何杏宇，周亦敏，楊桂松*，王 偉

（1.上海理工大學(xué)實(shí)驗(yàn)室管理與服務(wù)中心，上海 200093；2.中國(guó)科學(xué)院云計(jì)算中心，東莞 523808）

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量感知增強(qiáng)樹型路由協(xié)議研究*

何杏宇1，周亦敏1，楊桂松1*，王 偉2

（1.上海理工大學(xué)實(shí)驗(yàn)室管理與服務(wù)中心，上海 200093；2.中國(guó)科學(xué)院云計(jì)算中心，東莞 523808）

現(xiàn)有的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議普遍采用設(shè)定固定最小能量閾值的方法來(lái)避免低剩余能量的節(jié)點(diǎn)被選為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，以防止因節(jié)點(diǎn)過(guò)早死亡而導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)破壞。然而這種方法缺乏應(yīng)用靈活性。在本研究提出的能量感知增強(qiáng)樹型路由協(xié)議中，設(shè)定了隨著網(wǎng)絡(luò)整體能量下降而動(dòng)態(tài)變化的節(jié)點(diǎn)剩余能量閾值，以使得網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的能量均衡下降，且采用了同質(zhì)化加權(quán)求和的方法將鄰居節(jié)點(diǎn)節(jié)省的路由跳數(shù)和剩余能量同時(shí)考慮進(jìn)路由決策過(guò)程。最后，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該協(xié)議可進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；能量感知增強(qiáng)樹；動(dòng)態(tài)剩余能量閾值；同質(zhì)化加權(quán)求和

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN（Wireless Sensor Networks）是一種由大量分布式自治傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)相互合作來(lái)感知或監(jiān)測(cè)物理和環(huán)境狀況的新型網(wǎng)絡(luò)［1-2］。這些傳感器節(jié)點(diǎn)本身在存儲(chǔ)、計(jì)算、通信帶寬和能量供應(yīng)方面的資源受限，其中，傳感器節(jié)點(diǎn)的有限能量對(duì)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和網(wǎng)絡(luò)壽命的限制尤為明顯［3］。因此，能量感知和能量效率問(wèn)題則成為無(wú)線傳感器路由協(xié)議研究中的熱點(diǎn)［4-7］。

樹型路由TR（Tree Routing）由于它的簡(jiǎn)單性成為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中一種較為基礎(chǔ)的路由策略。但是，樹型路由協(xié)議的一個(gè)主要缺點(diǎn)是隨著加入網(wǎng)絡(luò)的子孫節(jié)點(diǎn)的增多，路由跳數(shù)的計(jì)算量也快速增加。并且，樹型路由協(xié)議并沒(méi)有完全利用存儲(chǔ)在節(jié)點(diǎn)內(nèi)的鄰居表。為了能充分利用鄰居表信息，文獻(xiàn)［8-9］提出了增強(qiáng)樹型路由 ETR（Enhanced Tree Routing）協(xié)議。除了父子鏈路，增強(qiáng)樹型路由協(xié)議還使用了和一跳鄰居節(jié)點(diǎn)之間的鄰居鏈路，通過(guò)判定使用該鄰居鏈路能夠產(chǎn)生出比樹型路由跳數(shù)更短的路由捷徑。雖然這將有效減少系統(tǒng)的存儲(chǔ)和計(jì)算代價(jià)，在網(wǎng)絡(luò)路由跳數(shù)和能量消耗方面會(huì)更加優(yōu)越。但是存在這樣一個(gè)問(wèn)題：如果被選擇的下一跳節(jié)點(diǎn)本身具有較少的剩余能量，那么通過(guò)它來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包將會(huì)加速該鄰居節(jié)點(diǎn)的死亡速度，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)死亡節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)增加，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

為了避免低剩余能量的節(jié)點(diǎn)被選為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，目前的路由協(xié)議普遍采用設(shè)定固定最小能量閾值的方法來(lái)篩去剩余能量較少的節(jié)點(diǎn)［10-11］，該方法應(yīng)用靈活性較差，當(dāng)固定最小能量閾值設(shè)定過(guò)大時(shí)，不能保障當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的剩余能量都小于最小能量閾值時(shí)網(wǎng)絡(luò)的繼續(xù)運(yùn)行。而文獻(xiàn)［12］提出的動(dòng)態(tài)能量閾值模型僅和時(shí)間相關(guān)，并不是直接和網(wǎng)絡(luò)中的能量變化相關(guān)，不能較好地反映了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際能量消耗狀態(tài)。

