无线传感器网络跨层能耗均衡路由协议

房能沛

(广东石油化工学院 高州师范学院，广东 茂名 525000)



无线传感器网络跨层能耗均衡路由协议

房能沛

(广东石油化工学院 高州师范学院，广东 茂名 525000)

在改进最小代价路由协议的基础上，建立一个跨层能量管理模型，将网络各层的能耗、流量、非均匀特性等融合到路由建立、路由选择和路由维护中，设计了节点路由选择与基站全局调节相结合的双层规划的跨层能耗均衡路由协议(CEBR)。该协议能综合优化各层能量消耗，支持多路径流量均衡分配，以节省能量、均衡网络能耗来延长网络的稳态生命周期。仿真实验结果表明：CEBR与MCF协议相比较，在能耗均衡和延长网络稳态寿命上更优。

能耗均衡；无线传感器网络；跨层；路由协议

无线传感器网络的节点经常被大规模部署在较难持续供电的环境中，加之海量数据传输和网络自组织等特点，容易出现局部能量消耗过快的情况，造成因网络结构破坏而导致整个网络生命周期过早结束[1-7]。因此，降低节点能耗，合理、高效地利用有限的能量资源，最大化网络寿命是无线传感器网络研究面临的重要挑战之一[8]。

在网络传输时，众多节点通常采用多跳方式相互通信，部分节点既采集数据，又转发数据包[1]。由于流量汇聚，基站附近的节点需要承担更多的通信负载，导致这些节点容易过早耗尽自身的能量，在基站周围出现能量空洞，造成连通网络的分割，严重时会使得大部分生存下来的节点不能相互通信，同时网络中还遗留大量未被充分利用的能量资源[9-10]。因此，要延长无线传感器网络的生命周期，在设计高效路由协议时，既要考虑如何节省能量，也要关注能量消耗大的关键节点，均衡网络能量消耗，减少和延缓能量空洞现象的出现。

Ye等[11]提出的最小代价路由协议(minimum cost forwarding，MCF)以能耗作为代价尺度，最终达到最小化能耗代价以延长网络生命周期的目的，不过由于代价函数只考虑了能耗最少而没有考虑各个节点的能耗率和剩余能量，会使通信量集中在最小能耗路径的节点上，造成网络各节点流量分担不平衡，导致某些节点因能量耗尽失效而使网络不能连通。

Chang等[12]认为，最小化传输能量并不完全适合WSNs，为此提出最大化生存时间路由协议，根据节点剩余能量与链路发送数据能量要求定义代价函数，利用网络流建模，采用线性规划方法来解决最大生存时间问题，但该算法假定事先知道各个节点的数据产生速率，实际应用时有很大的局限性。

Sadiya等[2]提出利用节点按指定的调度方法打开或关闭传输数据，以及对节点的能量功率进行管理来提高网络的寿命和稳定性。这种方法可以有效地节省网络节点能量，但对网络能量均衡消耗的控制不大理想。

最小能耗路由和单纯能耗均衡路由都不能使网络稳态寿命最大化，本文提出一种新的无线传感器网络跨层能耗均衡路由协议(cross-layer energy balanced routing protocol in wireless sensor networks，CEBR)，该协议在最小代价路由协议[11]的基础上进行改进，综合考虑节省网络能量和均衡网络能耗，以最大化网络稳态寿命为优化目标。

1　网络能耗均衡性能的定义和计算

网络能耗均衡性能用网络节点能耗均衡差异性来衡量，能耗均衡差异越小，能耗均衡效果越佳。假设以基站为中心，以单跳通信距离划分圆环区域，设节点i(i=1,2,…,n，n为网络节点总个数)的剩余能量为Eremain_i。

定义1第k层环区能耗均衡性能Pring_k为该层环区节点的剩余能量均方差，即

(1)

定义2综合环区能耗均衡性能Ptotal为各层环区能耗均衡性能之和，即

(2)

其中hopmax为网络当前拓扑路径的最大跳数。

定义3网络能耗均衡性能Pnetwork定义为网络所有节点剩余能量的均方差，即

(3)

2　无线传感器网络跨层能耗均衡路由协议

2.1协议框架

本文提出一种新的无线传感器网络跨层能耗均衡路由协议(CEBR)，该协议在最小代价路由协议(MCF协议)[8]的基础上进行改进，综合考虑节省网络能量和均衡网络能耗，以最大化网络稳态寿命为优化目标。CEBR路由协议总体设计如图1所示。

图1　CEBR路由协议总体设计框图

2.2优化目标

以下从分析改进MCF路由协议的优化目标入手，逐步演化出CEBR路由协议的优化目标。

(4)

