基于傳輸距離和Sink移動的擴(kuò)延網(wǎng)絡(luò)壽命算法

孫海霞，胡 永，張 環(huán)

(西藏民族大學(xué) 信息工程學(xué)院, 西藏光信息處理與可視化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 咸陽 712082)

基于傳輸距離和Sink移動的擴(kuò)延網(wǎng)絡(luò)壽命算法

孫海霞，胡 永，張 環(huán)

(西藏民族大學(xué) 信息工程學(xué)院, 西藏光信息處理與可視化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 咸陽 712082)

在無線傳感網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensor Network)中，傳感節(jié)點(diǎn)通常以多跳方式向信宿Sink傳輸感測數(shù)據(jù)。由于鄰近信宿Sink的傳感節(jié)點(diǎn)需要承擔(dān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的任務(wù)，比其他節(jié)點(diǎn)消耗更多的能量，縮短了網(wǎng)絡(luò)壽命。為此，提出一種擴(kuò)延網(wǎng)絡(luò)壽命的新算法，記為NLTA(Network LifeTime Augmentation)。NLTA算法采用了節(jié)點(diǎn)傳輸距離自適應(yīng)調(diào)整和信宿Sink移動兩個策略。節(jié)點(diǎn)依據(jù)能量情況，調(diào)整傳輸距離，減少能量消耗，然后根據(jù)路徑容量值，調(diào)整Sink的位置，平衡網(wǎng)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)能量消耗，避免信宿Sink的周圍節(jié)點(diǎn)能量過度消耗。仿真結(jié)果表明，提出的NLTA方案能夠有效地提高網(wǎng)絡(luò)壽命。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)；信宿；能量；網(wǎng)絡(luò)壽命；傳輸距離

1 WSN及Sink簡介

為了實(shí)時探測目標(biāo)區(qū)域的異常情況或周期地收集環(huán)境數(shù)據(jù)，通常在目標(biāo)區(qū)域部署大量的具有感測數(shù)據(jù)、通信能力、微型傳感節(jié)點(diǎn)[1-3]。由這些節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)稱為無線傳感網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensor Network)。一旦感測到外界環(huán)境數(shù)據(jù)，就將數(shù)據(jù)傳輸至信宿(Sink)。目前，WSN廣泛應(yīng)用于健康醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、森林火災(zāi)預(yù)警[4]。

由于WSN內(nèi)的節(jié)點(diǎn)屬微型節(jié)點(diǎn)，能量供應(yīng)受限，并且由于WSN應(yīng)用于野外環(huán)境，即使節(jié)點(diǎn)能量耗盡，也不便于替換。因此，節(jié)點(diǎn)能量利用率問題成為WSN研究熱點(diǎn)。一旦節(jié)點(diǎn)能量耗盡，就無法工作，可能會形成覆蓋盲區(qū)，降低了對環(huán)境的監(jiān)測能力，縮短了網(wǎng)絡(luò)壽命[5-8]。

目前，調(diào)整信宿Sink位置，即信宿Sink進(jìn)行移動成為延長網(wǎng)絡(luò)壽命的有效方案，如圖1所示，由于位于信宿Sink鄰近節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)a)需要頻繁轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，增加了這些節(jié)點(diǎn)的任務(wù)，加快了這些節(jié)點(diǎn)的能量消耗。而遠(yuǎn)離信宿Sink的節(jié)點(diǎn)只需要感測自己覆蓋區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)[9]，相應(yīng)地，它們的能量消耗較慢。因此，為了平衡能量消耗，對信宿Sink位置進(jìn)行調(diào)整，避免鄰近信宿Sink的節(jié)點(diǎn)能量過早殆盡的情況，最終提高網(wǎng)絡(luò)壽命。

文獻(xiàn)[10]提出了JMR(Joint Sink Mobility and Routing Strategy)算法。 JMR引用了外圍圓形軌跡，然而該軌跡屬于預(yù)設(shè)的，且具有固定、單一性。文獻(xiàn)[11]提出基于多條六邊形軌跡移動方案，Sink節(jié)點(diǎn)沿著預(yù)定的六邊形移動。當(dāng)Sink節(jié)點(diǎn)經(jīng)過某傳感節(jié)點(diǎn)時，傳感節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳遞至Sink節(jié)點(diǎn)。這些預(yù)定移動軌跡方案[12-13]，實(shí)施簡單，然而，這些方案沒有考慮傳感節(jié)點(diǎn)的電量情況，而僅是依據(jù)預(yù)設(shè)的路徑移動，沒能最大化地提高網(wǎng)絡(luò)壽命。

