基于能量的无线传感器网络路由策略研究

滕 文

（陕西国际商贸学院信息与工程学院 西安 712000）

1 引言

无线传感器网络，是随着通信技术、分布式信息处理技术、嵌入式计算技术和传感器技术的快速发展而产生［3～4］。由在被监控区域中密集部署的大量微型传感器节点组成的，能够实现协作地感知，数据采集，以及对覆盖区域中的环境、监测对象的信息进行处理，这些信息用无线发送，经过自组织、多跳的网络方式被送到用户终端，从而使人类社会、物理世界以及计算机世界互相连通［2］。

传感器网络有多种优点，如避免人工采集数据，价格更便宜，使部署更快捷，能够扩大覆盖面积，具有较低的功耗等特点［1］。这种网络可能应用在多种情况下，例如控制办公楼环境，在自动化制造环境对机器人进行控制和指导，交互式玩具，提供安全、身份识别和个性化的智能家居，以及交互式博物馆。

2 无线传感器网络模型介绍

在传感器网络中，网络模型是一个基本的问题，能够反映了固定区域网络的感知服务质量［7］。它在传感器网络某些问题的解决上影响重大，例如协调信息处理、组网和提高生命周期等系列问题［6］。好的网络模型能够优化空间资源的分配，能够更好地处理环境的感知和获取数据信息，并更有效地传输数据。本论文设计了两种网络模型，即规则网络模型和随机网络模型。

2.1 规则网络模型

规则网络模型位于一个二维平面内［11］，传感器节点规则排列，具体实现为

1）设置一个起始节点S，其坐标为（xs，ys）；

2）依次设置后面99个节点，i代表节点编号，则节点的坐标为

规则模型的缺点在于过于理想化，在实际的部署中，传感器节点多采用飞机投放，实际形成的网络受实际环境的影响很大，不容易达到理想效果。

2.2 随机网络模型

随机网络模型将传感器节点随意放置在被观测环境中。在代码中实现为给每个节点生成位于被观测范围内的随机横纵坐标。随机网络模型与现实中的情况更加接近。

在一个10m×10m的二维平面内，将100个无线传感器节点随机放置。节点的通信半径为r，节点可以通过GPS装置获取自身的位置信息和在同一传感器网络中所有其他节点的位置信息，并通过计算添加在自己通信范围内的节点为邻居节点［5］。

设节点M的坐标为（xm，ym），节点N的坐标为（xn，yn），根据距离公式可得：

如果dm。n≤r，则节点N为节点M的邻居节点，当所有节点添加完邻居节点，传感器网络建立成功。传感器网络模型是根据传感器节点的初始部署位置决定的。传感器网络模型是对处于实际空间中，传感器节点之间的几何映射关系的描述，而准确规则的网络模型可以使传感器网络的覆盖质量得到更精确的估计，也使得传感器网络的空间资源得到更优化的分配［7］。

3 无线传感器网络路由策略设计

3.1 路由算法性能度量

用于评估路由的性能度量是协议非常重要的一个部分。根据度量，可以明显改变协议的特征。如前面提到的，该度量可以包括网络拓扑结构、关于使用路径的成本信息、沿路径的节点的能量状况等［8］。在上文中规定传感器网络建立后，传感器网络的生命周期为网络开始工作到网络中有一个传感器能量耗尽时结束。本实验仿真的是在无线传感器网络中不断生成R个包并发送包，直至有一个节点能量耗尽时，网络失效。在编程模拟实验中，整个传感器网络的总能量为E，Ei表示节点I的能量，ki表示节点I的度，N表示一个传感器网络里的节点总数，则节点I的初始能量分配如下：

β是加权因子，当β=0时，节点被平均分配初始能量，当 β=1时，先计算出所有节点的度的总和，然后根据自己的度占总和的比例分配能量。当β取其他值的时候，节点依然根据度来进行初始能量分配。

3.2 路由算法设计

基于能量的路由通过该路径上节点的剩余能量情况及其与目的节点的距离，让每条路径都有被选择的可能性，使整个网络能量被均衡消耗，使网络生存时间延长［11］。在包的传递过程中，包所在节点需要知道它所有邻居的剩余能量和邻居到目的节点的距离，并通过计算邻居节点的通信代价［12］来选择每个下一跳节点。

