一种可靠传输的WSNs能耗均衡路由协议*

金 鑫， 易晓梅

(浙江农林大学 信息工程学院，浙江 临安 311300)

0 引 言

研究节能均衡的路由算法对无线传感器网络(wireless sensor networks,WSNs)的发展意义重大[3]。文献[4]提出了一种改进的低能量自适应聚簇分层(low energy adaptive clustering hierarchy,LEACH)路由协议，该协议根据簇头数量估算某个节点成为簇头的概率，并周期性的进行簇头选举。文献[5]提出了一种非均匀的分簇方法使得簇头能量消耗均衡。分簇路由算法属于层次路由算法的一种，适用于大规模的WSNs,但存在一些不足，如很容易导致某些簇头过热而使该节点能量提早消耗殆尽，造成网络空洞。

WSNs链路式路由算法适合小规模的传感器网络,如文献[6]提出了一种基于改进蚁群算法的WSNs路由协议，对蚁群算法进行改进，充分考虑了转发节点的剩余能量，因此能达到均衡网络能耗的目的。文献[7]提出了一种基于能耗均衡的可靠路由协议，综合考虑了节点的剩余能量、距离Sink节点的跳数以及向量节点间的距离，因此在停车诱导系统中表现出了优秀的均衡性。文献[8]提出了一种适用于楼宇的WSNs能耗均衡路由协议，在平面路由协议的基础上增加了负载均衡的概念，延长了网络的生存时间。文献[9]研究了一种基于代价函数的WSNs能效路由协议，该代价函数考虑了发送节点、转发节点以及接收节点的剩余能量使得网络能耗均衡。文献[10,11]都研究了合理的代价函数，通过计算代价选择合理的转发节点以达到能耗均衡的目的。

以上研究在能耗均衡方面考虑的并不是很完善，有些研究需要特定条件的传感器，如需要传感器节点的位置信息、障碍物感知能力等，但普通的传感器节点需要通过定位算法或全球定位系统(global positioning system,GPS)模块才能获取位置信息，且很少有传感器节点能主动感知到障碍物。本文针对上述问题提出一种适合普通节点的能耗均衡路由协议，该协议充分考虑了节点剩余能耗、距离Sink节点跳数、链路质量以及丢包率等因素，使得传感器网络能耗均衡且信息传输可靠度高。

1 相关假设与定义

假设传感器节点具有如下性质：1)传感器网络中节点都具有唯一的ID号；2)所有传感器节点初始能量相同且能量受限，但是Sink节点能量不受限；3)节点位置未知；4)当两个节点间的丢包率发生突变时认为两个节点间出现障碍物或障碍物消失。

定义1传感器网络节点在t时刻的剩余能量均值和方差作为评价传感器网络能量均衡的标准，均值越大，说明路由协议越节能;方差越小，说明网络中能量分布越均衡。网络能量的均值(A(t))和方差(V(t))分别为

(1)

式中Ei(t)为节点运行t时刻后剩余的能量；M为传感器网络中除Sink节点外的存活节点数量。均值越大且方差越小时认为该路由协议能起到很好的能耗均衡作用。

定义2WSNs的生存周期为网络中前10 %的节点能量耗尽的时间。

2 无线通信模型

本文采用文献[12]的无线能耗模型，包括发送能耗模型和接收能耗模型，其中发送能耗主要包括信号发射电路和信号放大电路，接收能耗主要包括信号接收电路。由于和通信能耗相比，节点内部的其他能耗较低，因此忽略。

数据包发送过程中发送节点和接收节点的能耗为

Etx=k×Ee+k×εamp×dn,Erx=k×Ee

(2)

3 路由协议

3.1 网络拓扑建立

WSNs通过广播信标(beacon)帧建立网络的拓扑结构。首先Sink节点开始向其邻居发送信标帧，邻居节点接收到信标帧后从信标帧中获取发送节点的编号(节点ID)、剩余能量(ENERGY)、接收信号强度指示(received signal strength indication,RSSI)、节点间通信链路质量指示(link quality indication,LQI)和距离Sink节点的最小跳数HOP和节点与其邻居节点之间的丢包率(packet loss rate,PLR)。节点利用这些信息建立邻居节点路由表，路由表的格式如表1所示。

