劉 宏，魏浩鵬，張子揚

(江西理工大學電氣工程與自動化學院，江西 贛州 341000)

基于低能耗高效無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究

劉 宏，魏浩鵬，張子揚

(江西理工大學電氣工程與自動化學院，江西 贛州 341000)

針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量利用率低和通信質(zhì)量不高等問題，提出了一種高效低能耗的WSN路由協(xié)議.在簇頭選取階段綜合考慮了節(jié)點的剩余能量、節(jié)點的密度、節(jié)點的傳包成功率等因素，在簇內(nèi)通信方案上提出了混合路由通信方案，簇間通信在鏈頭選取上考慮了鏈頭自身能量值、鏈數(shù)據(jù)傳輸代價、鏈頭傳包成功率以及鏈頭與基站的距離等.并提出了丟包策略.仿真結(jié)果表明：該算法能有效均衡節(jié)點能耗，提高傳輸數(shù)據(jù)包成功率，提高通信質(zhì)量，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期.

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；簇頭；簇內(nèi)通信；簇間通信；丟包率

目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor network，WSN)在軍事、工業(yè)、日常生活等領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛.由于傳感器節(jié)點通常攜帶電池，其能量有限，如何降低能耗、最大化延長網(wǎng)絡(luò)生存周期成為WSN路由協(xié)議的重要目標.目前WSN中經(jīng)典的路由協(xié)議有LEACH和PEGASIS[1-2]，這2種協(xié)議均有其不足之處.因此，對LEACH和PEGASIS協(xié)議，許多學者對它們進行了改進.針對節(jié)點能耗不均問題，文獻[3-4]在簇頭選舉階段考慮到了剩余能量因子，以避免能量低的節(jié)點成為簇頭.文獻[5]在簇頭選舉階段，利用節(jié)點的剩余能量以及候選簇頭的競選半徑來選擇簇頭，在通信階段將傳輸代價和簇頭的剩余能量作為建立路由的依據(jù).LEACH-CS通過多跳路由和均勻分簇能夠在一定程度上降低傳輸能耗、均衡簇頭能耗[6]，但是均勻分簇無法避免簇的負載不均衡以及Sink節(jié)點附近的簇頭節(jié)點因大量轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)而過早死亡等問題.對于均勻分簇導致的簇頭能耗不平衡問題，文獻[7]提出的EEUC采用簇間多跳路由和非均勻分簇相結(jié)合的方式，將整個網(wǎng)絡(luò)劃分成大小不等的簇，離基站較近的簇規(guī)模較小，節(jié)省的能量用于簇間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，而且簇間采用多跳路由方式有利于進一步均衡簇頭能量消耗.文獻[8]提出的ACOUC采用非周期性的簇首選舉策略，首輪全部節(jié)點參與選舉，后續(xù)輪進行簇內(nèi)調(diào)整，在穩(wěn)定通信階段通過引入實時性和鏈路可靠性參數(shù)來提高通信質(zhì)量.此外常見的WSN分簇路由協(xié)議還有DBCP，DTU和EBUCA等[9-11].本文提出了一種低能耗高效WSN路由協(xié)議.

1 改進算法描述

1.1 網(wǎng)絡(luò)模型

本文算法討論的 WSN 基于以下假設(shè)：

(1) WSN節(jié)點位于正方形區(qū)域S內(nèi)且部署后位置固定；

(2) 基站能量不受限，離S較遠的位置固定；

(3) 各節(jié)點都是不對等的，在每輪通信中能耗不一致.

1.2 簇頭選舉

選舉簇頭通常采用節(jié)點在0到1之間隨機選擇一個數(shù)，如果該隨機數(shù)小于閾值T(n)，則該節(jié)點當選為簇頭節(jié)點.

(1)

式中：p表示節(jié)點n當選為簇頭的概率；r表示當前輪數(shù)；G表示當前還未當選過簇頭的節(jié)點的集合.

顯然，這種隨機選舉辦法不適用于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，異構(gòu)主要包括以下3種情形：

(1) 節(jié)點的初始能量、通信和計算能力通常不一樣；

(2) 節(jié)點所扮演的角色不同，耗能不一樣；

(3) 舊節(jié)點的死亡，新節(jié)點的加入導致剩余能量不一樣.

由此在選舉簇頭時應(yīng)考慮節(jié)點剩余能量，對閾值計算公式做如下改進：

(2)

節(jié)點能耗E采用無線通信能量消耗模型.節(jié)點傳輸比特數(shù)到距離為d時射頻電路(無線收發(fā)模塊)的發(fā)送能耗ETx(k,d)和接收能耗ERx(k)為：

(3)

ERx(k)=kEelec.