為此，本研究提出能量感知增強(qiáng)樹型路由EAETR（Energy-Aware Enhanced Tree Routing）協(xié)議，在使用增強(qiáng)鏈路的同時(shí)，把鄰居節(jié)點(diǎn)的剩余能量信息同時(shí)考慮進(jìn)路由決策過(guò)程，設(shè)定隨著網(wǎng)絡(luò)整體能量下降而動(dòng)態(tài)變化的節(jié)點(diǎn)剩余能量閾值，該動(dòng)態(tài)的剩余能量閾值直接和網(wǎng)絡(luò)中能量的變化相關(guān)，在網(wǎng)絡(luò)初期節(jié)點(diǎn)初始能量比較高時(shí)，動(dòng)態(tài)剩余能量閾值的變化相對(duì)快，隨著網(wǎng)絡(luò)能量的消耗，網(wǎng)絡(luò)中大多數(shù)節(jié)點(diǎn)的剩余能量都比較低，動(dòng)態(tài)剩余能量閾值變化開始減慢，不僅保證網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)能量是均衡下降的，直至所有節(jié)點(diǎn)的能量都消耗殆盡，避免了個(gè)別節(jié)點(diǎn)的過(guò)早死亡，維持了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提高了網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性。另外，本研究中的算法在綜合考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量和節(jié)省跳數(shù)這兩個(gè)不同質(zhì)的單目標(biāo)時(shí)，不同于以往直接加權(quán)求和［13-15］，例如，文獻(xiàn)［15］中直接將鄰居節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)和節(jié)點(diǎn)剩余能量這兩個(gè)不同質(zhì)的對(duì)象進(jìn)行加權(quán)求和?？紤]到不同因素的衡量量化值的差距，本文則是先通過(guò)比例的方式分別將這兩個(gè)不同質(zhì)的單目標(biāo)轉(zhuǎn)換為同質(zhì)化后再進(jìn)行加權(quán)求和，這樣更具合理性。

1 能量感知增強(qiáng)樹型路由協(xié)議

1.1 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)定義

在能量感知增強(qiáng)樹型路由協(xié)議中，能量感知增強(qiáng)鏈路必須是增強(qiáng)鏈路，為了判定能量感知增強(qiáng)鏈路，首先需要確定增強(qiáng)鏈路的存在以找到相對(duì)于樹型路由來(lái)說(shuō)更短的路由捷徑，然后根據(jù)鄰居節(jié)點(diǎn)的剩余能量信息選擇最優(yōu)的鄰居節(jié)點(diǎn)為下一跳節(jié)點(diǎn)，在進(jìn)行詳細(xì)判定之前，為方便闡述現(xiàn)給出以下幾個(gè)定義：①對(duì)網(wǎng)絡(luò)中任意2個(gè)節(jié)點(diǎn)Ni和Nj，NCA（Ni，Nj）為Ni和Nj所具有最大網(wǎng)絡(luò)深度的共同祖先節(jié)點(diǎn)；②當(dāng)前路由決策節(jié)點(diǎn)Nm的目的節(jié)點(diǎn)為Nd，鄰居節(jié)點(diǎn)為Nn，若數(shù)據(jù)包由Nm→Nn→Nd所經(jīng)過(guò)的路由跳數(shù)少于樹型路由中Nm→Nd所經(jīng)過(guò)的路由跳數(shù)，那么Nm到Nn之間存在增強(qiáng)鏈路；③對(duì)當(dāng)前路由決策節(jié)點(diǎn)Nm和它的目的節(jié)點(diǎn)Nd，Nm所對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)深度為dm，Nd所對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)深度為dd，鄰居節(jié)點(diǎn)Nn對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)深度為dn，NCA（Nm，Nd）對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)深度為dmd。

同時(shí)，一定的網(wǎng)絡(luò)地址分配機(jī)制能夠保證任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址能夠決定它的網(wǎng)絡(luò)深度，并且任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)Ni和Nj的網(wǎng)絡(luò)地址能夠決定它們的NCA（Ni，Nj）節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)深度。

如圖1所示，當(dāng)前路由決策節(jié)點(diǎn)Nm的網(wǎng)絡(luò)深度為dm，目的節(jié)點(diǎn)Nd的網(wǎng)絡(luò)深度為dd，Nm和Nd的共同祖先節(jié)點(diǎn)NCA（Nm，Nd）的網(wǎng)絡(luò)深度為dmd。Nm的鄰居為Nn，Nn的網(wǎng)絡(luò)深度為dn，Nn與Nd的共同祖先節(jié)點(diǎn)NCA（Nn，Nd）的網(wǎng)絡(luò)深度為dnd。