对于MCF路由协议，当网络部署后，各节点的最小能耗路径是固定不变的，没有备选路径，会使通信量分担不均衡，容易导致最小能耗路径上的节点因转发过多的数据包而使能量耗尽，在路径上出现能量空洞，造成连通网络的分割，严重时会使得大部分生存下来的节点不能相互通信，网络生命周期结束，而同时网络中还遗留大量未被充分利用的能量资源，网络能量利用率低。

(5)

式(5)中的α参考MCF协议的式(4)来实现，归一化：

(6)

(7)

式(7)的β可让路径中能量剩余不多的父节点的路径转发费用明显上升，避免能量不足的父节点过度能量耗尽，将流量调节到其他能量充足的路径上。

式(5)中的μi,lm表示为节点i在路径lm上的全局流量调节因子，用于以大范围全局调节各路径簇热点节点的数据流量。

(8)

2.3路由的具体实现

CEBR协议考虑了备选路径，并在路由建立过程中向全网注入自适应改变的全局流量调节因子，以大范围全局调节各路径簇热点节点的数据流量，延长网络寿命，具体过程描述如下：

1) 基站路由建立

基站定期向整个网络广播路由建立信息，其路由建立过程见算法1。

算法1基站路由建立过程

① 当第k个周期T到来时，基站开启路由建立过程，如果是第1个周期路由建立，则跳到第②步，否则，跳到第③步执行。

② 基站维护路由建立信息包REP(route establishment packet)，REP包里的全局流量调节因子μREP初始为1，然后跳到第④步执行。

④ 路由建立信息包REP里的路径跳数hopREP设为0，路径能耗初始为0，包周期TREP=k，向整个网络广播，广播通信半径为R0。

2) 节点路由建立

为避免最小能耗路由协议总是选择最小能耗路径转发数据包，从而导致该路径中节点负载过重，能量过早耗尽，CEBR协议适当产生备选路径，提供冗余路由选择，以均衡网络各路径的能耗。在节点路由建立过程中，选择跳数、路径能耗作为代价尺度来生成网络的拓扑路径和各节点的路由表，并使用全局流量调节因子以平衡网络的能量消耗与寿命，见算法2。

算法2节点路由建立

① 当节点i收到节点p广播的路由建立信息包REP时，判断REP包是否为新一轮周期的第1个到达包，如果是，则清空路由表RTi{li,*,{sti}}的备选路径集{sti}和最优路径li,*，在清空之前记录好该节点i前一轮的数据流量总数fi,total：

(9)

(10)

式(9)和式(10)中：di,lm为节点i在路径lm上与父节点的通信距离；fi,lm为前一轮选择路径lm转发的数据流量。

② 处理和标识REP包新路由。首先将包的跳数hopREP增1，标识REP包的路径为lm，根据接收REP包时的RSSI值计算与节点p的通信距离di,lm，然后根据产生的通信和处理能耗计算该路径能耗Ei,lm。

③ 最优路径发现与路由表构建。如果REP包的路径lm比节点i的原最优路径li,*优，则当选为最优路径，否则作为次优路径，存入备选路由表，不广播次优路径，简单丢弃处理，跳到第⑧步结束算法。判别REP包的路径lm是否比节点i的原最优路径li,*优的步骤如下：按权重从高到低依次比较min(hoplm,hopli,*)，min(Ei,lm,Ei,li,*)和min(di,lm,di,li,*)，取小的值为优。

④ 更新最优路径的全局流量调节因子。如果是首轮路由建立，则新的最优路径全局流量调节因子μi,lm=μREP，跳到第⑦步继续执行。不是首轮路由建立，则节点i是第1跳节点，即hopREP=1，跳到第⑤步执行；否则，新最优路径μi,lm=μREP，跳到第⑥步执行。

(11)

⑥ 识别当前节点是否是新发现最优路径的瓶颈节点。计算与该路由建立信息包ERP里的瓶颈节点HN的流量能耗综合比率之比αi,lm：

(12)

如果αi,lm≤1，说明节点i的前一轮流量能耗综合比率不大于新最优路径的当前瓶颈节点HN的前一轮流量能耗综合比率，节点i不是该新最优路径上的瓶颈节点，则ERP包的全局流量调节因子μREP不变。

(13)

⑦ 更新并广播新最优路径的ERP包。更新路由建立信息包ERP里的父节点PNi,lm为当前节点i，并记录该节点的剩余能量，然后广播出去。

⑧ 算法结束。

3) 节点路由选择

在数据传输阶段，基站接收到数据包时，更新转发该数据包的第1跳节点i的当前轮流量总数flowi++、剩余能量，根据RSSI值计算并记录与该转发节点i的通信距离，以方便在路由建立过程中计算全局流量调节因子。

