數(shù)據(jù)，又轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包[1]。由于流量匯聚，基站附近的節(jié)點(diǎn)需要承擔(dān)更多的通信負(fù)載，導(dǎo)致這些節(jié)點(diǎn)容易過早耗盡自身的能量，在基站周圍出現(xiàn)能量空洞，造成連通網(wǎng)絡(luò)的分割，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使得大部分生存下來的節(jié)點(diǎn)不能相互通信，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)中還遺留大量未被充分利用的能量資源[9-10]。因此，要延長(zhǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期，在設(shè)計(jì)高效路由協(xié)議時(shí)，既要考慮如何節(jié)省能量，也要關(guān)注能量消耗大的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，均衡網(wǎng)絡(luò)能量消耗，減少和延緩能量空洞現(xiàn)象的出現(xiàn)。

Ye等[11]提出的最小代價(jià)路由協(xié)議(minimum cost forwarding，MCF)以能耗作為代價(jià)尺度，最終達(dá)到最小化能耗代價(jià)以延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期的目的，不過由于代價(jià)函數(shù)只考慮了能耗最少而沒有考慮各個(gè)節(jié)點(diǎn)的能耗率和剩余能量，會(huì)使通信量集中在最小能耗路徑的節(jié)點(diǎn)上，造成網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)流量分擔(dān)不平衡，導(dǎo)致某些節(jié)點(diǎn)因能量耗盡失效而使網(wǎng)絡(luò)不能連通。

Chang等[12]認(rèn)為，最小化傳輸能量并不完全適合WSNs，為此提出最大化生存時(shí)間路由協(xié)議，根據(jù)節(jié)點(diǎn)剩余能量與鏈路發(fā)送數(shù)據(jù)能量要求定義代價(jià)函數(shù)，利用網(wǎng)絡(luò)流建模，采用線性規(guī)劃方法來解決最大生存時(shí)間問題，但該算法假定事先知道各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)產(chǎn)生速率，實(shí)際應(yīng)用時(shí)有很大的局限性。

Sadiya等[2]提出利用節(jié)點(diǎn)按指定的調(diào)度方法打開或關(guān)閉傳輸數(shù)據(jù)，以及對(duì)節(jié)點(diǎn)的能量功率進(jìn)行管理來提高網(wǎng)絡(luò)的壽命和穩(wěn)定性。這種方法可以有效地節(jié)省網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量，但對(duì)網(wǎng)絡(luò)能量均衡消耗的控制不大理想。

最小能耗路由和單純能耗均衡路由都不能使網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)態(tài)壽命最大化，本文提出一種新的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層能耗均衡路由協(xié)議(cross-layer energy balanced routing protocol in wireless sensor networks，CEBR)，該協(xié)議在最小代價(jià)路由協(xié)議[11]的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，綜合考慮節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能量和均衡網(wǎng)絡(luò)能耗，以最大化網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)態(tài)壽命為優(yōu)化目標(biāo)。

1　網(wǎng)絡(luò)能耗均衡性能的定義和計(jì)算

網(wǎng)絡(luò)能耗均衡性能用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗均衡差異性來衡量，能耗均衡差異越小，能耗均衡效果越佳。假設(shè)以基站為中心，以單跳通信距離劃分圓環(huán)區(qū)域，設(shè)節(jié)點(diǎn)i(i=1,2,…,n，n為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)總個(gè)數(shù))的剩余能量為Eremain_i。

定義1第k層環(huán)區(qū)能耗均衡性能Pring_k為該層環(huán)區(qū)節(jié)點(diǎn)的剩余能量均方差，即

(1)

定義2綜合環(huán)區(qū)能耗均衡性能Ptotal為各層環(huán)區(qū)能耗均衡性能之和，即

(2)

其中hopmax為網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前拓?fù)渎窂降淖畲筇鴶?shù)。

定義3網(wǎng)絡(luò)能耗均衡性能Pnetwork定義為網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)剩余能量的均方差，即

(3)

2　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層能耗均衡路由協(xié)議

2.1協(xié)議框架

本文提出一種新的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層能耗均衡路由協(xié)議(CEBR)，該協(xié)議在最小代價(jià)路由協(xié)議(MCF協(xié)議)[8]的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，綜合考慮節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能量和均衡網(wǎng)絡(luò)能耗，以最大化網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)態(tài)壽命為優(yōu)化目標(biāo)。CEBR路由協(xié)議總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1　CEBR路由協(xié)議總體設(shè)計(jì)框圖

