基于“热”节点轮转的无线传感器网络协议*

刘伟强， 蒋 华， 王 鑫

(桂林电子科技大学 计算机科学与工程学院，广西 桂林 541004)

0 引 言

无线传感器网络(WSNs)现代工业革命的前沿阵地，其中无线传感器网络路由协议是其中发展的重点[1]。能源问题是制约无线传感器网络发展的关键因素，因此，大量低功耗路由协议被提出，其中，PEGASIS (power-efficient gathering in sensor information systems)协议是无线传感器网络中经典的低功耗路由协议之一，它是由Stephanie Lmdsey等人在Leach协议基础上提出的链式协议[2]。该协议的主要思想是将网络中所有节点连成一条链，基站在链中选择一个簇头，通信时信息从链的两端开始沿链将数据传输给簇头，再由簇头发送给基站。相对于Leach协议，该协议在一定程度上提高了网络能量利用率，但也产生了通信时延过长，远离基站的簇头节点容易死亡的缺点[3]。

针对PEGASIS协议的这些不足，本文提出过一种能解决这些问题的PEGASIS-I协议[4]，但PEGASIS-I协议存在根节点能量负载过大、容易死亡的缺点。文献[5]在解决无线传感器网络多跳通信协议中靠近基站的簇头节点容易死亡的缺点时提出了“热区”轮转机制，该机制的作用是在多跳分簇协议中，当靠近基站的簇因大量转发其它簇的信息而能量消耗过大时，该机制可以将靠近基站的簇的转发任务转移到其它能量充足的簇身上。文献[6]提出“休眠/活动节点对”机制，该机制使网络中距离最近的两相邻节点组成“休眠/活动点节对”，发送信息时，该节点对中一个节点处于活动状态,另一个节点处于休眠状态。针对PEGASIS-I协议的缺点，且受文献[5，6]的启示，在PEGASIS-I协议的基础上,本文提出了一个新协议，该协议的改进之处在于增加了“热”节点轮转机制与“相似”节点群择一发送机制，很好地解决了PEGASIS-I协议存在的问题。

1 PEGASIS-I[4]协议描述

PEGASIS-I协议是本文作者在改进PEGASIS的基础上提出的一个新协议，该协议的具体步骤参看文献[4]，其主要思路是：该协议将监测区域看成是以基站为中心的圆形区域，基站生成参数θ(0<θ<π/2)并将圆形区域分成2π/θ个以基站为中心的扇形子区域，扇形子区域内节点与节点形成通信路由树，数据先从树叶传输至树根，再由树根发送至基站，如图1所示。

图1 PEGASIS-I协议通信图

PEGASIS-I协议利用树的特性使节点与节点之间避免了长链，推迟了第一个节点的死亡时间,延长了网络生存周期；利用扇形分区的方式将网络分成若干个区域，减小了网络通信时延；简化网络维护方式，降低网络维护消耗。它虽然解决了PEGASIS协议的缺点，但它本身存在根节点能量负载过大的问题，这个问题导致根节点容易死亡，从而形成监测空洞。为了解决该问题,本文提出了第2节所描述的新协议。

2 新协议原理

2.1 新协议描述

定义1：“热”节点是具有如下特点的节点：它属于一颗树的非叶子节点，且其能量低于网络平均能量的50 %。

定义2：“相似”节点群是一组节点集合，组内节点之间的距离在阈值D内，且感知信息的差别度在阈值T内。

定义3：“相似”节点群择一发送是指：每一轮通信时，以一个节点的感知信息代表整个“相似”节点群所有节点的感知信息，即群内一个节点发送感知信息时其它节点不发送自身的感知信息。比如：对于温度传感器，在某一小范围内各处的温度相差不大，可以称这一小范围内的节点为“相似”节点群，群里一个节点感知的温度可以代表其它节点感知的温度。

针对PEGASIS-I协议的缺点，本文在PEGASIS-I协议的基础上提出一个新的改进协议。新协议的改进主要体现在2个方面:一方面是增加了“热”节点轮转机制，它的作用是当出现“热”节点时，将“热”节点的数据转发任务转移到其它能量充足的节点身上，使自身变成叶子节点，减轻自身的能量负载，延长它的生存期；另一方面是实施“相似”节点择一发送原则。新协议与PEGASIS-I协议一样，也分为3个阶段:

第一阶段区域划分阶段:与第二阶段路由形成阶段与PEGASIS-I协议完全相同，在此不多赘述。

第三阶段，数据通信阶段:新协议对PEGASIS-I协议改进之处主要体现在本阶段，新协议数据通信阶段规则如下：

1)如果节点属于“相似”节点群，则只有到它的时间序号时它才发送自身的感知信息。在它所在的“相似”节点群其它节点发送信息时，如果它是叶子节点，则进入休眠状态;如果它是非叶子节点，则除了不发送自身感应的信息外，转发数据功能正常执行。

2)如果一个节点有多个子节点，它必须为每个子节点分配数据发送时间段，避免数据接收冲突，且父节点收到子节点发来的数据后须回复一条接收完毕的信息，当父节点将自己所有子节点的数据收集完后将子节点的数据与自己的数据融合，然后将融合后的数据发送给自己的父节点。如果子节点发送完信息后过一段时间没有收到父节点的回复信息，则认为父节点死亡，该子节点重新按照第二阶段中的方法重新为自己确定父节点。如果父节点在规定的时间里没有接收到相应子节点的信息，则认为该子节点要么是死亡，要么是休眠节点，不再等待该子节点的数据。

3)如果有新节点加入网络中，新节点先将自己的位置信息单跳直接发送给基站，基站收到信息后根据它所在的位置确定它与基站的距离、它属于哪个区域以及它是否属于某一“相似”节点群，然后将这些信息广播给新节点，新节点根据这些信息按照第二阶段的方法加入到其所在子区域的路由树中。

4)每隔N(本文中设定N=10)轮通信，所有节点发送包含节点能量的信息(在1到N-1轮中节点只需发送自身的感知信息而不需要发送能量信息)到基站，基站根据这一轮所有节点的感知信息重新得出“相似”节点群，并对所有节点的能量求平均值Eavg，然后将结果向所有节点广播。网络节点收到新的“相似”节点群信息后在后续的信息发送轮中按新的“相似”节点群信息中的时间序号发送数据，然后将信息中网络节点平均值Eavg与自己的能量E进行对比，执行“热”节点轮转机制：

a.如果E

b.如果E

c.如果E≥Eavg/2，可以接受其它节点成为其子节点。

与PEGASIS-I协议对比可以发现，新协议的数据通信阶段增加了第一条与第六条规则，这两条规则中加入了“热”节点轮转机制与“相似”节点择一发送原则。

2.2 “相似”节点群算法描述

基站计算机根据节点的位置坐标与感知信息差别度计算“相似”节点群。采用的算法描述如下：1)基站根据节点坐标计算每个节点到基站的距离与节点到节点之间的距离；2)基站选定距离基站最远且没有被赋予“相似”节点群编号的节点赋予群编号并选定其作为“基”节点;3)基站再依次遍历其它没有被赋予“相似”节点群编号的节点，如果被遍历的节点与“基”节点的距离在阈值D内且节点感应的信息与“基”节点感知的信息差度在阈值T内则对被遍历的节点赋予与“基”节点相同的“相似”节点群编号，表明该节点加入了“基”节点所属的“相似”节点群；4)如果所有节点全部被赋予“相似”节点群编号则算法结束，否则，跳转到第(2)步。

执行此算法后网络内所有拥有相同的“相似”节点群编号的节点为一个“相似”节点群，基站会根据群成员个数为群内每个节点安排数据发送序号。

3 协议仿真与分析

3.1 新协议分析

与PEGASIS-I协议相比新协议增加了两条改进措施，一方面是增加了“热”节点轮转机制，当非叶子节点的能量少于所有节点平均能量的50 %时，表明该节点能量负担过重，继续作为非叶子节点会导致其短时间内死亡。为了避免该情况出现，协议运用“热”节点轮转机制将非叶子节点的任务从该节点轮转到其能量充足的其它节点上，保护能量弱的节点，达到延长网络生存期的目的。另一方面，采用了“相似”节点群择一发送机制，该机制使网络中“相似”节点群里以一个节点的感知信息替代群里所有节点的感知信息，即满足信息准确度同时也使网络通信量大大减少，有效延长了网络生存时间。

3.2 协议仿真与结果分析

本文用Matlab软件对2种协议进行仿真，采用文献[7]中的能量模型，分别从网络生存时间与网络能量负载均衡性两方面来评价这两种协议。为了实验方便实验中没有设置信息差别度阈值T，“相似”节点群的确定仅由距离阈值D决定。实验时节点位置随机选取，单次实验结果随机因数大，故下面所有数据均为50次实验取平均值的结果。实验环境设置与文献[4]相同，只增加了阈值属性D=5 m的设置。