(4)

1.3 簇的建立和穩(wěn)定通信階段

1.3.1 簇的建立

采用非均勻成簇策略[12]，簇頭采用多跳路由方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到基站，根據(jù)各簇頭與基站節(jié)點的距離來構(gòu)造簇半徑不等的簇.由于基站節(jié)點附近的簇頭會充當中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)其他簇頭的數(shù)據(jù)而消耗更多的能量，所以減小基站附近簇的規(guī)模以節(jié)省能量供簇間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，同時，當簇頭所在區(qū)域節(jié)點密度較大時相應(yīng)地減少簇半徑以均衡負載，達到平衡網(wǎng)絡(luò)能耗，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期的目的.

1.3.2 穩(wěn)定通信階段

基于層次型拓撲控制思想，在PEGASIS基礎(chǔ)上提出了改進方法.

(1) 簇內(nèi)通信

簇內(nèi)節(jié)點與簇頭之間采用單跳和多跳相結(jié)合的通信方式，降低網(wǎng)絡(luò)總能耗.單跳通信方案下，節(jié)點ni單位周期內(nèi)的發(fā)送能耗為[13]

(5)

式中：l為網(wǎng)絡(luò)傳輸部分電路的能耗；μdk為射頻放大器補償通道衰減的能耗；k為傳播衰減系數(shù)，取值由環(huán)境決定，通常2≤k≤5；di為節(jié)點ni與簇頭之間的距離.由(5)式可知，單跳情況下，離簇頭越遠的節(jié)點能耗越大.

多跳通信方案下，n層環(huán)上的節(jié)點除了向內(nèi)環(huán)發(fā)送自身的感知數(shù)據(jù)包外，還需轉(zhuǎn)發(fā)外層環(huán)的數(shù)據(jù)包.n層環(huán)上的節(jié)點在單位周期內(nèi)的平均能耗為

Em(nR)=(2l+μRk)kn+(l+μRk).

(6)

顯然，Em(R)>Em(2R)>…>Em(nR)，距離簇頭越近，能耗越多.

由此看出，單跳方案中遠簇頭節(jié)點能耗大，多跳方案中近簇頭節(jié)點能耗大，2種方案路由都存在系統(tǒng)能量不均衡的問題.基于此，可考慮組成單跳與多跳相結(jié)合的混合路由通信方案.設(shè)每個節(jié)點完成一次混合通信的時間為T，則在T·α時間內(nèi)處于單跳通信方案，在T·(1-α)時間內(nèi)則處于多跳通信方案.進入下一通信周期后所有節(jié)點重新進入單跳方案，依次循環(huán).混合路由通信方案能量消耗可表示為

Emix=αEs(nR)+(1-α)Em(nR)，0<α<1.

(7)

(2) 簇間通信

簇間成鏈階段以簇內(nèi)鏈頭為單位，依照蟻群算法成鏈.在鏈頭選取上考慮鏈頭自身能量值、鏈數(shù)據(jù)傳輸代價、鏈頭傳包成功率以及鏈頭與基站的距離4個方面.簇間鏈頭選取公式改進為

(8)

式中：δ簇間鏈頭值最大的節(jié)點將成為鏈頭；ε能量為節(jié)點的當前剩余能量；ρ代價為鏈一輪的數(shù)據(jù)傳輸代價；t為節(jié)點發(fā)送包的傳輸成功率；d基站為節(jié)點與基站的距離.

α′，β′，μ′和Y′為權(quán)值因子且都為正數(shù)，用來調(diào)節(jié)能量、傳輸代價、傳輸成功率以及鏈頭與基站距離在鏈頭選取中的權(quán)重.

1.4 丟包策略

由于WSN通常受到噪聲、衰減、反射等干擾，且傳感器網(wǎng)絡(luò)帶寬較小，匯聚區(qū)域有大量分組，增加信道的競爭和沖突，引發(fā)擁塞.增加傳輸時延和數(shù)據(jù)的丟失，從而降低了網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力，由此產(chǎn)生的重傳會加速節(jié)點的死亡、增加網(wǎng)絡(luò)的負擔.增大節(jié)點緩存空間，可以在一定程度上避免擁塞，但傳輸時延也會相應(yīng)增大，且分組生命周期比較短，超時就會導致分組重傳.因此，當檢測到擁塞發(fā)生時，本協(xié)議啟動丟包策略：根據(jù)數(shù)據(jù)包剩余價值的大小來決定丟包的先后順序，丟棄價值最小的分組使有限帶寬得到充分的利用，最大限度地確保重要數(shù)據(jù)可靠及時傳輸.數(shù)據(jù)包剩余價值的計算公式為

V=h·r·Tlive.

(9)

式中：V表示數(shù)據(jù)包剩余價值；h表示分組的可靠性；r表示分組的傳輸跳數(shù)，跳數(shù)越大重傳成本也就越高，相應(yīng)價值就越高；Tlive表示分組的剩余生存期，Tlive=Tlive-(T2-T1)，在傳輸數(shù)據(jù)時每個分組進入節(jié)點都要打上時間戳，T1表示分組進入節(jié)點時的時間戳，T2表示分組離開節(jié)點的時間戳，當Tlive≤0時，表示分組已過時，直接丟棄分組.