2.2優(yōu)化目標(biāo)

以下從分析改進(jìn)MCF路由協(xié)議的優(yōu)化目標(biāo)入手，逐步演化出CEBR路由協(xié)議的優(yōu)化目標(biāo)。

(4)

對(duì)于MCF路由協(xié)議，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)部署后，各節(jié)點(diǎn)的最小能耗路徑是固定不變的，沒有備選路徑，會(huì)使通信量分擔(dān)不均衡，容易導(dǎo)致最小能耗路徑上的節(jié)點(diǎn)因轉(zhuǎn)發(fā)過多的數(shù)據(jù)包而使能量耗盡，在路徑上出現(xiàn)能量空洞，造成連通網(wǎng)絡(luò)的分割，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使得大部分生存下來的節(jié)點(diǎn)不能相互通信，網(wǎng)絡(luò)生命周期結(jié)束，而同時(shí)網(wǎng)絡(luò)中還遺留大量未被充分利用的能量資源，網(wǎng)絡(luò)能量利用率低。

(5)

式(5)中的α參考MCF協(xié)議的式(4)來實(shí)現(xiàn)，歸一化：

(6)

(7)

式(7)的β可讓路徑中能量剩余不多的父節(jié)點(diǎn)的路徑轉(zhuǎn)發(fā)費(fèi)用明顯上升，避免能量不足的父節(jié)點(diǎn)過度能量耗盡，將流量調(diào)節(jié)到其他能量充足的路徑上。

式(5)中的μi,lm表示為節(jié)點(diǎn)i在路徑lm上的全局流量調(diào)節(jié)因子，用于以大范圍全局調(diào)節(jié)各路徑簇?zé)狳c(diǎn)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)流量。

(8)

2.3路由的具體實(shí)現(xiàn)

CEBR協(xié)議考慮了備選路徑，并在路由建立過程中向全網(wǎng)注入自適應(yīng)改變的全局流量調(diào)節(jié)因子，以大范圍全局調(diào)節(jié)各路徑簇?zé)狳c(diǎn)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)流量，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命，具體過程描述如下：

1) 基站路由建立

基站定期向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)廣播路由建立信息，其路由建立過程見算法1。

算法1基站路由建立過程

① 當(dāng)?shù)趉個(gè)周期T到來時(shí)，基站開啟路由建立過程，如果是第1個(gè)周期路由建立，則跳到第②步，否則，跳到第③步執(zhí)行。

② 基站維護(hù)路由建立信息包REP(route establishment packet)，REP包里的全局流量調(diào)節(jié)因子μREP初始為1，然后跳到第④步執(zhí)行。

④ 路由建立信息包REP里的路徑跳數(shù)hopREP設(shè)為0，路徑能耗初始為0，包周期TREP=k，向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)廣播，廣播通信半徑為R0。

2) 節(jié)點(diǎn)路由建立

為避免最小能耗路由協(xié)議總是選擇最小能耗路徑轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，從而導(dǎo)致該路徑中節(jié)點(diǎn)負(fù)載過重，能量過早耗盡，CEBR協(xié)議適當(dāng)產(chǎn)生備選路徑，提供冗余路由選擇，以均衡網(wǎng)絡(luò)各路徑的能耗。在節(jié)點(diǎn)路由建立過程中，選擇跳數(shù)、路徑能耗作為代價(jià)尺度來生成網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渎窂胶透鞴?jié)點(diǎn)的路由表，并使用全局流量調(diào)節(jié)因子以平衡網(wǎng)絡(luò)的能量消耗與壽命，見算法2。

算法2節(jié)點(diǎn)路由建立

① 當(dāng)節(jié)點(diǎn)i收到節(jié)點(diǎn)p廣播的路由建立信息包REP時(shí)，判斷REP包是否為新一輪周期的第1個(gè)到達(dá)包，如果是，則清空路由表RTi{li,*,{sti}}的備選路徑集{sti}和最優(yōu)路徑li,*，在清空之前記錄好該節(jié)點(diǎn)i前一輪的數(shù)據(jù)流量總數(shù)fi,total：

(9)

(10)

式(9)和式(10)中：di,lm為節(jié)點(diǎn)i在路徑lm上與父節(jié)點(diǎn)的通信距離；fi,lm為前一輪選擇路徑lm轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)流量。