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)中任意一對(duì)源和目的節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，為了判定是否存在鄰居節(jié)點(diǎn)Nn，使得Nm→Nn→Nd所經(jīng)過(guò)的路由跳數(shù)少于樹形路由中Nm→Nd所經(jīng)過(guò)的路由跳數(shù)，當(dāng)前路由決策節(jié)點(diǎn)Nm將分別計(jì)算出樹型路由的路由跳數(shù)HTR和增強(qiáng)樹型路由的路由跳數(shù)HETR。數(shù)據(jù)包經(jīng)過(guò)樹型路由到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)Nd所需要的路由跳數(shù)HTR為：

在使用鄰居表的情況下，Nm將計(jì)算出數(shù)據(jù)包通過(guò)一跳鄰居節(jié)點(diǎn)Nn到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)Nd所需要的路由跳數(shù)HETR：

圖1 增強(qiáng)鏈路的判定

那么，相對(duì)于樹型路由來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)包通過(guò)與該一跳鄰居Nn形成的鏈路到達(dá)Nd所能節(jié)省的路由跳數(shù)為：

如果ΔH＞0，那么增強(qiáng)鏈路存在，則路由的下一跳節(jié)點(diǎn)Nx是鄰居節(jié)點(diǎn)Nn，即ΔH=HTR-HETR＞0，并且參數(shù)之間滿足如下關(guān)系：

反之如果ΔH≤0，說(shuō)明經(jīng)過(guò)Nn并不能形成比樹型路由更短的路由捷徑，數(shù)據(jù)包將沿著樹型路由路徑發(fā)送。如圖1所示，其中Nm→Nn的虛線表示待判定的增強(qiáng)鏈路，假如式（4）成立即存在路由捷徑，則形成增強(qiáng)鏈路，否則就拋棄。在圖1中，根據(jù)式（3）可知ΔH=HTR-HETR=6-4=2，那么增強(qiáng)鏈路存在且可以通過(guò)使用增強(qiáng)鏈路節(jié)省2跳的路由跳數(shù)。

1.2 能量感知增強(qiáng)鏈路的判定

能量感知增強(qiáng)樹型路由協(xié)議（EAETR）在使用鄰居表來(lái)尋求路由捷徑的時(shí)候，如果存在多個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)，EAETR不僅僅考慮通過(guò)使用這些鄰居節(jié)點(diǎn)形成的路由捷徑所能節(jié)省的路由跳數(shù)，而且還把這些鄰居節(jié)點(diǎn)本身的剩余能量信息考慮進(jìn)路由決策過(guò)程來(lái)選擇最優(yōu)的下一跳節(jié)點(diǎn)。在EAETR中，根據(jù)EAETR協(xié)議得到的下一跳鄰居節(jié)點(diǎn)稱為EAETR鄰居節(jié)點(diǎn)，與EAETR鄰居節(jié)點(diǎn)之間的鏈路稱為EAETR鏈路。

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于網(wǎng)絡(luò)的稠密部署，當(dāng)前路由決策節(jié)點(diǎn)會(huì)掃描到多個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)，對(duì)于當(dāng)前路由決策節(jié)點(diǎn)所掃描到的k（k≥1）個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，并不是通過(guò)所有的鄰居節(jié)點(diǎn)都能形成比樹型路由跳數(shù)要少的路由捷徑，也就是說(shuō)，在這k個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)中，只有滿足式（4）的鄰居節(jié)點(diǎn)才具備形成路由捷徑的條件。那么，EAETR鄰居節(jié)點(diǎn)必定是從滿足式（4）的鄰居節(jié)點(diǎn)之中進(jìn)行選擇。為了進(jìn)一步研究，假定有l(wèi)（1≤l≤k）個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)滿足式（4），這些鄰居節(jié)點(diǎn)用集合N來(lái)描述，N=｛N1，N2，…，Ni，…，Nl｝，這里Ni（1≤i≤l）代表第i個(gè)可以形成路由捷徑的鄰居節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，集合H用來(lái)描述和這l個(gè)鄰居相關(guān)聯(lián)的其所能節(jié)省的路由跳數(shù)，H=｛ΔH1，ΔH2，…，ΔHi，…，ΔHl｝，這里ΔHi（1≤i≤l）代表著通過(guò)使用第i個(gè)鄰居所形成的路由捷徑所能節(jié)省的路由跳數(shù)，該結(jié)果可以根據(jù)式（3）計(jì)算得到。并且，這l個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的剩余能量值用集合E來(lái)表示，E=｛E1，E2，…，Ei，…，El｝，這里Ei（1≤i≤l）意味著第i個(gè)鄰居本身的剩余能量。很明顯，由于網(wǎng)絡(luò)能量消耗的不均，對(duì)于這l個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，通過(guò)其所形成的路由捷徑所能節(jié)省的路由跳數(shù)以及其本身所攜帶的剩余能量可能是不同的。本研究給定節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)剩余能量閾值為ˉE，只有剩余能量值大于ˉE的鄰居節(jié)點(diǎn)才能承擔(dān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的任務(wù)。給定網(wǎng)絡(luò)的初始節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)Ninitial，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的初始能量Einitial，這里定義ˉE為：