文獻(xiàn)[14]考慮了自適應(yīng)Sink節(jié)點(diǎn)移動算法ASM(Adaptive Sink Mobility)。首先利用傳感節(jié)點(diǎn)的電量情況計算移動的目的地，一旦確定目的地，Sink節(jié)點(diǎn)就反復(fù)地沿著中間轉(zhuǎn)接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行移動，移動距離小于Sink節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍。如圖2所示[14]，Sink節(jié)點(diǎn)選定目的地后，就沿著P6→P5→P4→P3→P2移動。

圖2 Sink節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)移動方案

注意到上述的Sink節(jié)點(diǎn)移動機(jī)制通?？紤]附近傳感節(jié)點(diǎn)的電量，然后向電量較大的區(qū)域移動。然而，這些方案僅單獨(dú)考慮Sink節(jié)點(diǎn)移動方案，并沒有與路由協(xié)議相結(jié)合。實(shí)際上，路由協(xié)議對網(wǎng)絡(luò)壽命有很大的影響。為此，本文提出了網(wǎng)絡(luò)壽命的新算法，記為NLTA算法。首先，傳感節(jié)點(diǎn)依據(jù)節(jié)點(diǎn)能量調(diào)整自己的傳輸距離，然后依據(jù)路徑容量值設(shè)置Sink移動條件，若滿足條件，則觸發(fā)移動。仿真結(jié)果表明，提出的NLTA算法能夠有效地提高網(wǎng)絡(luò)壽命。

2 能量消耗模型

NLTA算法采用圖3所示的能量消耗模型[15-16]。發(fā)送節(jié)點(diǎn)的能量主要消耗于發(fā)射器元件、功率放大器，而接收節(jié)點(diǎn)能量消耗于發(fā)射器元件。

圖3 無線電能量消耗模型

假定相距為d的兩節(jié)點(diǎn)傳輸k(單位：bit)長度消息所需的總能量為

(1)

相應(yīng)地，從距離為d的鄰居傳感節(jié)點(diǎn)接收k長度消息所需的總能量為

(2)

式中：Eelec表示驅(qū)動發(fā)射機(jī)所消耗的能量；Eamp表示發(fā)射放大器上所需的能量。應(yīng)注意到，本文假定n=2，Eelec=50n/bit，Eamp=100(PJ·bit-1·m-2)。

3 NLTA算法

3.1 傳輸距離調(diào)整策略

圖4 依據(jù)節(jié)點(diǎn)剩余能量的分類

節(jié)點(diǎn)依據(jù)自己的剩余能量調(diào)整自己的傳輸范圍。當(dāng)電量較足時，可以增大自己的傳輸距離，進(jìn)而縮短路由路徑，而當(dāng)電量不充足時，為了保存能量，縮短傳輸距離。通過自適應(yīng)地調(diào)整傳輸距離，提高能量效率，最終實(shí)現(xiàn)延長網(wǎng)絡(luò)壽命。傳輸距離調(diào)整過程偽代碼如下：

/*Energy-aware transmission range adjusting (a sensoru)*/

Input:

γ：initial transmission range

B:initial battery energy

r(u)：current residual battery energy of u

r：transmission range

While(1){

r=γ/4

r=γ/2

End if r=γ

}

3.2 信宿Sink移動機(jī)制

信宿Sink移動機(jī)制主要含有兩個階段。第一個階段就是檢測是否滿足移動的條件，若滿足，就觸發(fā)；其次，就是設(shè)置移動的方向和距離。

3.2.1 移動條件

圖5 路徑有向圖示意圖

(4)

(5)

3.2.2 移動距離和方向

圖6 Sink節(jié)點(diǎn)移動的可能方向

Sink節(jié)點(diǎn)如何選擇移動方向呢?步驟如下：

步驟2，計算4個方向的權(quán)值系數(shù)εh，定義為

(6)

步驟3，選擇具有最大εh的方向進(jìn)行移動

(7)

3.3 數(shù)據(jù)傳輸路徑

一旦傳感節(jié)點(diǎn)檢測異常事件或感應(yīng)到了數(shù)據(jù)，就需向信宿傳輸。在傳輸時，選擇最大容量路徑作為數(shù)據(jù)傳輸通道。仍以圖5為例，各節(jié)點(diǎn)分別選擇最大容量路徑傳輸數(shù)據(jù)。圖7顯示了各節(jié)點(diǎn)向信宿傳輸數(shù)據(jù)的方向。例如從節(jié)點(diǎn)g至信宿s的路徑為：g→e→c→a→s。

