WSNs中一种能耗均衡的传染路由

陈明明, 王 宁,3,陈 亮,陈育智

(1. 厦门华厦学院, 福建 厦门 361026；2. 新一代信息通信技术与智慧教育福建省高校工程研究中心, 福建 厦门 361026；3. 厦门大学, 福建 厦门 361005；4. 昆明理工大学,云南 昆明 650504)

0 引 言

无线传感网络 (Wireless Sensor Networks，WSNs)[1-2]是由微型、低成本的传感节点自组连通的网络。每个传感节点能够感测、传输和接收数据。这些节点是由电池供电。当节点电池耗尽，不便于补充能量。而一旦节点能量耗尽，节点就失效，并无法工作。因此，有效地利用节点能量成为WSNs的研究热点之一。

而传输数据所消耗的能量占据节点的80%。因此，高效地完成数据传输策略能够降低能耗[3]。传感节点需要实时感测数据，再将数据传输至信宿。由于传感节点失效，网络连通率并不高，降低了数据包传递成功率，这给数据传输的可靠性提出了挑战。

传染路由(Gossip)是典型的容错路由[4]。当传感节点需要将数据传输至控制中心(信宿)，它就从邻居节点中随机选择一个节点作为下一跳转发节点(转发节点)。然后，转发节点再从它的邻居节点中选择转发节点，直到信宿收到数据。信宿可能收到来自不同路径的同一份数据多个复本。这增加了冗余。

此外，由于多个节点参与转发/接收数据，消耗了大量的能量。因此，控制参与节点数是十分重要的。可通过优先策略，只选择部分节点转发数据。只允许部分节点传输数据，也减少数据在网络中的复本数。最终，能够减少能耗，提高网络寿命。

目前，有基于概率、计数和距离产生转发节点方案。其中概率方案最简单、易实施。节点以一定概率从邻居节点选择转发节点。而基于计数方案是依据离目的节点的跳数选择转发节点。基于距离方案是通过依据节点位置信息选择转发节点。

实质上，控制参与路由的节点数是降低Gossip路由能耗的关键。为此，提出基于能耗均衡的传染路由(Energy Consumption Balance-Gossip, ECB-G)。ECB-G路由通过邻居节点的位置和能量信息选择转发节点，减少参与数据包转发的节点，进而控制能耗。同时，依据节点的距离信息择优选择下一跳转发节点，从而构建稳定的路由，减少重传次数，提高带宽利用率。仿真结果证实了ECB-G路由在能耗和带宽利用率方面具有良好的性能。

1 系统模型

1.1 ECB-G路由概述

用连通图G(V,E)表示WSN拓扑结构，其中V为顶点集，表示传感节点。而E为边集，表示节点间直接连通的链路。假定网络有N个节点。令(xi,yi)表示第i个节点si的位置。

整个ECB-G路由由四个阶段构成，如图1所示。首先，发送请求数据包，再计算距离，然后选择最优转发节点，最后转发数据。

图1 ECB-G路由框架

当节点需要传输数据Data，就向邻居节点发送请求数据包(Request Packet, RQP)，旨在收集邻居节点的信息。一旦收到RQP，邻居节点就回复数据包(Reply Packet, RPP)，其包含节点的剩余能量和位置信息。

再依据邻居节点的能量和位置信息，计算节点成为转发节点概率的分值。再选择具有最高分值的节点作为转发节点。最后，由转发节点转发数据。

1.2 能量模型

采用如图2所示的能耗模型[5]。令Esd(m,d)表示传输m比特数据、传输距离d时节点消耗的能量：

(1)

图2 能量消耗模型

2 ECB-G路由

2.1 能效均衡因子

令E0表示节点的初始能量。假定所有节点具有相同初始能量。令Er(i)表示节点si的剩余能量。能效均衡因子考虑节点能量消耗速度以及其邻居节点的平均剩余能量。

考虑平均剩余能量的原因在于：若节点自身具有高的剩余能量，但其邻居节点的剩余能量低。这容易使节点处于“孤立无援”状态，也无法将数据传输出去。

令ae(i)表示节点si的能效均衡因子，其定义如式(2)所示：

(2)