這里，α為協(xié)調(diào)系數(shù)用來(lái)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)初始能量Einitial的減小速度，x為節(jié)點(diǎn)剩余能量閾值 ˉE的變化次數(shù)。這種設(shè)計(jì)在實(shí)際程度上反映了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量消耗狀態(tài)，在網(wǎng)絡(luò)初期節(jié)點(diǎn)初始能量比較高，動(dòng)態(tài)剩余能量閾值ˉE的變化可以快一點(diǎn)，隨著網(wǎng)絡(luò)能量的消耗，網(wǎng)絡(luò)中大多數(shù)節(jié)點(diǎn)的剩余能量都比較低，動(dòng)態(tài)剩余能量閾值ˉE的變化可以開始減慢。

EAETR使用下面的判定過(guò)程來(lái)找出EAETR鄰居節(jié)點(diǎn)，并建立當(dāng)前路由決策節(jié)點(diǎn)和EAETR鄰居節(jié)點(diǎn)之間的EAETR鏈路。

這里假定有r（r≤l）個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)的剩余能量大于或等于能量閾值，這些鄰居節(jié)點(diǎn)用集合NT來(lái)描述，NT=｛N1，N2，…，Ni，…，Nr｝，1≤i≤r，且NT?N。同時(shí)，集合HT用來(lái)描述和這r個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的其所能節(jié)省的路由跳數(shù)，HT=｛ΔH1，ΔH2，…，ΔHi，…，ΔHr｝，1≤i≤r，且HT?H。并且，這r個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的剩余能量值用集合ET來(lái)表示，ET=｛E1，E2，…，Ei，…，Er｝，1≤i≤r，且ET?E。

可見，對(duì)于任意一個(gè)這樣的鄰居Ni∈NT，1≤i≤r，在路由決策過(guò)程中，和鄰居節(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的所能節(jié)省的路由跳數(shù)和鄰居節(jié)點(diǎn)本身的剩余能量是兩個(gè)重要的判定參數(shù)，可以把其具有的這兩個(gè)參數(shù)表示為Pi=（ΔHi，Ei），1≤i≤r，用P來(lái)表示所有剩余能量大于ˉE的鄰居所具有的這兩個(gè)參數(shù)的集合，這里P=（P1，P2，…，Pi，…，Pr），1≤i≤r。那么，在EAETR中，選擇哪一個(gè)這樣的鄰居作為下一跳節(jié)點(diǎn)非常重要。

對(duì)于任意一個(gè)這樣的鄰居Ni∈NT，WΔHi用來(lái)表示使用第i（1≤i≤r）個(gè)鄰居形成的路由捷徑所能節(jié)省的路由跳數(shù)在所有r個(gè)鄰居所形成路由捷徑所能節(jié)省的路由跳數(shù)中所占的比率，這里，

同樣，對(duì)于任意一個(gè)這樣的鄰居Ni∈NT，WEi用來(lái)表示第i（1≤i≤r）個(gè)鄰居本身的剩余能量在所有r個(gè)鄰居所具有的剩余能量中所占的比率，這里，

那么，能量感知單元Fi的最大值Fmax可以通過(guò)如下公式計(jì)算得到，

因此，EAETR將根據(jù)式（9）選擇能量感知單元具有最大值的鄰居節(jié)點(diǎn)為最優(yōu)下一跳節(jié)點(diǎn)，該鄰居節(jié)點(diǎn)即為EAETR鄰居，當(dāng)前路由決策節(jié)點(diǎn)Nm將建立與該鄰居節(jié)點(diǎn)之間的EAETR鏈路來(lái)傳輸數(shù)據(jù)包。如圖2所示，當(dāng)前路由決策節(jié)點(diǎn)Nm將在自己的r個(gè)鄰居中選擇EAETR鄰居來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)包到目的節(jié)點(diǎn)Nd，根據(jù)式（9）判定之后，Nm選擇鄰居節(jié)點(diǎn)N2為下一跳鄰居節(jié)點(diǎn)，并建立與N2之間的EAETR鏈路，通過(guò)鄰居節(jié)點(diǎn)N2不僅可以得到比樹型路由更短的路由捷徑，而且其本身還具有充足的能量轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。

