基于虚拟引力的WSNs路由协议设计与实现*

毛科技， 徐 慧， 方 凯， 陈庆章

(浙江工业大学 计算机科学与技术学院，浙江 杭州 310023)

基于虚拟引力的WSNs路由协议设计与实现*

毛科技， 徐 慧， 方 凯， 陈庆章

(浙江工业大学计算机科学与技术学院，浙江杭州310023)

数据采集是无线传感器网络(WSNs)主要功能之一，大规模的传感器网络采集并回收数据时容易出现节点负载不均衡，导致负载重的节点过早死亡。为了延长传感器网络的生存时间，本文提出了一种基于虚拟力的分簇路由协议(CRPVG)，选取合适的节点出任簇首；根据簇首与普通节点的虚拟引力大小进行分簇；通过簇首之间多条传输将采集的数据包发送至基站节点。实验结果表明:提出的分簇路由协议在能耗均衡方面起到了较好的作用，延长了网络的生存时间。

无线传感器网络； 分簇路由协议； 能量均衡； 虚拟引力

0 引 言

数据采集是无线传感器网络(wireless sensor networks,WSNs)主要作用之一，如监测环境信息、监测工厂附近污染物的扩散等[1,2]。然而传感器网络需要采集转发大量的数据，容易导致某些节点负载过重，能量消耗过快，最终导致传感器网络的过早死亡，因此,研究能耗均衡的路由协议有着重要的意义[3～6]。

在分簇路由协议方面的研究如比较有代表性的低功耗自适应分簇路由协议[7](low energy adaptive clustering hierarchy，LEACH)，该协议首先利用随机数随机选取簇首，进行分簇，簇首节点将簇成员节点采集的数据单跳发送至基站，LEACH路由协议随机选取簇首，并不能避免传感器网络局部“过热”问题，而且簇首单跳将数据发送至基站对传感器节点硬件的要求较高，不适用于普通大型的传感器网络。针对LEACH路由协议随机选取簇首存在的缺陷，文献[8～11]均进行了改进，在簇首选取过程中综合考虑了节点的剩余能量以及节点与其他节点的链路质量等因素，较好地解决了LEACH路由协议存在的问题。文献[12]提出了非均匀分簇的大小(unequal clustering size，UCS)路由协议，利用簇首的期望转发负荷控制成簇规模，实验结果表明该路由协议能够较好地均衡网络负载，达到延长网络生存时间的目的。文献[13]提出了一种基于粒子群优化(particle swarm optimization，PSO)算法的路由协议，该协议利用PSO算法优化簇首。文献[14，15]提出的路由协议均以网络能耗为中心开展研究。文献[16]提出了一种分布式能量均衡非均匀分簇(distributed energy-balanced unequal clustering，DEBUC)路由协议，该协议通过距离基站的距离，为簇首候选节点分配不同的竞争半径,从而控制簇规模的大小。

目前，路由协议在分簇过程中很少考虑其合理性，在簇首多跳传输方面未全面考虑能耗均衡问题。本文提出了一种基于虚拟引力的分簇路由协议(clustering routing protocol based on virtual gravity,CRPVG)，在成簇阶段，综合考虑节点的剩余能量、节点与簇首节点间的信号强度，计算普通节点与其相邻簇首节点间的引力，根据引力值选择加入某个簇。分簇结束后，簇成员节点将数据包通过一跳的形式传输至簇首节点，最后簇首之间多跳将数据包传输至基站。

1 节点通信能耗模型

本文采用文献[17]的节点通信能耗模型，发射数据包与接收数据包能耗模型如式(1)、式(2)所示。传感器节点的能耗主要包括发射电路的能耗、信号放大电路的能耗和接收电路的能耗

Etx=k×Ee+k×εamp×d,

d≤dct=2,d>dc,t=4

(1)

Erx=k×Ee

(2)

