基于移动sink节点的WSN节能路由协议

张玉兰　郭晓惠

【摘 要】针对无线传感器网络中能量消耗不均引起的热区问题，提出一种基于移动sink节点的WSN节能路由协议MSERP，将整个网络分成若干个虚拟网格，根据节点剩余能量和到网格重心距离选举簇头。通过PSO算法来确定sink的下一个移动位置，粒子适应值函数由簇头到sink节点的距离和sink节点周围簇头能量因素定义。仿真结果表明，该协议有效地解决了热区问题，提高了网络的生存周期。

【关键词】无线传感器网络；热区问题；移动sink节点；PSO算法

中图分类号： TP212.9 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2017）26-0010-002

Based on the Mobile Sink Node of WSN Energy-efficient Routing Protocol

ZHANG Yu-lan GUO Xiao-hui

（School of Computer Engineering，Chongqing College of Humanities， Science & Technology， Chongqing 401524， China）

【Abstract】WSN energy-efficient routing protocol based on a mobile sink node of （MSERP） was proposed in this paper. The whole network was divided into some virtual unit，which choose cluster heads according to the residual energy and the distance of a node and a virtual unit of center. The next stay the best location of the sink is determined by PSO algorithm. The definition of the fitness function of particle is based on two factors： the distance of cluster heads to sink and the energy of cluster heads around the sink. Simulation results demonstrate that the protocol can efficiently solve the hot spot problem and prolong the network lifetime.

【Key words】Wireless Sensor Networks （WSN）； Hot spot problem； A mobile sink； PSO algorithm

0 引言

傳统的无线传感器网络分簇算法，sink保持静止，距离sink越近的节点由于需要转发更多的数据而过早死亡，容易出现“热区”问题。分簇算法中较为典型的有LEACH、HEED、PEGASIS等。为了解决“热区”问题，延长网络生存周期，提出了一系列策略，如非均匀分簇路由协议[1]。然而，由于sink节点保持静止，周围的节点没有改变，不能在根本上解决该问题。针对以上情况。Luo等人[2]提出了引入移动的sink节点，连续改变sink节点周围的节点避免“热区”。根据 sink节点移动路径的确定性大致可以分为三类：随机移动策略[3]，sink节点随机选择下一个移动位置，但sink节点频繁的广播位置信息，导致能量消耗较大；sink节点按照预先设定好的路径移动[4]，虽然降低网络的能耗，但不合适大规模网络的应用；sink动态选择移动路径策略[5]，根据网络中的某些参数决定sink的下一个移动位置，但算法较为复杂。

本文提出基于移动sink节点的WSN路由协议（MSERP）解决热区问题。本协议把网络划分为若干个虚拟单元，通过PSO算法确定sink下一个移动位置，利用sink的移动性，从而平衡了网络的能耗，延长网络生命周期。

1 算法描述

1.1 PSO算法

粒子群优化算法是一种基于群智能方法的演化计算技术。假设在D维空间中位置表示为向量第i个粒子经历过的最佳位置为向量Pi=（pg1，pg2，…，pgd），每个粒子飞行速度为向量Vi=（vi1，vi1，…vid），i=1，2，…，m，所有粒子经历的最佳位置为Pg=（pg1，pg2，…，pgd），每一代粒子根据公式（1）更新速度：

vid=wvid+c1r1（pid-xid）+c2r2（pgd-xid）（1）

式中，w为惯性系数；c1和c2为学习因子；r1和r2是[0，1]之间的随机数。

1.2 MSERP算法

将整个无线传感器网络划分为有唯一ID编号的虚拟单元格，即簇。选取区域的重心坐标（Xg，Yg）担任每个虚拟单元格节点簇头。 该坐标满足单元格内的任意节点到它的距离之和最小。

簇头的评判模型定义为：

f=βf +φf +？酌f ，first round；？鄣f +βf +φf +？酌f ，otherwise.（2）

其中：fe反映能量对节点担任簇头的重要程度；fd反映了节点到网格重心的距离对节点担任簇头的重要程度；参数fn和fen进一步避免网络陷入“热区”问题。

簇头选举具体过程如下：（1）网络初始化，完成网络的划分，每个节点计算出所属的网格号；（2）根据（5）完成簇头的选举。每个网格选择 值最大的节点担任簇头；（3）每轮完成时，每个节点把剩余能量发送到簇头，簇头根据（5）选举下一轮簇头。endprint

2 sink节点移动过程

网络在完成分簇和簇头的选择后，各个簇头发送能量信息和所在 编号到sink节点。接着判断是否满足sink节点的移动条件，若满足执行PSO算法，确定sink节点的下一位置；若不满足条件，则sink的位置保持不变。