圖7 數(shù)據(jù)傳輸路徑示意圖

4 性能仿真

本節(jié)分析NLTA算法的網(wǎng)絡(luò)壽命隨傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)和節(jié)點(diǎn)初始能量的變化情況。同時，選擇JMR[10]和ASM[14]進(jìn)行比較。仿真區(qū)域面積為100 m×100 m，節(jié)點(diǎn)的最大傳輸范圍R=25。

4.1 傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)

本次實(shí)驗(yàn)測試傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)N從50，75，125，150變化對網(wǎng)絡(luò)壽命的影響，并且節(jié)點(diǎn)的初始能量B=1 000 J。圖8顯示了網(wǎng)絡(luò)壽命隨節(jié)點(diǎn)數(shù)的變化曲線。從圖可知，提出的NLTA算法的網(wǎng)絡(luò)壽命得到顯著改善。在整個節(jié)點(diǎn)數(shù)變化期間，NLTA算法的網(wǎng)絡(luò)壽命均高于JMR和ASM方案。而JMR算法的網(wǎng)絡(luò)壽命最低，原因在于JMR算法采用單一的移動軌跡，并沒有依據(jù)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時情況，調(diào)整信宿的移動位置，存在局限性。

圖8 網(wǎng)絡(luò)壽命隨傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)的變化情況

4.2 能量

本次實(shí)驗(yàn)測試節(jié)點(diǎn)電量B從500，750，1 250，1 500變化對網(wǎng)絡(luò)壽命的影響，且節(jié)點(diǎn)數(shù)N=100。圖9繪制了網(wǎng)絡(luò)壽命隨節(jié)點(diǎn)初始能量的變化曲線。網(wǎng)絡(luò)壽命隨著節(jié)點(diǎn)的初始能量增加而提升。與JMR和ASM算法相比，提出的NLTA算法的網(wǎng)絡(luò)壽命得到極大提高。例如，在B=1 250 J時，NLTA算法的網(wǎng)絡(luò)壽命為3 200輪，而JMR算法的網(wǎng)絡(luò)壽命為1 100輪。

圖9 網(wǎng)絡(luò)壽命隨初始電量的變化情況

4.3 基站所接收的數(shù)據(jù)包

最后，分析了基站成功接收了數(shù)據(jù)包數(shù)量，其中傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)N為125，節(jié)點(diǎn)的初始能量B=1 200 J?；舅邮盏陌鼈€數(shù)如圖10所示。從圖中可知，NLTA算法能夠有效地提高基站所接收的數(shù)據(jù)包個數(shù)，比JMR協(xié)議提高了近3倍。此外，表1列舉了JMR，ASM和NLTA協(xié)議的穩(wěn)定時期、網(wǎng)絡(luò)壽命。其中，穩(wěn)定時期表示從網(wǎng)絡(luò)最初至第一節(jié)點(diǎn)失效的時間間隔。從表1可知，JMR，ASM和NLTA協(xié)議的穩(wěn)定時期分別為969，1 355和1 717。而網(wǎng)絡(luò)壽命分別為5 535，5 673和8 640。這些數(shù)據(jù)表明，提出的NLTA協(xié)議能夠有效地延長穩(wěn)定時期、擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)壽命。

圖11 基站成功接收的數(shù)據(jù)包

測試序號穩(wěn)定時長/sJMRASMNLTA網(wǎng)絡(luò)壽命/輪JMRASMMLTA1969135517175536567386382926135517165553567086373970134217185537567386364967135717165532567486435972136517145538567686406945135817205539567586407936135017185530566886388978135517195534567086409976135917165538567386411096913551716553056758641

5 小結(jié)

針對無線傳感網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)壽命問題，提出新改善網(wǎng)絡(luò)壽命算法NLTA。NLTA算法采用了兩個措施提高網(wǎng)絡(luò)壽命，首先利用節(jié)點(diǎn)的剩余能量，將節(jié)點(diǎn)分為3類，每一類節(jié)點(diǎn)的傳輸距離不同。若節(jié)點(diǎn)能量較充足，采用長的傳輸距離，可縮短傳輸跳數(shù)，若能量不充足，采用小的傳輸距離。然后，Sink計算路徑容量值，并向具有最大容量的路徑移動。最后，通過數(shù)值仿真，進(jìn)一步驗(yàn)證了NLTA算法的性能。與同類方案(JMR和ASM)相比，NLTA算法的網(wǎng)絡(luò)壽命提高了23.3%。

[1] WANG C F，SHIH J D，PAN B H，et al. A network lifetime enhancement method for Sink relocation and its analysis in wireless sensor networks[J].IEEE sensor journal，2014，14(6)：23-32.

[2] SARA G S，SRIDHARAN D. Routing in mobile wireless sensor network： a survey[J]. Telecommunication systems，2013，57(1)：51-79.