式中Etx为发射总能耗；Erx为接收总能耗；Ee为发射和接收电路处理1 bit数据消耗的能量；k为发送或接收数据包的大小，bit；εamp为信号放大电路的放大倍数；d为节点间通信距离，dc为临界距离，如式(3)所示

(3)

式中L为损耗因子，L≥1；hr和ht分别接收节点和发送节点天线与地面的高度；λ为载波波长，可根据传感器节点的频率计算。

2 分簇过程

2.1 簇首选举

首先基站向传感器网络节点广播信标帧，利用洪泛法为每个节点建立邻居节点列表，如文献[17]中的方法。如传感器节点i的邻居节点列表中包括邻居节点j的剩余能量Ej、节点i与节点j之间的信号强度RSSIij、节点i距离基站的最短跳数Hi以及链路质量LQIij，每个传感器节点i可获得其自身的剩余能量Ei。

传感器网络中每个节点均根据其自身的邻居节点列表信息计算其成为簇首的权重值wi，如果传感器节点i的权重值wi是其通信范围内的最大值，则该节点出任簇首。wi值的计算综合考虑了节点剩余能量、节点与邻居节点的链路质量以及信号强度值，如式(4)所示

(4)

式中α，β为常数，α+β=1;s为邻居节点的数量；LQImax为链路质量的最大值。wi值越大，表明节点i的剩余能量和与邻居节点j的通信链路质量均比较优秀，成为簇首的可能性越大。

2.2 虚拟引力分簇

如图1所示，C1，C2表示簇首传感器节点，n1，n2表示普通传感器节点，假设节点n1与簇首C1的虚拟引力为F1，与簇首C2的虚拟引力为F2，且F2>F1，则C1对n2的引力F3大于C2对n2的引力F4，因此，普通传感器节点n2加入簇首C1对应的簇。

图1 虚拟引力

本文提出的虚拟引力与节点间的信号强度、节点的剩余能量相关，具体计算如式(5)所示

(5)

式中Em为簇首节点m的剩余能量；En为普通传感器节点n的剩余能量；RSSImn为簇首节点m与普通传感器节点n之间的信号强度(RSSImn<0)。当Em越大，则其对普通节点n的虚拟引力越大，则能够构建规模较大的簇。当簇首节点m与普通节点n之间的信号强度的平方越小时，表明节点m与n的距离越近，此时虚拟引力越大，越容易加入簇首m对应的簇，节点n与簇首m的距离越近，通信能耗越小，因此，选择距离其较近的簇首节点。

3 簇首多跳传输

完成网络簇首的选择和传感器节点分簇后，簇成员传感器节点将采集的数据通过一跳形式发送至簇首节点，簇首节点收到数据后进行数据整合压缩，然后将压缩后的数据包通过簇首间多跳发送至基站。由于分簇后簇首与簇首之间的距离增加，因此，传感器节点被选举为簇首后立即将自身的通信半径r调整为γ·r，γ>1。

簇首一方面需要采集并转发其簇首成员的数据包、同时还需要接收并转发其他簇首发送的数据包，因此，簇首的能耗非常重要，倘若某条路由路径上的簇首转发负载过重，则该路径中的簇首节点容易提早死亡，对传感器网络的伤害非常大，因此，簇首多跳传输过程中主要考虑簇首之间能耗均衡性问题。

为了均衡簇首之间数据包转发的能耗，设计簇首之间转发消息的代价函数，如式(6)所示

(6)

式中a，b为常数，且a+b=1；E0为传感器节点的初始能量；Ecj为簇首节点cj的剩余能量；Hcj为簇首节点cj距离基站的最短跳数；Hmax为网络中传感器节点距离基站的最大最短跳数。当节点ci需要发送数据时，其根据其邻居节点列表中的相关信息计算邻居簇首节点cj作为簇首ci下一跳转发节点的代价。簇首ci会选择代价最小的邻居簇首节点cj作为其下一跳转发节点。

