基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本路由算法在智能電網(wǎng)能耗優(yōu)化中的應(yīng)用

李 佳，馮淑媛

（湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410208）

物聯(lián)網(wǎng)是指通過各種信息傳感器、射頻識(shí)別技術(shù)、全球定位系統(tǒng)、紅外感應(yīng)器、激光掃描器等各種裝置與技術(shù)，實(shí)時(shí)采集任何需要監(jiān)控、連接、互動(dòng)的物體或過程，采集其聲、光、熱、電、力學(xué)、化學(xué)、生物、位置等各種需要的信息，通過各類可能的網(wǎng)絡(luò)接入，實(shí)現(xiàn)物與物、物與人的泛在連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)物品和過程的智能化感知、識(shí)別和管理。物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等的信息承載體，它讓所有能夠被獨(dú)立尋址的普通物理對(duì)象形成互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)[1]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)集成了傳感器和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，綜合了傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)以及分布式信息處理技術(shù)等各種交叉學(xué)科[2]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)被廣泛應(yīng)用于智能電網(wǎng)系統(tǒng)中。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過電力系統(tǒng)的外接網(wǎng)絡(luò)最終實(shí)現(xiàn)人與設(shè)備、設(shè)備與設(shè)備之間的相互通信與信息連接，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)自主信息采集、信息感知、信息識(shí)別功能。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最大的技術(shù)瓶頸為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)壽命較短，由于節(jié)點(diǎn)通常是由電池進(jìn)行供電，當(dāng)電池電量耗盡，節(jié)點(diǎn)就失效。因此如何通過延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的壽命，從而延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的使用壽命，是當(dāng)前需要迫切解決的難題。通過調(diào)整網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)的路由算法來優(yōu)化系統(tǒng)能耗是個(gè)可行有效的途徑。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本路由算法

鑒于偏遠(yuǎn)地域、惡劣自然環(huán)境等情況布線困難，且單純借助人力幾乎無法做到，因此將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用至智能電網(wǎng)系統(tǒng)中，解決了布線難題。組建一個(gè)大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，需要部署大量的傳感器節(jié)點(diǎn)，且無法滿足均勻分布的條件，當(dāng)前的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法研究現(xiàn)狀分為如下幾類。

1.1 基于最小跳數(shù)的路由算法

網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)跳數(shù)是指從源節(jié)點(diǎn)到sink節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)，基于最小跳數(shù)的路由算法就是以在網(wǎng)絡(luò)中信息傳輸需要經(jīng)過的最少轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)為依據(jù)的路由協(xié)議，是一種多路徑協(xié)議。該算法緩解了洪泛協(xié)議的內(nèi)爆和重疊問題，網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)的減少也就減少了數(shù)據(jù)包的傳輸量和網(wǎng)絡(luò)的能耗。但是由于網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)并不是均勻分布的，所以在滿足最小跳數(shù)的情況下不一定是最短路徑，且在沒有考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量的情況下，網(wǎng)絡(luò)丟包率并不能保證。雖然轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的能耗要遠(yuǎn)大于傳輸數(shù)據(jù)包的能耗，但在惡劣的部署環(huán)境下并不能保證最少轉(zhuǎn)發(fā)就是最少能耗。

1.2 基于能量有效的路由算法

基于能量有效的路由算法是從節(jié)點(diǎn)能耗的有效性和均衡性出發(fā)，采用能量距離預(yù)測(cè)、多路徑機(jī)制、蟻群算法和事件分簇機(jī)制等多個(gè)方法。能耗有效性是指在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中通過聚合機(jī)制的運(yùn)用，來融合內(nèi)容相關(guān)的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，減少冗余信息傳輸造成的能耗；能耗均衡性是指保持節(jié)點(diǎn)能量的均衡，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能夠傳輸數(shù)據(jù)，對(duì)節(jié)點(diǎn)的剩余能量設(shè)定閾值，結(jié)合靈活的路由策略使網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑靈活可選，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存周期。該算法僅考慮了局部范圍內(nèi)的相鄰可發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的調(diào)度，對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延和丟包并沒有考慮。

1.3 基于路徑質(zhì)量的路由算法[3]

路徑質(zhì)量包括節(jié)點(diǎn)跳數(shù)、綜合鏈路質(zhì)量和節(jié)點(diǎn)能量多方面因素，以此綜合考慮作為網(wǎng)絡(luò)路由選擇的標(biāo)準(zhǔn)即為基于路徑質(zhì)量的路由算法。各節(jié)點(diǎn)能夠根據(jù)路由發(fā)現(xiàn)分組中包含的路徑質(zhì)量信息選擇一條到達(dá)sink的最佳路徑，進(jìn)一步改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)的性能，達(dá)到全局最優(yōu)，但其算法較復(fù)雜。

2 在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用

上述3種路由算法，各有其優(yōu)點(diǎn)和局限性。在智能電網(wǎng)這個(gè)大型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于其特殊性，必須對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)效性和網(wǎng)絡(luò)的健壯性加以保證。因此，本文采用第3種基于路徑質(zhì)量的路由算法來進(jìn)行建模分析。

假設(shè)：布置好的傳感器節(jié)點(diǎn)一經(jīng)布置便不再移動(dòng)，節(jié)點(diǎn)中的sink節(jié)點(diǎn)固定不變，且每個(gè)節(jié)點(diǎn)均能根據(jù)接收到的無線信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算出鏈路質(zhì)量。