[3] KARKVANDI H R，PECHT E，YADID-PECHT O，et al. Effective lifetime-aware routing in wireless sensor networks[J]. IEEE sensors journal，2011，11(12)：3359-3367.

[4] 陳晶. 粗糙集在無線傳感網(wǎng)絡(luò)安全中的應(yīng)用研究[J]. 激光雜志，2015，36(7)：109-113.

[5] ALSHAWI I S，LIANSHAN Y，WEI P，et al. Lifetime enhancement in wireless sensor networks using fuzzy approach and A-star algorithm[J]. IEEE sensors journal,2012，12(10)：3010-3018.

[6] WANG S S，CHEN Z P.LCM：a link-aware clustering mechanism for energy-efficient routing in wireless sensor networks[J]. IEEE sensors journal，2013，13(2)：728-736.

[7] 沈艷霞，薛小松.無線傳感網(wǎng)絡(luò)移動信標(biāo)節(jié)點(diǎn)路徑優(yōu)化策略[J].傳感器與微系統(tǒng)，2012，31(12)：42-46.

[8] YANG Y，F(xiàn)ONOAGE M I，CARDEI M. Improving network lifetime with mobile wireless sensor networks[J]. Computer communications，2010，33(4)：409-419.

[9] 王華東，王大羽.蝙蝠算法優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合[J].激光雜志，2015，36(4)：64-69.

[10] LUO J，HUBAUX J P. Joint mobility and routing for lifetime elongation in wireless sensor networks[J]. Proceedings IEEE INFOCOM，2005(3)：1735-1746.

[11] SUN L，BI Y，MA J. A moving strategy for mobile sinks in wireless sensor networks[C]// IEEE Workshop on Wireless Mesh Networks.[S.l.]：IEEE，2006：173-184.

[12] WU T Y，LIAW G H，HUANG S W，et al. A GA-based mobile RFID localization scheme for internet of things[J]. Personal & ubiquitous computing，2012，16(3)：245-258.

[13] SUN Y，HUANGFU W，SUN L，et al.Moving schemes for mobile sinks in wireless sensor networks[C]//Proc. IEEE IPCCC. [S.l.]：IEEE，2011：101-108.

[14] YANG Y，F(xiàn)ONOAGE M I，CARDEI M. Improving network lifetime with mobile wireless sensor networks[J]. Computer communications，2010，33(4)：409-419.

[15] WU T Y，KUO K H，CHENG H P，et al. Increasing the lifetime of Ad Hoc networks using hierarchical cluster-based power management[J]. Ksii transactions on internet & information systems，2011，5(1)：5-23. [16] 王華東，王大羽. 能量均衡的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)均勻分簇策略[J].激光雜志，2015，36(6)：158-162.

孫海霞(1972— )，女，副教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)橛嬎銠C(jī)應(yīng)用技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；

胡 永(1980— )，碩士，副教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)閳D形圖像處理；

張 環(huán)(1982— )，女，碩士，副教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)橛嬎銠C(jī)應(yīng)用技術(shù)、圖形圖像處理。

責(zé)任編輯：許 盈

Network lifetime augmentation algorithm based on transmission range and Sink mobility

SUN Haixia, HU Yong, ZHANG Huan

(XizangMinzuUniversityInformationTechnologyCollege,XizangKeyLaboratoryofInformationProcessingandVisualizationTechnology,ShaanxiXianyang712082，China)

In Wireless Sensor Network (WSN), each sensor node delivers the sensed data to sink by multi-hopping technique. Generally, sensor nodes nearer to the sink will consume more battery power than further nodes. So there nodes will drain out their battery power rapidly and reduce the network lifetime. In this paper, a network lifetime augmentation algorithm for WSN is proposed, which is marked as NLTA. NLTA algorithm has used adaptive transmission range of sensor node and sink relocation mechanism. The transmission range adjusting depends on the residual battery energy of a sensor node, then the sink will relocate to the new position by the capacity path. Finally, numerical simulation verifies the performance of NLTA algorithm. Simulation results show that NLTA algorithm can prolong network lifetime.

wireless sensor network; Sink node; energy; network lifetime; transmission range

孫海霞，胡永，張環(huán). 基于傳輸距離和Sink移動的擴(kuò)延網(wǎng)絡(luò)壽命算法[J].電視技術(shù)，2017，41(1)：37-41. SUN H X, HU Y, ZHANG H. Network lifetime augmentation algorithm based on transmission range and Sink mobility[J].Video engineering，2017，41(1)：37-41.

TN914

A

10.16280/j.videoe.2017.01.008

西藏自治區(qū)自然科學(xué)基金項目(2015ZR-14-18 )

2016-05-17