实际情况中，节点发送数据包在传输路径上消耗的能量与距离成正比，并且考虑到随着传感器网络开始工作，每个节点的剩余能量也会不断变化，为了能够均衡的消耗能量，尽可能的延长网络生存期，节点的下一跳应该有尽可能多的剩余能量并且到目的节点的距离尽可能短，所以规定某个节点的邻居节点代值为

其中k为邻居节点个数，i为邻居节点编号，1≤i≤k，li为编号为i的邻居节点到目的节点的距离，Ei为编号为i的邻居节点的剩余能量。选择加权因子α（0≤α≤1）来找到最大剩余能量路径或者最小距离路径或者两者都有的组合路径。当α=0时，只根据邻居节点的剩余能量选择下一跳；当α=1时，只根据邻居节点到目的节点的距离选择下一跳；当0＜α＜0时，则是同时根据邻居节点的剩余能量和到目的节点的距离选择下一跳。最佳度量对协议的性能可能产生深刻的影响，在后文中会进行进一步的研究和分析。下面介绍两种路由策略：

1）确定路由：当前节点I选择代价值cost最大的邻居节点作为下一跳。

2）概率路由：当前节点I的所有邻居节点根据代价值cost计算区间范围，所有邻居节点的区间范围在0～1之间。系统利用rand（）函数，产生一个随机值rand-num（0≤ rand-num ≤ 1），rand-num分布在哪个邻居节点的区间范围内，则选择这个邻居为当前节点的下一跳［13］。

概率路由具体实现如下：

其中Pi是编号为i邻居节点的区间大小，根据Pi可以算出该节点的区间取值Ri：

3.3 路由算法具体实现

基于能量的路由基本思想是：节点根据加权因子α（0≤α≤1）选择剩余能量最大或者离目的节点距离最近或者两者都有考虑的邻居节点作为下一跳。

输入：无。

输出：当有一个节点能量耗尽时网络的生存时间（T）、网络失效时到达目的节点的包的总数（Q）、到达包在网络中的平均生存时间（AT）。

具体算法步骤如下：

1）根据式（1）或者使用rand（）函数在网络范围内生成100个节点。执行步骤2）；

2）根据式（2）计算当前节点到所有节点的距离，如果有节点在当前节点的通信半径内，就将该节点添加为当前节点的邻居节点，所有节点都按此方式添加邻居节点。执行步骤3）；

3）根据式（3）给每个节点分配初始能量，无线传感器网络建立成功。执行步骤4）；

4）判断α的值，如果α大于1，执行步骤1），否则执行步骤5）；

5）在网络中随机产生R个包，并将这些包插入到源节点的队列中。执行步骤6）；

6）在网络中找既有邻居又有数据包的节点，根据式（4）计算包所在节点的邻居节点的代价值。首先判断目的节点是否为当前节点的邻居节点，如果是，执行步骤7），否则根据式（5）和式（6），找出代价值最大的邻居节点/随机数所在区间对应的邻居节点。

7）然后将数据包传给被选为下一跳的邻居节点。

4 无线传感器网络性能仿真结果及其分析

用C++模拟无线传感器网络的生成和数据传播，以分析、评估本文提出的各种初始能量模型和路由策略。由于路由策略是网络层协议，为了简化模拟过程，假设MAC层协议处在理想状态，并且忽略信道差错，在仿真中也没有加入安全机制。使用Origin对网络性能进行分析。在局部网络中，可能会出现环路或者其他一些不可避免的因素影响最终结果，因此在实验中，我们多次运行程序，希望通过求多个数据的平均值来消除其他因素对实验结果的影响。图1～图2的所有性能参数都是经过100次模拟计算得出的网络性能度量的平均值。图1为当采用概率路由协议时，初始能量平均分配或者按度分配对网络性能的影响。图2为采用确定路由协议时，初始能量平均分配或者按度分配对网络性能的影响。