鏈路質(zhì)量（Q）與無線信號(hào)強(qiáng)度（S）之間的換算關(guān)系是：

這里，Q的值越大，表示鏈路質(zhì)量越高。當(dāng)進(jìn)行路由選擇的時(shí)候，在節(jié)點(diǎn)跳數(shù)和節(jié)點(diǎn)剩余能量相當(dāng)?shù)那闆r下，優(yōu)先選擇鏈路質(zhì)量更高的鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

如圖1，網(wǎng)絡(luò)中已對(duì)所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了廣播分組[5]，sink節(jié)點(diǎn)和源節(jié)點(diǎn)s固定，從s節(jié)點(diǎn)到sink節(jié)點(diǎn)有2條鏈路，路徑1和路徑2的跳數(shù)相同，經(jīng)由每個(gè)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的路徑[6]質(zhì)量如圖1所示，且每個(gè)中間節(jié)點(diǎn)的剩余能量充足。

圖1 節(jié)點(diǎn)的傳感路徑

圖1 中，從源節(jié)點(diǎn)S到sink節(jié)點(diǎn)有2條鏈路，路徑1經(jīng)節(jié)點(diǎn)1、2、3至sink節(jié)點(diǎn)，S節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)1的路徑質(zhì)量為10，節(jié)點(diǎn)1到節(jié)點(diǎn)2的路徑質(zhì)量為5，節(jié)點(diǎn)2到節(jié)點(diǎn)3的路徑質(zhì)量為8，節(jié)點(diǎn)3到Sink節(jié)點(diǎn)的路徑質(zhì)量為8；路徑2經(jīng)節(jié)點(diǎn)4、5、6至Sink節(jié)點(diǎn)，S節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)4，節(jié)點(diǎn)4到節(jié)點(diǎn)5，節(jié)點(diǎn)5到節(jié)點(diǎn)6及節(jié)點(diǎn)6到Sink節(jié)點(diǎn)的路徑質(zhì)量均為8。

在初始階段，節(jié)點(diǎn)S到鄰節(jié)點(diǎn)1的路徑質(zhì)量為10，到鄰節(jié)點(diǎn)4的路徑質(zhì)量為8，它會(huì)優(yōu)先選擇路徑1進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，但在接下來的轉(zhuǎn)發(fā)過程中，可以得出，路徑1的整體路徑質(zhì)量為：Q1=QS→1+Q1→2+Q2→3+Q3→Sink=10+5+8+8=31，路徑 2的整體路徑質(zhì)量為：Q2=QS→4+Q4→5+Q5→6+Q6→Sink=8+8+8+8=32。

由上述算出，路徑2的整體鏈路質(zhì)量更優(yōu)，因此根據(jù)算法應(yīng)該選擇路徑2來進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，而不是根據(jù)鄰節(jié)點(diǎn)的路徑質(zhì)量來選擇路由。

3 分析和優(yōu)化

在上述應(yīng)用中，2條路徑的整體鏈路質(zhì)量相差不大，在智能電網(wǎng)系統(tǒng)中，因其地理位置的特殊性，傳感器分布很有可能會(huì)出現(xiàn)多條路徑質(zhì)量均相等的情況，那么在這種情況下又將如何選擇路由使得全局更優(yōu)，這是之后要進(jìn)一步研究的問題。

鏈路的路徑質(zhì)量同時(shí)也反映了在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程中的收發(fā)質(zhì)量，包括時(shí)延、丟包率等。路徑質(zhì)量較差，則發(fā)生丟包的概率也就越大。在上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，在路徑1中Q1→2=5，在這段路徑上進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)大概率會(huì)引起丟包，而在智能電網(wǎng)系統(tǒng)中，這種現(xiàn)象是不能出現(xiàn)的，會(huì)造成不可預(yù)料的損失。這里考慮的一個(gè)解決方案是，為每段鏈路質(zhì)量設(shè)定一個(gè)閾值，當(dāng)?shù)陀谠撻撝禃r(shí)，在轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)和節(jié)點(diǎn)剩余能量都相當(dāng)?shù)那闆r下，斷開該鏈路的連接減少能量開銷。

圖2 節(jié)點(diǎn)的傳感路徑

如圖2，設(shè)定鏈路的路徑質(zhì)量閾值為7，當(dāng)某一段鏈路的路徑質(zhì)量＜7時(shí)，將斷開該條鏈路的鏈接減少不必要的鏈接能耗[7]。在路徑1中，Q1→2=5低于閾值7，盡管源節(jié)點(diǎn)S 的鄰節(jié)點(diǎn)路徑質(zhì)量為10，為保全局更優(yōu)減少開銷，同樣也要斷開路徑1的鏈接。在圖2中，路徑3的路徑質(zhì)量為Q3=31低于路徑2的路徑質(zhì)量Q2=32，網(wǎng)絡(luò)中仍然選擇路徑2進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文比較了幾種常見的路由算法，提出了一種更適用于智能電網(wǎng)系統(tǒng)的基于路徑質(zhì)量的路由算法，以保證網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的全局更優(yōu)；綜合考慮了在網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)、節(jié)點(diǎn)剩余能量相當(dāng)?shù)那闆r下的如何進(jìn)行路由選擇，并對(duì)該算法進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。