② 處理和標(biāo)識(shí)REP包新路由。首先將包的跳數(shù)hopREP增1，標(biāo)識(shí)REP包的路徑為lm，根據(jù)接收REP包時(shí)的RSSI值計(jì)算與節(jié)點(diǎn)p的通信距離di,lm，然后根據(jù)產(chǎn)生的通信和處理能耗計(jì)算該路徑能耗Ei,lm。

③ 最優(yōu)路徑發(fā)現(xiàn)與路由表構(gòu)建。如果REP包的路徑lm比節(jié)點(diǎn)i的原最優(yōu)路徑li,*優(yōu)，則當(dāng)選為最優(yōu)路徑，否則作為次優(yōu)路徑，存入備選路由表，不廣播次優(yōu)路徑，簡(jiǎn)單丟棄處理，跳到第⑧步結(jié)束算法。判別REP包的路徑lm是否比節(jié)點(diǎn)i的原最優(yōu)路徑li,*優(yōu)的步驟如下：按權(quán)重從高到低依次比較min(hoplm,hopli,*)，min(Ei,lm,Ei,li,*)和min(di,lm,di,li,*)，取小的值為優(yōu)。

④ 更新最優(yōu)路徑的全局流量調(diào)節(jié)因子。如果是首輪路由建立，則新的最優(yōu)路徑全局流量調(diào)節(jié)因子μi,lm=μREP，跳到第⑦步繼續(xù)執(zhí)行。不是首輪路由建立，則節(jié)點(diǎn)i是第1跳節(jié)點(diǎn)，即hopREP=1，跳到第⑤步執(zhí)行；否則，新最優(yōu)路徑μi,lm=μREP，跳到第⑥步執(zhí)行。

(11)

⑥ 識(shí)別當(dāng)前節(jié)點(diǎn)是否是新發(fā)現(xiàn)最優(yōu)路徑的瓶頸節(jié)點(diǎn)。計(jì)算與該路由建立信息包ERP里的瓶頸節(jié)點(diǎn)HN的流量能耗綜合比率之比αi,lm：

(12)

如果αi,lm≤1，說明節(jié)點(diǎn)i的前一輪流量能耗綜合比率不大于新最優(yōu)路徑的當(dāng)前瓶頸節(jié)點(diǎn)HN的前一輪流量能耗綜合比率，節(jié)點(diǎn)i不是該新最優(yōu)路徑上的瓶頸節(jié)點(diǎn)，則ERP包的全局流量調(diào)節(jié)因子μREP不變。

(13)

⑦ 更新并廣播新最優(yōu)路徑的ERP包。更新路由建立信息包ERP里的父節(jié)點(diǎn)PNi,lm為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)i，并記錄該節(jié)點(diǎn)的剩余能量，然后廣播出去。

⑧ 算法結(jié)束。

3) 節(jié)點(diǎn)路由選擇

在數(shù)據(jù)傳輸階段，基站接收到數(shù)據(jù)包時(shí)，更新轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)包的第1跳節(jié)點(diǎn)i的當(dāng)前輪流量總數(shù)flowi++、剩余能量，根據(jù)RSSI值計(jì)算并記錄與該轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)i的通信距離，以方便在路由建立過程中計(jì)算全局流量調(diào)節(jié)因子。

3　仿真實(shí)驗(yàn)與比較

3.1仿真環(huán)境配置

使用NS2和Matlab對(duì)CEBR和MCF路由協(xié)議的性能分別進(jìn)行仿真和分析比較。網(wǎng)絡(luò)仿真區(qū)域大小為300×300，基站Sink節(jié)點(diǎn)位于區(qū)域中心，坐標(biāo)為(0,0)。假設(shè)除基站Sink外，所有節(jié)點(diǎn)同構(gòu)、支持雙信道、使用全向天線、部署后靜止、初始能量相同。仿真環(huán)境參數(shù)配置見表1所示。

表1　仿真環(huán)境參數(shù)配置

3.2仿真與分析

如圖2為隨機(jī)部署在300×300區(qū)域中200個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)，連接節(jié)點(diǎn)間的實(shí)線是MCF路由協(xié)議生成的最小能耗拓?fù)渎窂剑摼€是CEBR路由協(xié)議產(chǎn)生的備選路徑。

圖2　非均勻分布網(wǎng)絡(luò)