2.1 sink节点移动条件

基于每个簇头的能量信息，sink 计算整个网络所有簇头的能量平均值。sink节点移动条件：sink节点周围簇头（到sink节点一跳）的能量低于整个网络平均簇头的能量。

2.2 sink位置的确定

本文协议应用PSO算法来最优化sink节点位置，提高网络的寿命。sink节点下一位置应满足，所有簇头到sink节点的距离之和及方差最小；sink节点周围簇头能量之和最大且方差最小。

sink节点执行PSO 算法确定下一个停留位置，目标函数定义为：

cost=？鄣1f1+？鄣2f2+？鄣3f3+？鄣4f4（3）

式中：所有簇头到sink节点的欧氏距离之和为f1，方差为f2；f3为当前所有节点能量之和除以sink节点周围簇头的能量之和；f4为sink周围簇头能量方差；？鄣1+？鄣2+？鄣3+？鄣4=1。最小的函数值即为sink节点的下一个最佳位置。

sink移动算法具体步骤：（1）初始化Q个粒子，每个粒子代表sink节点可能的下一个位置；（2）运用式（3）-（7）计算粒子适应值；（3）确定每个粒子最优解和种群的的最优解；（4）利用式（1）更新粒子的速度和位置；（5）根据上一次sink节点的位置调整粒子位置；（6）重复步骤（2）-（5），至最大循环次数。

2.3 sink节点信息发布

sink节点移动到确定的位置后，发布它的位置信息到所在单元格的簇头，然后由该簇头转发给其他簇头。sink节点位置更新避免了洪泛过程，有效的节约了能量。稳态阶段簇头首先完成簇内数据采集、融合的任务，然后经簇间多跳路由传递数据至sink节点。

3 能量模型

3.1 无线通信能耗模型

本文采用一阶无线通信模型，无线通信模块具有功率控制能力，能够以最小的能量将数据发送给希望的接收者。在保证合理信噪比条件下，节点发送数据能耗如式（4）：

EIx（k，d）=E ×k+E ×k×d d

其中：k为发送的二进制位数；d为发送距离；d0位发送距离门限值；Eelec为射频能耗系数；Efs和Eamp为不同信道传播模型下的功率放大电路能耗系数。节点接收数据能耗如式（5）：

ERx（k）=Eelec×k（5）

3.2 数据融合模型

数据融合模型假设为：簇头接收每个节点发送的kbit数据，无论簇内节点数目多少，均压缩为kbit数据。数据融合的能耗设定为ED=5nJ/bit。

4 仿真分析

为了验证本文提出的协议的有效性，利用MATLAB生成了100节点随机部署在100m×100m范围内。仿真中对比了EBRP，DCSR和MSERP三种协议。

图1为这3种协议的节点死亡对比图。从该图中可以看出：MSERP协议的网络寿命长于EBRP和DCSR。EBRP和EBRP协议在1000轮时开始出现节点死亡。而MSERP协议在1500附近才开始有节点死亡，说明本协议的能耗更加均匀。3种协议在1700轮时， MSERP协议节点死亡分布均匀，而EBRP和DCSR死亡节点集中，出现了“热区”问题。在使用移动sink节点3种策略中，DCSR由于协议按照固定路径移动，路径附近节点死亡较多；EBRP由于随机移动，路线不够合理，会出现部分节点过早死亡。

5 结论

本协议通过对网络划分和簇头选择，应用PSO算法对sink节点位置进行优化，通过一群粒子在解空间中逐代搜索，寻找sink最优位置。仿真实验证明，与EBRP和DCSR协议相比，该协议能够有效均能网络能耗，降低节点死亡速度，从而提高网络寿命。

【参考文献】

[1]黄廷辉，伊凯，崔更申，等.基于非均匀分簇的无线传感器网络分层路由协议[J].计算机应用.2016，36（1）：66-71.

[2]Luo J，Huang J P，Joint Mobility and R-outing for Lifetime Elongation in Wir-eless Sensor Networks[C]//Pro-ceedings IEEE information 2005， Miami， FL， United- states. 2005， 3：1735-46.

[3]钟智，罗大庸，刘少强.具有移动sink的无线传感器网络能量均衡分簇路由协议[J].控制与决策.2012，27（8）：1211-1115.

[4]郭剑，孙力娟，许文君.基于移动sink的无线传感器网络数据采集方案[J].通信学报.2012，33（9）：176-184.

[5]林志贵，王玺，赵可.带移动sink节点的WSN节能路由算法[J].计算机科學.2014，41（11）：199-203.