其中ni表示节点si的邻居节点集，而|ni|表示集ni的节点数。sj表示节点si的一个邻居节点，sj∈ni。

2.2 距离远近因子

再依据距离远近因子选择转发节点。具体而言，节点si需从其|ni|个邻居节点中选择具有距离最优的节点作为转发节点。

令bd(i,j)表示节点si离节点sj的距离远近因子，其定义如式(3)所示：

(3)

其中di,j表示节点si离节点sj的欧式距离。而di,sink、dj,sink分别表示节点si离信宿sink、节点sj离信宿sink的欧式距离。如图3所示。图中的虚线圆圈表示节点si的通信范围。节点sj为节点si的一个邻居节点。

图3 距离示意图

2.3 数据转发

当节点si需要数据，就向邻居节点发送RQP，其包含了自己位置。再监听，并收集邻居节点回复RRP包，进而获取邻居节点的位置和能量信息。然后就广播Datai。

邻居节点(假定是节点sj)先依据分别式(2)、式(3)计算能效均衡因子和距离远近因子。再依据式(4)计算节点转发分值。令Fj表示节点sj的转发分值：

Fj=ae(i)+bd(i,j)

(4)

为了使具有最高分值的节点成为转发节点。每个节点(假定是节点sj)依据自己的分值设定定时器，且定时器的时长与分值成反比。一旦定时完毕，且没有监听到其他节点转发Datai，自己就立即转发Datai。重复上述过程，直到数据包传输至信宿。整个流程如图4所示。

图4 数据转发流程

3 性能仿真

3.1 仿真环境

利用NS2++软件建立仿真平台。传感节点分布于80 m×60 m的矩形区域，信宿位于区域中心，且位置为(40,30)。节点传输范围为20 m，所有节点的初始能量为0.5 J。具体的仿真参数如表1所示。

表1 仿真参数

为了更好地分析ECB-G路由性能，选择传统的Gossip和文献[6]提出的基于公平高效的位置Gossip路由(FEL-G)作为参照，并分析它们的传输时延、带宽利用率、网络寿命性能。其中，传输时延是指成功接收数据的平时时延。用式(5)计算带宽利用率[7]：

λb=(Nme-Nre)/Nme

(5)

其中Nme表示所接收的数据包数。而Nre表示重传的数据包数。

选择每个节点失效的时间和最后一个节点失效时间评估网络寿命[8]，且单位为轮(Round)。本文只考虑节点因能量消耗殆尽所导致的失效[9-10]，不考虑其他原因。

3.2 数据分析3.2.1 平均传输时延

首先分析数据传输时延随节点数的变化情况。从图5可知，数据传输时延随节点数增加而上升。原因在于：数据传输时延随网络尺寸影响。节点数越多，导致的时延越长。此外，传统的Gossip路由的传输时延最低。这是主要是因为：传统的Gossip路由在选择下一跳节点时，并没有进行额外的计算，只是随机地选择下一跳转发节点。而FEL-G路由和ECB-G路由是通过计算，选择下一跳转发节点，这增加了计算时延。

图5 平均传输时延随节点数的变化情况

3.2.2带宽利用率

图6显示了三个路由协议的带宽利用率。从图6可知，相比于传统的Gossip路由和FEL-G路由，提出的ECB-G路由的带宽利用率得到提高。原因在于：ECB-G路由通过能耗均衡因子和距离远近因子选择下一跳转发节点，提高了路由的稳定性，减少了重传数据包次数。

图6 带宽利用率

3.2.3网络寿命

图7、8分别表示三个路由协议的第一个节点失效时间和最后一个节点失效时间。从图6可知，传统Gossip路由最早发生第一个节点失效，在整个节点变化的期间，它都是最先出现么一个失效节点。

图7 第一个失效节点出现的时间

图8 最后一个失效节点出现的时间

从图8可知，提出的ECB-G路由的最后一个失效节点出现的时间最晚，性能优于传统Gossip路由和FEL-G路由。这充分说明，ECB-G路由通过减少重传次数、参与路由的节点，缓解了网络能耗的速度。

4 结 语

针对Gossip路由的能耗问题，提出能耗均衡的Gossip路由改进路由ECB-G。ECB-G路由通过控制参与路由的节点数，减少能耗。利用邻居节点的剩余能量和地理位置，选择下一跳转发节点，限定了转发数据包的节点。仿真结果表明，相比于Gossip路由，提出的ECB-G路由有效地降低了能耗，并提高了带宽利用率。