圖3為比較路由協(xié)議在圖2分布下的網(wǎng)絡(luò)能耗均衡差異性隨網(wǎng)絡(luò)輪數(shù)的變化情況。圖中顯示輪數(shù)在由小變大過程中，網(wǎng)絡(luò)能耗均衡差異性越大，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量消耗越不均衡，而改進(jìn)的 CEBR 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)能耗均衡差異性明顯優(yōu)于MCF。CEBR 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)能耗均衡差異性較MCF協(xié)議平均每輪降低了23.85%，單輪內(nèi)最多降低了40.63%。

圖3　不同路由協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)能耗均衡差異性比較

圖4為不同路由協(xié)議在圖2分布下的當(dāng)MCF協(xié)議穩(wěn)態(tài)壽命結(jié)束時(shí)的網(wǎng)絡(luò)能量消耗曲面對(duì)比，越靠近中心Sink基站，能量消耗越多，這是流量匯聚效應(yīng)引起的。其中CEBR協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)能量消耗曲面相對(duì)MCF協(xié)議的較平整，即能耗較均衡；而MCF協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)能量消耗曲面凹凸明顯，顯示其中心基站的周邊節(jié)點(diǎn)能量消耗過快且極不均衡，熱區(qū)范圍大，穩(wěn)態(tài)壽命低。

圖4　不同路由協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)能量消耗曲面

不同路由協(xié)議的穩(wěn)態(tài)壽命和非穩(wěn)態(tài)壽命見表2和圖5，由此可見改進(jìn)后的CEBR穩(wěn)態(tài)壽命比MCF協(xié)議延長(zhǎng)88.73%。CEBR協(xié)議不僅均衡大部分非熱點(diǎn)節(jié)點(diǎn)的能耗，同時(shí)使用路徑全局流量調(diào)節(jié)因子μi,lm以大范圍調(diào)節(jié)流往各路徑簇?zé)狳c(diǎn)節(jié)點(diǎn)的流量，均衡熱點(diǎn)節(jié)點(diǎn)的能耗以延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)態(tài)壽命。

表2　不同路由協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)壽命

圖5　不同路由協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)壽命比較

4　結(jié)束語

本文提出一種新的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層能耗均衡路由協(xié)議，其核心思想是：在最小代價(jià)路由協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，建立一個(gè)跨層能量管理模型，將網(wǎng)絡(luò)各層的能耗、流量、非均勻特性等融合到路由建立、路由選擇和路由維護(hù)中，綜合考慮節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能量和均衡網(wǎng)絡(luò)能耗，以最大化網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)態(tài)壽命為優(yōu)化目標(biāo)，設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)路由選擇與基站全局調(diào)節(jié)相結(jié)合的雙層規(guī)劃的跨層能耗均衡路由協(xié)議。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本路由協(xié)議優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的能量均衡消耗，較好地解決了能量空洞問題，同時(shí)顯著地延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)態(tài)壽命。

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(責(zé)任編輯楊文青)

Cross-Layer Energy Balanced Routing Protocol in Wireless Sensor Networks

FANG Neng-pei

(Gaozhou Normal College, Guangdong University of Petrochemical Technology,Maoming 525000, China)

Based on improving minimum cost forwarding routing protocol, a new cross-layer energy balanced routing protocol (CEBR) was designed for wireless sensor networks. CEBR protocol used a model of cross-layer energy management and a two-tier approach combined route selection of node and global regulation of base station. In order to prolong the lifetime of a sensor network, the proposed routing protocol optimized energy consumption at each layer, and integrated energy consumption information, data flow, non-uniform features of each layer into the process of route establishment, route selection and route maintenance, which optimized the control of network energy consumption and used multiple paths to support flow balance. The simulation results show that the improved CEBR routing protocols are better than MCF routing protocols in balancing energy consumption and prolonging network lifetime.

energy balance; wireless sensor network; cross layer; routing protocol

2016-03-27

國(guó)家科學(xué)技術(shù)部星火計(jì)劃項(xiàng)目(2012GA780062)；廣東省學(xué)科建設(shè)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2012LYM_0032)

房能沛(1985—)，男，廣東英德人，碩士，主要從事無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)研究，E-mail:fangnengpei@163.com。

format：FANG Neng-pei.Cross-Layer Energy Balanced Routing Protocol in Wireless Sensor Networks[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(10):122-128.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.10.019

TP393

A

1674-8425(2016)10-0122-07

引用格式：房能沛.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層能耗均衡路由協(xié)議[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2016(10):122-128.