一种能量均衡的无线传感器网络协议

桂林电子科技大学 李发飞 彭 刚 兰 慎

1.引言

无线传感器网络(wireless sensor networks，WSN)已成为国际上备受关注的前沿热点研究领域，由于无线传感器节点能量的有限及无法添加，传感器网络中节能的路由算法作为通信协议的重要组成部分，已经成为国内外的一个研究热点。

文献[1]提出了一中高效节能的无限传感器网络协议，传感器节点保存多条到基站（Base Station）的路由，采取轮循机制让数据传输任务分布在多条路由路径上，节省了某些节点能量的消耗，从而达到能量均衡的目的；但是靠近基站的圆形区域很容易成为“热区（Hot Spot）”，容易导致基站附近的节点因为能量耗尽很快的“死亡”。

在这种情况下，本文提出的改进的无线传感器路由协议，应具有一下特点：1）将无限传感器网络分层，靠近基站一定距离范围d内的节点直接与基站通信，即采用单跳通信；与基站有距离d之外的节点仍然与基站进行多跳通信；2）传感器节点保存多条到网关节点的路由，每次通信时，采用轮循机制选择一条路径，从而将数据传输的负载均衡的分配到多条路径上，达到均衡能耗的目的；3）引入能量控制机制，当与基站距离d的圆周上的节点能量消耗到一定值时，修改d的值重新组网，从而进一步均衡能量的消耗，解决“热区”问题，延长无线传感器网络的生命周期。

2.协议概述

假设节点被任意分布在某区域上，节点可以根据其所接收到的信号强弱程度计算出与发送节点的距离，d表示基站与节点的距离，Φ表示节点的剩余能量；基站BS在该区域的中心位置。本协议完成以下基本功能：1）区域内传感器节点建立一个无线传感器网络，并向最近基站传输感知到的信息；2）当传感器节点失效或者能量不足时，传感器网络能够修复路由或者重新组建到达网关的路由；3）当区域内新加入节点时，节点可以加入到传感器网络并进行数据传输；4）当与BS距离半径d的圆周上的节点的剩余能量Φ达到某一零界值时，修改d的值，重新组网。

3.路由协议

3.1 初始化路由骨干网

路由骨干网具体定义如下：

路由骨干网包括一个基站节点及多个中间节点。其中基站节点用于连接外部网络和传感器网络，基站没有父节点，可以有多个子节点；中间节点为传感器，可以有多个父节点和多个子节点。

初始状态下，基站节点已经存在，传感器节点随机分布在指定区域。路由骨干网按照如下步骤初始化：

1）网关节点广播Adv消息。

2）在预定时间段内，如果孤立节点（没有加入到路由骨干网的节点）收到此Adv消息，计算出到基站的实际距离d，d小于D-D0的孤立节点将（如图1中的节点S1）基站作为父节点，直接与基站通信，不再转发消息，记录到基站距离为0跳；d大于D+D0的孤立节点（如图1中的节点S3）丢弃此消息，仍被视为孤立节点；d大于D-D0且小于D+D0的孤立节点（如图1中的节点S2）将基站作为父节点，记录到基站的距离为1跳，并且广播Adv消息，此Adv消息包含一个以跳为单位的距离参数。

图1

3）孤立节点查看消息中的距离参数，将距离参数最小的节点作为父节点，将父节点加入到父节点集合，记录自己到基站的距离，并将距离参数值加1然后继续广播此Adv消息；如果已经加入到骨干网的节点接收到Adv消息，则比较Adv消息中的距离参数，选择距离参数较小的节点加入到父节点集合，记录自己到基站的距离，将距离参数加1然后继续广播此Adv消息。

4）如果处于孤立状态下的节点在预定时间段内没有收到任何Adv消息，则节点继续等待下一个时间段，直到接收到Adv消息。

图2 路由骨干网初始化

如图2，在初始状态下，网关广播Adv消息，S0接收到消息，将基站作为父节点；节点S1、S2、S3、S4接收到消息，将基站加入到父节点集合，置距离为1跳，并且继续转发Adv消息；S5在特定时间段内收到S1、S2、S3和S6转发来的Adv消息，比较三个消息的距离参数之后将参数距离较小的S1、S2、和S3、S4节点作为其父节点，并将将之加入到父节点集合中；S9收到S6、S7、S8发送来的消息，比较其距离参数，将S6和S7加入到父节点集合中。

3.2 新节点的加入

当一个新节点S加入到传感器网络后，它会按照以下步骤加入到路由骨干网：1）节点S向一跳之内的邻居节点广播一条Req消息；2）接收到此Req消息的节点如果已经加入到骨干网，它返回一个Res消息，此消息中包含它到网关节点的距离参数；3）节点S等待特定时间后，查看接收到的Res消息中的距离参数值，选择距离较近的节点作为自己的父节点，把父节点保存到父节点集合，记录自己到网关节点的距离参数值（即父节点到网关的距离加1）；4）节点S向其邻居节点广播Res消息，此消息的内容为节点S的距离参数值，表示节点S已经加入到骨干网。至此，新节点加入到骨干网。

3.3 节点失效处理

由于传感器节点的能量是有限的，所以当能量耗尽之后节点会变成失效节点。当传感器节点S检测到父节点F失效后，节点S将父节点从父节点集合在删除。此时，如果父节点不为空，则节点S仍在骨干网中，可以继续传输信息；如果父节点为空，那么节点S进行一下操作：1）节点S向邻居节点广播一条Req消息；2）收到此Req消息的节点如果已经加入到骨干网中，而且节点S不在它的父节点集合中，它向节点S返回一个Res消息，包括它的距离参数；3）节点S等待特定时间段后，查看接收到的Res消息的距离参数，然后选择距离较小的节点作为父节点，将父节点加入到父节点集合中，记录自己到网关节点的距离（即父节点到网关的距离加1）；4）节点S向其邻居节点广播Res消息，此消息的内容为节点S的距离参数值，表示节点S已经加入到骨干网。至此，节点失效处理过程结束。

3.4 路由过程

当节点要把感知到的数据信息传输到基站时，首先查看自己的父节点集合，采用轮循机制选择一个父节点F，将数据信息传输到节点F后，F节点查看自己的父节点集合，再用轮循机制选择一个父节点F,并向F,传输数据信息，依次类推，直到发送到网关节点为止。当环状带内节点的能量值下降到一定阀值时，修改环状带的半径和宽度，重复过程2.1，初始化路由骨干网。

4.性能分析

为了解决“热区”问题，协议采用了两种方法来均衡能量消耗。首先节点保存多个最短路由，采用轮循机制选择一条路径将数据信息传输到基站，从而将数据传输的任务均衡地分布于多条路由路径上，节省了节点的能量消耗；由于划分了环状带，环状带内的节点成为能量消耗比较多的节点，因此当环状带内节点的能量消耗到一定阀值时，减小环状带的半径，转移了热点问题，同时扩大环状带的宽度，环状带外的节点有更多的父节点可以供选择，从而把能量消耗均衡到更多路径上，进一步均衡了能量消耗，达到解决“热区”问题的目的。

[1]王晓喃,高德民,徐江.高效节能的无线传感器网络路由协议设计与实现[J].2010.8.

[2]王平,黎峰.无线传感器网络基于梯度的分簇路由算法[C].全国计算机网络与通信学术会议论文集,2011.

[3]秦岭,胡荣强.无线传感器网络节点的有效能耗最小化策略[J].武汉理工大学学报,2010.

[4]李树华,刘振宇,李迎秋.能量自适应的无线传感器网络分簇路由协议[J].计算机工程与设计,2010.