表1 邻居节点路由表

网络拓扑的建立过程如图1所示，圆形表示传感器节点，字母表示节点编号，数字为距离Sink节点的最短跳数，在初始时刻每个节点距离Sink节点的最小跳数为无穷大。

图1 网络拓扑建立

1)初始时刻,Sink节点向外广播信标帧，如图1(a)所示，其中,传感器节点b，c，d，e，f收到了信标帧，则这些节点记录距离Sink节点的最小跳数为1跳。2)收到信标帧的节点再次向其邻居节点广播信标帧，如图1(b)中c节点收到Sink的信标帧后又向其邻居节点转发信标帧，a，h节点收到信标帧后记录距离Sink节点的跳数为2，而d节点是Sink节点的邻居节点又是c节点的邻居节点，当其收到c节点转发的信标帧时，并不更新跳数，而是保持原来的最小跳数1跳。3)当所有节点都向邻居节点转发了信标帧后，网络拓扑建立完成，如图1(c)所示。

通过上述方法建立了网络拓扑结构，每个节点都建立了邻居节点路由表。

3.2 路由选择

为了使传感器网络能耗均衡，转发节点的选择方法至关重要。假设节点i采集了数据，则需要将数据转发给其邻居节点j，但存在多个邻居节点，节点i根据存储在路由表中的邻居节点信息，计算、选择转发代价最小的邻居节点作为转发节点。代价函数为

(3)

式中E0为节点初始能量；Ei为节点i的剩余能量；Ej为邻居节点j的剩余能量；Rij为节点i和节点j之间的信号强度；Rmin为节点i与邻居节点的信号强度最小值，因为信号强度为负值，因此，|Rmin|最大；Lij为节点i与邻居节点j之间的链路质量；Lmax为节点i与邻居节点的链路质量最大值；Hj为邻居节点j距离Sink节点的跳数；Hmax为节点i的邻居节点中距离Sink节点最大跳数；α，β，χ，γ为常数，且α+β+χ+γ=1，在实际应用中需要根据经验取值。

代价函数考虑了式中各参量对消息转发消耗能量的影响，利于协议选取最小代价进行路由选择。

4 仿真实验

采用MATLAB平台进行仿真实验，实验中传感器节点部署区域是一个长为150 m，宽为90 m的矩形区域，如图2所示，传感器节点在部署区域中满足泊松分布，Sink节点位于部署区域右侧正中间。文献[11]提出了传感器节点真实情况下的能耗参数，实验中相关参数为:Ee为50 nJ/bit；d

图2 节点部署区域

4.1 传感器网络能量均值测试

传感器网络的能量均值如图3所示，本文的路由协议剩余能量略低于ACO路由协议，因为ACO路由协议总是按照最短路径发送数据包，但本文提出的路由协议需要考虑能耗均衡，平均发送路径的跳数要多于ACO路由协议，因此，消耗的能量略高于ACO路由协议。

图3 能量均值

4.2 传感器网络能量方差测试

实验发现剩余能量均值并不能反映出路由协议的能耗均衡性，通过剩余能量方差验证提出的路由协议的能耗均衡性。实验结果如图4所示,结果表明使用ACO路由协议的方差比本文提出的路由协议大，且方差增长速度大，随着发送数据包数量以指数增长，而本文提出的路由协议方差与发送数据包数量呈正相关。因为本文路由协议中，当下一跳节点被选择为转发节点的频率太高，消耗能量多时，根据代价函数计算的代价机会变大，则下一次被选择为转发节点的概率就降低，因此本文路由协议会根据代价动态的选择其他节点，在传输数据包的过程中能量消耗比较均匀，传感器网络能量剩余方差比较小，且增长速度也比较缓慢。

图4 剩余能量方差

4.3 传感器网络生存时间

能耗均衡的目的是为了防止网络中某些节点过早死亡而出现网络空洞。文中假设传感器网络中前10 %的节点死亡意味着传感器网络的死亡，本文利用传感器网络的最大发包数量表示传感器网络的生存时间。实验结果如图5所示。每次实验，传感器节点都满足泊松分布部署在区域中，不同实验，网络拓扑图不同。

图5 网络生存时间

实验结果表明本文提出的路由协议比ACO路由协议发送的数据包多，传感器网络每隔一定的时间采集1次数据，并发送给Sink节点，使用本文提出的路由协议网络生存时间得到了延长。从实验结果可知，不同的网络拓扑对网络的生存时间也存在影响。

5 结 论

设计了一种综合考虑了节点剩余能量、跳数、信号强度和链路质量的路由协议，能很好地均衡网络中的能量，延长了网络的生存时间。但该协议还存在不足之处，如更适合小规模的传感器网络，后续将针对大规模传感器网络设计一种能量均衡的路由协议。