根据代价函数可知，当某个簇首节点cj经常为簇首节点ci转发数据包时，其剩余能量Ecj会降低，从而转发代价会增加，簇首节点ci会自动选择其他簇首节点作为其下一跳转发节点。因此，本文设计的代价函数能够较好地发挥簇首间能耗均衡的作用。

4 实 验

传感器网络部署区域为500 m×500 m，在区域中随机部署700个传感器节点，初始时刻传感器节点的通信半径r=25 m，节点被选举为簇首后，簇首的通信半径自动调整为2r。传感器网络定时采集数据，采集450次数据后重新选择簇首并且重新分簇，完成一轮簇首选举。网络各项参数设置如下：Ee为50 nJ/bit;如果d

4.1 网络剩余能量的均值与方差

传感器节点的剩余能量均值如图2所示。

图2 传感器网络剩余能量均值

实验结果表明:本文提出的路由协议CRPVG的剩余能量均值高于LEACH路由协议，由于LEACH路由协议要求簇首将数据包直接发送至基站，而簇首距离基站较远，要求额外的远程通信硬件设备工作，该过程会消耗大量的能量；而CRPVG路由协议中簇首将簇成员的数据包进行整合并通过多跳传输至基站，不必消耗额外的能耗；基于Dijkstra的最短路径路由协议未选举簇首，传感器节点采集数据后通过节点间多跳将数据传输至基站，该过程中需要大量的传感器节点参与传输，消耗了较多的能量，因此，传感器网络剩余能量均值最低。

传感器节点的剩余能量方差如图3所示。

图3 传感器网络剩余能量方差

当簇首选举轮数小于2时， CRPVG路由协议和LEACH路由协议的网络剩余能量方差均大于基于Dijkstra的最短路径路由协议。在初始时刻，本文提出的CRPVG和LEACH路由协议成簇过程中消耗能量不均衡，导致了方差大于基于Dijkstra的最短路径路由协议。随着传感器网络的运行，CRPVG能够较好地均衡网络的能耗，因此方差最小；其次为LEACH分簇路由协议的方差，而基于Dijkstra的最短路径路由协议方差最大。因为随着网络的运行，最短路径路由协议不会根据链路中节点能量的消耗而动态调整链路路径，所以某些链路能量消耗大，网络的剩余能量方差最大。

4.2 传感器网络死亡节点数量

传感器网络中死亡节点的数量与簇首选举轮数的关系如图4所示。

图4 死亡节点实验

实验结果表明：CRPVG路由协议最晚出现死亡节点，而基于Dijkstra的最短路径路由协议最早出现死亡节点，且传感器网络运行在同一时刻，最短路径路由协议出现死亡节点的数量最多，而CRPVG路由协议出现死亡节点的数量最少，因为本文提出的CRPVG路由协议具有较好的能耗均衡性，而最短路径路由协议并不能动态地选择路由路径，因此，出现了上述实验结果。

5 结 论

提出了一种基于虚拟引力的分簇路由协议，综合考虑节点剩余能量、节点与相邻节点的链路质量选举簇首，然后利用虚拟引力进行普通节点入簇，最后簇首间以多跳的形式将数据包发送至基站。实验结果验证了提出的路由协议能够较好的均衡网络的能耗，而且该路由协议没有过高的软硬件条件，适用于普通的传感器网络。

[1] 董梦梦,王 翥.面向机场环境监测的 WSNs组网技术[J].江苏大学学报: 自然科学版,2016,37(5): 578-584.

[2] 魏 东,全 元,王辰星,等.国家大型煤电基地生态环境监测技术体系研究——以内蒙古锡林郭勒盟煤电基地为例[J].生态学报,2014,34(11): 2821-2829.

[3] 曹 健,王兴伟,张金宏,等.数据驱动的信息中心网络认知路由协议[J].计算机研究与发展,2015,52(4):798-805.

[4] Zheng B,Cui B T.A routing protocol for WSNs based on chaotic PSO and ant colony algorithm[J].Electronic Design Engineering,2015,45(5):706-715.

