无线传感网节能安全路由策略

袁振超，王更练，崔 洁

(1.中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏 徐州 221116;2.中国人民解放军91469部队，北京 100000)

目前，无线传感网(WSN)的发展日趋完善，其相关研究领域逐渐多元化，比较热门的有能量感知、安全策略、协作传输、跨层优化等。文献［1］提出了能量动态调整路由的方法，减轻了GPSR容易形成热点路由的缺陷，但很少考虑到数据传输安全的问题。文献［2］建立了高效数据传输机制，减少了传输成本，但是仅仅从数据分配结构考虑节能。文献［3］比较全面地考虑到节能安全，并满足协作传输的实时需求，但只是从调度方面去考虑节能安全，缺乏对剩余能量和距离的考虑。文献［4］建立节点唤醒和休眠机制来减少能量的损耗，但是缺乏对数据延迟因素的考虑，不利于数据的实时性传输。

从以上的分析中可以看出，在试图改善WSN性能的方法中，缺少统筹考察多项性能的优化方法。本文将在综合考虑节点剩余能量和下一跳距离等要素下寻找下一跳节点、监督节点及选择性的休眠唤醒［5］节点，确保信息安全传输，并通过主副路径［6］的协作确保信息的实时性传输。

1 系统模型

1.1 路由节点的选择

本文的建模采用平面静态网络结构，在初始阶段，节点广播自己的位置、剩余能量，每个节点由此记录下与自己最近的6个节点作为可能的下一跳节点［7］，并在6个节点中筛选出3个(在S两侧的概率是1/2)离目的节点最近的节点，确保路由不会往相反方向传递。如下图1所示，源节点S选择最近的6个节点，然后依据目的节点P的距离选择3个候选节点，候选节点里有S的下一跳和S的监测节点。从S，P和目的节点的位置容易看出该路由距离最短，即S不会向远离P的方向传递信息，这样符合GPSR路由的理念，又避免形成热点路由，对节点能耗起到动态控制作用。

图1 路由节点选择示意

1.2 路由的形成

按照上述节点的选择方法，通过初始化阶段的选择，形成主路径和副路径。如图2所示。

图2 路由形成示意

图2中，S为源节点，P为目的节点，G为监督节点，G1为n1的监督节点，从S到P的实线部分为主路径，下面的虚线部分属于副路径。本文对比GPSR算法，加入能量(Energy)、距离(Distance)、监督(Monitoring)概念，故命名为GPSR－EDM。

1.3 传输模式

当源节点需要发送信息时，首先发送唤醒信息包给它最近的2个节点(在距离目的节点最近的3个中选择)，剩余能量最大的节点为S的下一跳n1，另一个为S的监督节点G0。当n1，G0被唤醒并核实S信息后，S开始传递信息给n1，n1接收完成后参照S操作机制继续传输。监督节点记录唤醒时间以及对数据的缓存传输。当整个路由传递结束后，终端节点向上反馈剩余能量，每个节点记录本节点最近节点的最新剩余能量。一旦主路径发生拥塞或断路现象，副路径承担信息缓存及传递信息的任务，如图3所示。

图3 拥塞或者断路示意

2 算法分析

2.1 路由节点选择算法

通过对能量和距离［8］的选择，并对两参数加以量化考察，避免了热点路由损耗过快，从而达到能量均衡消耗［9］的目的。根据数据传输损耗公式［10］

假设节点剩余能量为Pi，为保证信息有效传输，Pi应大于发送时消耗能量。考虑到Pi大于发送者消耗能量的选择需要有个下限，本文设定Pi下限大于待选节点剩余能量均值，即满足约束关系

从以上推导可知:mi与节点剩余能量和距离相关，可以用来表示剩余能量和距离之间的量化关系。

在此基础上，本研究采用主流节能策略，对节点采用休眠唤醒机制，在传输过程中加入的监督节点不会占用大量能量，因为主路径负责主要的数据传输，不会因为监督节点的唤醒而造成不必要的能源浪费，反而在安全传输方面起到了重要作用，而且保证了链路的完整性。