3　仿真实验与比较

3.1仿真环境配置

使用NS2和Matlab对CEBR和MCF路由协议的性能分别进行仿真和分析比较。网络仿真区域大小为300×300，基站Sink节点位于区域中心，坐标为(0,0)。假设除基站Sink外，所有节点同构、支持双信道、使用全向天线、部署后静止、初始能量相同。仿真环境参数配置见表1所示。

表1　仿真环境参数配置

3.2仿真与分析

如图2为随机部署在300×300区域中200个节点组成的网络，连接节点间的实线是MCF路由协议生成的最小能耗拓扑路径，虚线是CEBR路由协议产生的备选路径。

图2　非均匀分布网络

图3为比较路由协议在图2分布下的网络能耗均衡差异性随网络轮数的变化情况。图中显示轮数在由小变大过程中，网络能耗均衡差异性越大，网络节点的能量消耗越不均衡，而改进的 CEBR 协议的网络能耗均衡差异性明显优于MCF。CEBR 协议的网络能耗均衡差异性较MCF协议平均每轮降低了23.85%，单轮内最多降低了40.63%。

图3　不同路由协议的网络能耗均衡差异性比较

图4为不同路由协议在图2分布下的当MCF协议稳态寿命结束时的网络能量消耗曲面对比，越靠近中心Sink基站，能量消耗越多，这是流量汇聚效应引起的。其中CEBR协议的网络能量消耗曲面相对MCF协议的较平整，即能耗较均衡；而MCF协议的网络能量消耗曲面凹凸明显，显示其中心基站的周边节点能量消耗过快且极不均衡，热区范围大，稳态寿命低。

图4　不同路由协议的网络能量消耗曲面

不同路由协议的稳态寿命和非稳态寿命见表2和图5，由此可见改进后的CEBR稳态寿命比MCF协议延长88.73%。CEBR协议不仅均衡大部分非热点节点的能耗，同时使用路径全局流量调节因子μi,lm以大范围调节流往各路径簇热点节点的流量，均衡热点节点的能耗以延长网络的稳态寿命。

表2　不同路由协议的网络寿命

图5　不同路由协议的网络寿命比较

4　结束语

本文提出一种新的无线传感器网络跨层能耗均衡路由协议，其核心思想是：在最小代价路由协议的基础上进行改进，建立一个跨层能量管理模型，将网络各层的能耗、流量、非均匀特性等融合到路由建立、路由选择和路由维护中，综合考虑节省网络能量和均衡网络能耗，以最大化网络稳态寿命为优化目标，设计节点路由选择与基站全局调节相结合的双层规划的跨层能耗均衡路由协议。实验结果表明：本路由协议优化了网络各节点的能量均衡消耗，较好地解决了能量空洞问题，同时显著地延长了网络的稳态寿命。

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(责任编辑杨文青)

Cross-Layer Energy Balanced Routing Protocol in Wireless Sensor Networks

FANG Neng-pei

(Gaozhou Normal College, Guangdong University of Petrochemical Technology,Maoming 525000, China)

Based on improving minimum cost forwarding routing protocol, a new cross-layer energy balanced routing protocol (CEBR) was designed for wireless sensor networks. CEBR protocol used a model of cross-layer energy management and a two-tier approach combined route selection of node and global regulation of base station. In order to prolong the lifetime of a sensor network, the proposed routing protocol optimized energy consumption at each layer, and integrated energy consumption information, data flow, non-uniform features of each layer into the process of route establishment, route selection and route maintenance, which optimized the control of network energy consumption and used multiple paths to support flow balance. The simulation results show that the improved CEBR routing protocols are better than MCF routing protocols in balancing energy consumption and prolonging network lifetime.

energy balance; wireless sensor network; cross layer; routing protocol

2016-03-27

国家科学技术部星火计划项目(2012GA780062)；广东省学科建设专项资金项目(2012LYM_0032)

房能沛(1985—)，男，广东英德人，硕士，主要从事无线传感器网络与物联网研究，E-mail:fangnengpei@163.com。

format：FANG Neng-pei.Cross-Layer Energy Balanced Routing Protocol in Wireless Sensor Networks[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(10):122-128.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.10.019

TP393

A

1674-8425(2016)10-0122-07

引用格式：房能沛.无线传感器网络跨层能耗均衡路由协议[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2016(10):122-128.