[5] Brar G S,Rani S,Chopra V,et al.Energy efficient direction-based PDORP routing protocol for WSNs[J].IEEE Access,2016,4:3182-3194.

[6] Zhu J,Liu J,Hai Z,et al.Research on routing protocol facing to signal conflicting in link quality guaranteed WSNs[J].Wireless Networks,2016,22(5):1739-1750.

[7] Heinzelman W R,Chandrakasan A,Balakrishnan H.Energy-efficient communication protocol for wireless microsensor networks[C]∥2000 Proceedings of the 33rd Annual Hawaii International Conference on System Sciences,IEEE,2000: 10.

[8] 白永祥.一种LEACH路由协议算法的改进与分析[J].通信技术,2015,48(9):1062-1067.

[9] Heinzelman W B,Chandrakasan A P,Balakrishnan H.An application specific protocol architecture for wireless microsensor networks[C]∥IEEE Transactions on Wireless Communication,2002:660-670.

[10] Mehmood A,Lloret J,Noman M,et al.Improvement of the wireless sensor networks lifetime using LEACH with vice-cluster head[J].Ad Hoc & Sensor Wireless Networks,2015,28(1):1-17.

[11] Arumugam G S,Ponnuchamy T.EE-LEACH: Development of energy-efficient LEACH protocol for data gathering in WSNs[J].EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking,2015,2015(1):1-9.

[12] Soro S,Heinzelman W B.Prolonging the lifetime of wireless sensor networks via unequal clustering[C]∥Proceedings of the 19th IEEE International Parallel and Distributed Processing Symposium,IEEE,2005:8.

[13] Latiff N M A,Tsimenidis C C,Sharif B S.Energy-aware clustering for wireless sensor networks using particle swarm optimiza-tion[C]∥IEEE International Symposium on Personal,Indoor and Mobile Radio Communications,IEEE,2007:1-5.

[14] 王改云,胡锦艳.基于簇的路由协议比较[J].传感器与微系统,2016,35(4):4-7.

[15] 何燕清,邓华秋.基于能量梯度改进的GPSR协议[J].传感器与微系统,2016,35(12):44-47.

[16] 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,2012,34(5):1222-1232.

[17] 周 雪,朱小明,陈立建,等.基于停车诱导系统的能量均衡可靠路由协议的设计[J].传感技术学报,2015,28(9):1408-1417.

DesignandrealizationofWSNsroutingprotocolbasedonvirtualgravity*

MAO Ke-ji, XU Hui, FANG Kai, CHEN Qing-zhang

(CollegeofComputerScienceandTechnology,ZhejiangUniversityofTechnology,Hangzhou310023,China)

One of the main uses of wireless sensor networks(WSNs) is data acquisition.Large-scale sensor networks are prone to load imbalance in nodes when collecting and reclaiming data,which leads to premature death of heavy load nodes.In order to prolong the survival time of the sensor network,propose a clustering routing protocol based on virtual gravity(CRPVG).The protocol chooses appropriate nodes as cluster head,and according to size of the virtual gravity of cluster head and normal nodes for clustering,send collected data packets to the base station nodes through multiple transmission between cluster head nodes.The experimental results show that the proposed clustering routing protocol can play good role in energy balance and prolong the survival time of the network.

wireless sensor networks(WSNs); clustering routing protocol; energy balance; virtual gravity

10.13873/J.1000—9787(2017)12—0098—04

TP 212

A

1000—9787(2017)12—0098—04

2017—10—13

国家自然科学基金资助项目(61379023)；浙江省公益性技术应用研究计划项目(LGG18F020018)

毛科技(1979-)，男，博士，副教授，硕士生导师，主要从事物联网技术，大数据分析相关方面的研究工作，E-mail:maokeji@zjut.edu.cn。陈庆章(1955-)，男，博士，教授，博士生导师，主要从事无线传感器网络相关研究工作，E-mail:qzchen@zjut.edu.cn。