2.2 监督节点作用

在传输率不变的情况下，可以通过增加路径来减轻主路径的负担，进而加快数据的传输，确保传输的实时性。此外由于外部环境的干扰，路由有断裂的可能。监督节点链就可以担当起路由的作用，保证信息的安全传输，如图3所示。

本文在监督节点中设立一个时间门限，记录信息包进入时间和传出时间，通过时间的分析对比可以查证有没有伪造的信息进入或者有复制的迹象。如果有恶意节点延迟传输，信息传递时间则不会与时间门限相吻合。若恶意节点引导信息传递，则原路径下一跳将被跳过，由于监督节点没有相应的时间记录，可以断定信息已丢失。此外，由于监督节点有缓存转发作用，间接保证了信息的完整性和实时性。

3 仿真及结果分析

本文采用MATLAB仿真环境，结合GPSR算法，仿真参数选择如表1所示。

路由一旦发生拥塞，网络稳定性将下降，丢包率随之上升。由于本文提出的算法中加入了副路径，副路径的缓存转发功能，减轻了主路径的负担，利用多路径传输的优势加强了网络的鲁棒性，理论上降低了丢包率。图4验证了以上构想，GPSR由于剩余能量和环境等因素，丢包率快速上升，而本文方法下的丢包率上升平缓，保证了安全传输，达到了预期效果。

表1 仿真参数的设置

图4 网络丢包率

由于本文加入了选择性休眠唤醒机制，在信息传递之前需要发送唤醒信息包，会存在一定的延迟，但由于副路径的加入形成了多路径传播模式，加快了信息的传递，延迟将减小。综合以上因素，通过图5的仿真结果，本文算法下的延迟会比GPSR的大，但延迟上升率相近，平均相差0.07 s，在可接受范围之内。

图5 网络延迟分析图

GPSR的路径选择是以距离最近为原则的，容易形成热点路由，剩余能量相差很大。而本文采用动态选择机制，加入休眠唤醒机制，在能量消耗上是均衡的，节点能量利用率相比GPSR较高。从仿真图6可以看出上述分析基本符合，而且在200 s以后比GPSR优势更加明显。

图6 网络节点平均剩余能量

4 结束语

本文在研究GPSR路由的基础上，充分考虑能量均衡消耗及信息传输安全，加入监督节点及休眠唤醒机制，提出一种GPSR－EDM策略，提升了GPSR路由的性能(基于距离选择)。从仿真结果可以看出，本文提出的策略在降低系统功耗和保证信息传递完整性方面具有很大的优势，但在网络传输延迟方面略显不足。本研究下一步将针对该策略在传输延迟方面的不足进行改进，以期达到更好的传输效果。

［1］刘宇，赵志军，沈强，等.能量感知的GPSR动态路由负载均衡［J］.计算机工程与应用，2011，47(6):23－25.

［2］CHUN L，CHAN L L，WANG J S.Optimization of rate allocation with vistortion Guarantee in sensor network［J］.IEEE Trans.Parallel and Distributed Systems，2011，22(7):1230－1237.

［3］江维，常政威，桑楠，等.安全和能量关键的分布式协作任务调度［J］.电子学报，2011，39(4):757－762.

［4］KHALIL I M.ELMO:energy aware local monitoring in sensor networks［J］.IEEE Trans.Dependable and Secure Computing，2011，8(4):523－236.

［5］LIN G，STANKOVIC J A.Radio－triggered wake－up capability for sensor networks［C］//Proc.RTAS 2004.［S.l.］:IEEE Press，2004:27－36.

［6］杨显辉，任洪娥，景维鹏.一种能量感知无线传感器网络可靠协议研究［J］.微电子学与计算机，2010，27(8):194－196.

［7］成小惠.一种基于能量感知的节点独立多径路由协议［J］.中国电子科学研究院学报，2010，5(2):173－178.

［8］杨庆武，钱学荣.一种基于能量和距离无线传感器网络路由算法［J］.黑龙江科技信息，2010(12):61.

［9］刘述钢，刘宏立，詹杰，等.无线传感网络中能耗均衡的混合通信算法研究［J］.通信学报，2009，30(1):12－17.

［10］邬学军，孟利民，华惊宇.基于能量控制的无线传感网络最优化算法研究［J］.传感技术学报，2011，24(3):436－439.