3.2.1 参数θ的确定

在新协议中参数θ的确定同PEGASIS-I协议一样，也需要通过实验来确定。为了实验方便，θ值在π/8，π/6，π /4，π /3，π /2之中选取。图2是当θ取上述值时新协议运行的节点存活数与轮数关系仿真图。从图与实验数据可看出：当θ取值为π /2时，网络所有节点存活时间最短，新协议性能最差，当θ取值为π/4时，网络节点存活时间最长，新协议性能最好，故在该实验条件下最合适的参数值设置是θ=π /4。

图2 θ取不同值时网络生存时间对比

3.2.2 能量负载均衡性

PEGASIS-I协议中根节点能量负载大，容易死亡，导致整个网络能量消耗不平衡，新协议采用“热”节点轮转机制有效平衡了网络能量负载。文中用某时刻的能量方差函数DE(t)来衡量网络负载均衡性,DE(t)越小表示网络负载匀衡性越好[7]。能量方差函数

(1)

式中Ei(t)为标记为i的节点在t时刻的能量，G(t)为t时刻网络平均能量，N为网络节点总数。

图3是两协议的能量方差与轮数关系图，从图中可以看到新协议的能量方差一直低于PEGASIS-I协议的方差，表明新协议的能量均衡性优于PEGASIS-I协议，有利于网络生命周期的延长。

图3 两协议的能量方差对比结果图

3.2.3 网络生存时间

图4表示在实验条件下两协议的运行情况,最大轮数为2 000轮。文中以50 %节点死亡时所经过的轮数作为网络生存时间[8]。对第一个节点开始死亡轮数、20 %节点死亡轮数、50 %节点死亡轮数、70 %节点死亡轮数、全部节点死亡轮数进行了比较，结果如表1所示。

表1 两种协议生命期对比结果

从表1中的结果可以看出:新协议比PEGASIS-I协议的生存周期提高了22.2 %，第一个节点死亡时间更是大大推迟了140.8 %，20 %,70 %,100 %节点死亡时间也都得到了很大的改善。

图4 网络生存节点数与轮数关系图

新协议相比于PEGASIS-I协有如下优点：1)根节点能量负载较轻，不容易死亡，避免出现监测空洞；2)网络通信量少，有效延长了网络生存时间，同时也减少了节点访问无线信道的竞争。

4 结 论

本文提出的新协议解决了PEGASIS-I协议这一缺点，使其更完善。分析和仿真结果表明：改进后的算法在延长网络生存时间有更优越的性能。但“相似”节点机制只适合于节点密集型网络，在此类型网络中可以大量减少通信量，在稀疏网络中不适合使用，因为此类网络中“相似”节点群少，不能大量减少通信量，反而需要节点定期接收基站的广播信息，得不偿失，所以，新协议适合于静态节点密集布署型网络。另外，“相似”节点机制中的距离参数D与信息差异度T要根据具体的应用来确定。

参考文献:

[1] 杨 军,张德运,张云翼.基于分簇的无线传感器网络数据汇聚传送协议[J].软件学报，2010,21(5): 1127-1137.

[2] Lee Y H,Lee K O,Lee H J,et al.CBERP:Cluster-based energy efficient routing protocol for wireless sensor networks[C]∥Proceedings of 12th International Conference on Networking,VLSI and Signal Processing,Cambridge,2010:24-28.

[3] Stephanie Lmdsey,Cauligi S Raghavendra.PEGASIS:Power-efficient gathering in sensor information systems[J].Proceedings of IEEE Aerospace Conference ,2002,3(3):1125-1130.

[4] 刘伟强，蒋 华，王 鑫.无线传感器网络中PEGASIS协议的研究与改进[J].传感技术学报,2013,26(12):1764-1769.

[5] 朱 康.无线传感器分布式多跳分层路由协议研究与设计[D].成都：电子科技大学，2013.

[6] 邓 洁,程良伦.大规模无线传感器网络多优先级自适用分簇路由协议[J].传感器与微系统，2010,29(8):78-81.

[7] 蒋畅江,石为人,唐贤伦，等.能量均衡的无线传感器网络非均匀分簇路由协议[J].软件学报，2012,23(5):1222-1232.

[8] Sun C, Yin R R, Hao X C, et al. Connected dominating set topology control algorithm of heterogeneous wireless sensor network-s[J].Journal of Software, 2011,22(9):2137-2148.