2 仿真結(jié)果及分析

為了驗證算法的有效性，利用OMNET++網(wǎng)絡(luò)仿真工具對改進的協(xié)議進行仿真.虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的基本參數(shù)如表1所示，仿真結(jié)果見圖1.

表1 實驗基本參數(shù)表

參數(shù)參數(shù)取值部署區(qū)域/m100×100基站位置(175，50)節(jié)點數(shù)量100一級簇頭比例/%5Eelec/(nJ/b)50Efs/(pJ/b·m2)10Emp/(pJ/b·m2)0 0013Ec/(nJ/b)5丟包率0 3數(shù)據(jù)包長度/B4000廣播包長度/B200

圖1 3種協(xié)議在同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下能耗仿真結(jié)果

取ACK信令長度為25 B，采取每種協(xié)議循環(huán)仿真50次，并取它們的平均值對存活節(jié)點的個數(shù)進行統(tǒng)計，驗證本協(xié)議在處理同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)時的能量性能，取節(jié)點初始能量為1 J，仿真結(jié)果如圖1所示.

由仿真結(jié)果可以看出：在同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，LEACH協(xié)議的首次節(jié)點死亡時間為第570輪，節(jié)點全部死亡時間為第1 210輪；PEGASIS協(xié)議的首次節(jié)點死亡時間為第760輪，節(jié)點全部死亡時間為第1 480輪；而本協(xié)議的首次節(jié)點死亡時間為第900輪和節(jié)點全部死亡時間為第1 650輪.本協(xié)議在處理同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)時生存周期較LEACH和PEGASIS分別延長了57%和18%.

對本協(xié)議在處理異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)時，將100個節(jié)點分別按1∶1∶1∶1的比例并分別取初始能量為0.5，1，1.5和2 J，進行循環(huán)仿真，仿真結(jié)果如圖 2所示.

根據(jù)仿真結(jié)果：在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，本協(xié)議的生存周期較LEACH和PEGASIS分別延長了197%和86%，延長了節(jié)點死亡時間和網(wǎng)絡(luò)生命周期.

協(xié)議在同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的端到端時延的仿真結(jié)果如圖3所示.

圖2 3種協(xié)議在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下能耗仿真結(jié)果

圖3 3種協(xié)議端到端時延仿真結(jié)果

節(jié)點數(shù)為20，50和100時，本協(xié)議的平均端到端時延較LEACH減少了25%，28%和37%，比PEGASIS減少了225%，280%和320%.由于分簇機制、成鏈機制更加完善，本協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸時延大大減少，網(wǎng)絡(luò)的實時性得到了很好地提高.

協(xié)議每輪發(fā)往基站包個數(shù)以及每輪基站接受包個數(shù)仿真結(jié)果如圖4和5所示.

仿真輪數(shù)在200，500和1 000時，本協(xié)議發(fā)往基站的包個數(shù)較LEACH提高了64%，68%和141%，較PEGASIS提高了50%，62%和129%；本協(xié)議基站接受包的個數(shù)較LEACH提高了51%，33%和72%，較PEGASIS提高了54%，22%和137%.通過數(shù)據(jù)分析可以看出通信質(zhì)量得到了大大地提高.

圖4 3種協(xié)議每輪發(fā)往基站包個數(shù)仿真結(jié)果

圖5 3種協(xié)議每輪基站接受包個數(shù)仿真結(jié)果

3 結(jié)束語

本文在LEACH和PEGASIS的基礎(chǔ)上提出了一種低能耗高效WSN路由協(xié)議，從簇頭的選舉、簇建立、穩(wěn)定通信階段以及丟包策略上進行了優(yōu)化，理論和仿真都表明，本文方案在網(wǎng)絡(luò)生命周期、網(wǎng)絡(luò)實時性、通信質(zhì)量上和LEACH與PEGASIS相比得到了顯著地提高.

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(責任編輯：石紹慶)

Low energy efficient routing protocol for WSN

LIU Hong，WEI Hao-peng，ZHANG Zi-yang

(College of Electrical Engineering & Automation，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，China)

Aiming at the problems of low energy utilization and low communication quality，a low energy efficient routing protocol for WSN is proposed in this paper. In the cluster head election phase，the factors of the residual energy of nodes，the density of nodes and the success rate of packet delivery are took into account. In the stable communication phase，a hybrid routing communication is proposed for the intra-cluster communication，considering node performance，chain data transmission cost and the success rate of packet transmission，a novel chain header selection formula was put forward. What’s more，a new packet-discarding scheme is proposed. Simulation under the environment of OMNET++ proves that compared with LEACH and PEGASIS，the algorithm can increase data receiving rate，improve communication quality and effectively extend the network life cycle.

WSN；cluster head；intra-cluster communication；inter-cluster communication；packet loss rate

1000-1832(2014)04-0056-05

10.11672/dbsdzk2014-04-010

2014-04-28

國家自然科學基金資助項目(61163063).

劉宏(1968—)，男，副教授，主要從事檢測技術(shù)與自動化裝置研究.

TP 393 [學科代碼] 520·30

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