图1 概率路由下β对网络性能的影响

从图1纵向比较可以看出，平均分配初始能量的网络生命周期远大于按度分配初始能量的网络生命周期，平均分配初始能量网络的生命周期内到达包的总数也远大于按度分配初始能量网络，平均分配能量的到达包在网络中的平均滞留时间大于按度分配初始能量的。依然按照各自最优情况，平均分配初始能量时取α=1，它的T、Q、AT分别为：1000.63、12912.3、146.85；按度分配初始能量时取α=0.2，它 的 T、Q、AT 分别为 ：881.69、7782.62、112.71。平均分配初始能量的网络生命周期比按度分配初始能量的网络生命周期高出13.5%，平均分配初始能量的到达包总数是按度分配初始能量到达包总数的1.66倍，平均分配初始能量的到达包在网络中的平均滞留时间是按度分配初始能量到达包在网络中的平均滞留时间的130.3%

从图2纵向比较可以看出，除α=0时，总体趋势为：平均分配初始能量的网络生命周期远大于按度分配初始能量的网络生命周期，平均分配初始能量网络的生命周期内到达包的总数也远大于按度分配初始能量网络，平均分配能量的到达包在网络中的平均滞留时间小于按度分配初始能量的。按照各自最优情况，平均分配网络初始能量时取α=0.3，它的T、Q、AT分别为：1271.00、29647.50、21.82；按度分配初始能量时取α=0.2，它的T、Q、AT分别为：881.69、7782.62、112.71。平均分配初始能量的网络生命周期比按度分配初始能量高出44.2%，平均分配初始能量的到达包总数是按度分配初始能量的3.81倍，平均分配初始能量的到达包在网络中的平均滞留时间是按度分配初始能量的19.4%。

从图1的数据分析可以看出，平均分配初始能量的网络生命周期和到达包的总数都大于按度分配初始能量，平均分配初始能量虽具备优势，但是平均分配初始能量的到达包在网络中的平均滞留时间却比按度分配初始能量的平均滞留时间长。从图2的数据分析来看，虽然有个别点显示出不同的特征，但是总体上，概率路由和确定路由呈现出同样的特征。平均分配初始能量最具备一定优势，但不是绝对的。仅从延长网络生命周期方面考虑，选用平均分配初始能量优于按度分配初始能量。

在使用确定路由和平均分配初始能量时，我们模拟了规则网络和随机网络的性能，如图3所示。从图3可以看出规则网络的生命周期和到达包的总数都远大于随机网络，规则网络的到达包在网络中的平均滞留时间比随机网络短很多。规则网络具有很大的优势。从具体数据上看，取α=0.3时，规则网络的T、Q、AT分别为：1521.92、37800.18、4.65，随机网络的 T、Q、AT 分别为：1271.00、29647.50、21.82。规则网络的生命周期比随机网络高出19.7%，规则网络的到达包总数是随机网络的1.27倍，规则网络的到达包在网络中的平均滞留时间是随机网络的21.31%。从上文的分析中可以看出，平均分配初始能量和选用确定路由的情况下，规则网络的性能更佳。并且选用规则网络时同时考虑邻居剩余能量和到目的节点的距离更具优势。

图2 确定路由下β对网络性能的影响

图3 β=0，确定路由下不同拓扑对网络性能的影响

5 结语

本文研究基于能量的路由策略，分析无线传感器等通信网络的数据传输特点。实验模拟了平均分配和按度分配初始能量两种能量模型，涉及了两种基于能量的路由算法。在路由算法的设计中，考虑了邻居剩余能量和到目的节点的距离两个因素，提出了确定路由和概率路由两种路由策略。研究表明：确定路由算法比概率路由算法具有更好的数据传输特性；平均分配初始能量的网络生命周期比按度分配初始能量的更长，但不是在所有性能度量方面都有具备优势；路由参数对确定路由数据传输的调节作用比概率路由更明显；对于能量和距离的加权因子α，在不同其他条件下，并没有呈现出一致的规律，这可能是由于网络中出现环路引起的，具体的情况还需要更深入的了解和研究。