基于节能的无线传感器网络跨层优化设计研究

孙福阳 李安莹 房鑫平

（沈阳理工大学，辽宁 沈阳 110159）

1 引言

近年来，WSN已成为国内外研究的热点。WSN在目标区域内部署大量传感器节点，以自组网的形式进行无线通信，数据采集和处理后发送给基站。已经广泛应用在智能家居、农业养殖、工业生产和医疗监护等常见领域，以及太空探索和应急抢险等特殊领域。由于传感器本身资源的限制，必须研究更加节能的网络协议。传统网络只考虑网络层的性能，往往不能达到全局优化的目的。跨层优化的思想考虑了物理层、链路层和应用层等相关状态，有效降低丢包率、误码率、发射功率，更好的提高服务质量，延长WSN生命周期。

目前人们在跨层优化的理论上已经取得了一定成果。Haythem Bany Salameh等人在文献[3]中指出了无线传感器网络MAC层的特点，提出了跨层优化网络模型：多信道非持续型CSMA的MAC协议。许力等人研究了MAC和系统吞吐量的问题，利用夺宝接收的思想，提出了一种基于IEEE 802.11 DCF MAC的夺宝接收媒体介入协议。李劼等人在参考文献中打破原有的分层路由设计机制，提出一种多判据AODV跨层路由优化机制。本文使用联合设计的跨层优化方法，联合设计物理层、链路层和网络层算法来减少传感器节点的能量消耗，均衡网络能量消耗，延长网络的生命周期。

2 基于跨层优化的分簇路由算法描述

Leach-CLO主要有6个阶段：组网初始化阶段，基站发送广播统计所有节点的剩余能量和节点与基站的距离，对节点划分等级；竞选簇头阶段，选择剩余能量较大且节点分布密度较高的节点作为簇头节点；簇建立阶段，簇头节点发送入簇广播，成员节点加入RSSI强且成员节点个数没有达到上限的簇头节点；簇内通信阶段，簇头节点分配时隙给成员节点，获得时隙的成员节点与簇头节点进行通信，簇头节点需要去掉冗余数据；簇间通信阶段，使用链路质量和剩余能量制定路由选择，以多跳的形式将数据转发到基站；功率控制阶段，通过路由选择好下一跳路由后，通过下一跳间距离制定最优发射功率。其中簇间通信具体步骤如下：

（1）簇间通信链路协议使用：簇间通信指簇头间通信，簇首消耗能量较大，当节点能量耗尽或者遭到破坏会导致整个网络拓扑结构发生改变，因此链路层协议采用基于竞争的S-MAC协议，同时考虑到簇头节点间距离也比较远，对无线资源竞争相对较小，采用S-MAC协议也可以提高对信道的利用率。

（2）簇间通信路由设计：簇间路由使用多跳的路由方式进行路由。以基站为圆心，分别以d、2d...nd为半径，其中d决定了两级梯度的宽度，设检测区域半径为R，节点个数为N，簇头节点概率为p，r为当前轮数，则。将检测区域分为n个阶区，n+1d～nd的区域为n级区域，在其内的簇头称n级簇头，并将各个簇头的级别存在调度信息表中。

在路由选择时，监测区域的大小、部署节点的个数、通信半径、节点位置等都会严重影响路由的选择。本文在路由选择时共分为四个优先级去选择路由下一跳节点，其中第一级优先级最高，第四级优先级最低。n级簇头节点需要从邻居节点中找下一跳节点，其中上一级簇头节点是第一优先级，上一级成员节点是第二优先级，相同级簇头节点是第三优先级，相同级成员节点是第四优先级。从高优先级到低优先级的顺序选择下一跳节点。

链路质量的好坏与路由性能密切相关，链路质量差往往会增加报文发送的误码率、丢包率等，造成网络能量的浪费。应选择链路质量较好的簇头节点以降低数据碰撞和信号干扰，减少数据重发概率。同时到考虑能量均衡问题，本文使用链路因子（Eefficency）作为路由选择下一跳的指标，Eefficency最大的节点作为路由选择的下一跳，且Eefficency满足Eefficency=z×LQI/255+（1-z）Eresidual/Einitid，其中，z为小于1的正数，为了延长网络的生命周期，使用轮的工作形式，每轮都要更换簇头，更新该调度信息表。

结语

在分簇的结构下，将剩余能量与节点密度作为控制参数控制簇头选择；设定定时器的方式避免大量簇头过于集中，计算出最优簇头的个数，控制簇头个数过多或过少造成的通信开销；簇内通信时，通过TDMA的方式分配时隙，成员节点直接与簇头节点通信，降低成员节点间通信时竞争与干扰，分配更多时隙给成为路由中继节点的成员节点，降低数据转发时的延迟；簇间通信时使用SMAC协议，通过CSMA/CD的方式使用信道，减少空闲侦听的能量消耗，使用剩余能量与链路质量作为路由选择依据；使用功率控制技术，控制发射功率大小，降低发送数据的能量消耗，实现延长网络生命周期的目的。

[1]许力.无线AdHoc环境下基于跨层设计和多包接收的媒体接入控制算法[J].计算机应用，2005（06）.

[2]李劼，李军，李智，等.基于跨层设计的多判据AODV路由优化机制[J].四川大学学报（工程科学版），2009，31（05）：749-752.

[3]Haythem Bany Salameh, Tao Shu,Marwan Krunz. Adaptive cross-layer MAC design for improved energy-efficiency in multi-channel wireless sensor networks.Ad Hoc Networks, August, 2007.