雖然上述判定方法可以快速發(fā)現(xiàn)鄰居節(jié)點(diǎn)，但是為了減少判定次數(shù)以節(jié)省計(jì)算量，研究發(fā)現(xiàn)該過(guò)程存在以下幾種情況：如果目的節(jié)點(diǎn)Nd是當(dāng)前節(jié)點(diǎn)Nm的鄰居節(jié)點(diǎn)，則EAETR鏈路存在且下一跳節(jié)點(diǎn)Nx= Nd；如果目的節(jié)點(diǎn)Nd不是當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)，但它是當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的祖先節(jié)點(diǎn)，那么下一跳節(jié)點(diǎn)為父節(jié)點(diǎn)Np，即Nx=Np；如果目的節(jié)點(diǎn)Nd既不是當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)又不是其祖先節(jié)點(diǎn)，但是它是當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的子孫節(jié)點(diǎn)，那么下一跳節(jié)點(diǎn)為子節(jié)點(diǎn)Ns，即Nx=Ns；如果目的節(jié)點(diǎn)Nd既不是當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)又不是其祖先節(jié)點(diǎn)，也不是它的子孫節(jié)點(diǎn)，而是鄰居節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)或子節(jié)點(diǎn)，那么EAETR鏈路存在且下一跳節(jié)點(diǎn)為鄰居節(jié)點(diǎn)Nn，即Nx=Nn；如果目的節(jié)點(diǎn)Nd既不是當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)又不是其祖先節(jié)點(diǎn)，也不是它的子孫節(jié)點(diǎn)，更不是鄰居節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)或子節(jié)點(diǎn)，那么對(duì)此節(jié)點(diǎn)進(jìn)行EAETR鏈路判斷，若EAETR鏈路存在，則下一跳節(jié)點(diǎn)為鄰居節(jié)點(diǎn)Nn，若EAETR鏈路不存在，下一跳節(jié)點(diǎn)是當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)Np。根據(jù)EAETR得到的路由協(xié)議如圖3所示。

圖2 EAETR鏈路的判定

圖3 能量感知增強(qiáng)樹型路由協(xié)議

2 能量感知增強(qiáng)樹型路由協(xié)議性能評(píng)估

本研究使用OMNet++網(wǎng)絡(luò)事件驅(qū)動(dòng)仿真軟件，利用基于IEEE802.15.4模型的ZigBee網(wǎng)絡(luò)對(duì)TR，ETR和 EAETR協(xié)議分別進(jìn)行仿真，重點(diǎn)分析了EAETR協(xié)議在減少網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)死亡個(gè)數(shù)和保持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面的性能。

如圖4所示，網(wǎng)絡(luò)中的死亡節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)隨著網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)間不斷增加，EAETR能極大縮減網(wǎng)絡(luò)中死亡節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相對(duì)于TR和ETR協(xié)議來(lái)說(shuō)，EAETR協(xié)議能夠分別縮減大約38%和22%的死亡節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。分析該項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)性能的原因在于，ETR協(xié)議在選擇下一跳鄰居節(jié)點(diǎn)的時(shí)候，不考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量信息，低能量節(jié)點(diǎn)很快死亡，而EAETR協(xié)議在選擇下一跳鄰居節(jié)點(diǎn)的時(shí)候，避開了那些剩余能量比較低的節(jié)點(diǎn)參與路由決策，并且設(shè)置了動(dòng)態(tài)的剩余能量閾值，使得網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的能量均衡下降，減少了節(jié)點(diǎn)死亡過(guò)早的概率，提高了網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生命期。

圖4 網(wǎng)絡(luò)中死亡節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)

如圖5所示，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)隨著時(shí)間發(fā)生變化。對(duì)于ETR協(xié)議來(lái)說(shuō)，隨著網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)明顯減少。相對(duì)來(lái)說(shuō)，EAETR協(xié)議中隨著網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)幾乎不發(fā)生變化。顯然，EAETR協(xié)議因具有動(dòng)態(tài)能量感知特性，有利于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的保持和網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的提高。

圖5 網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的鄰居個(gè)數(shù)

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了能量感知增強(qiáng)樹型路由協(xié)議，采用了同質(zhì)化加權(quán)求和的方法將鄰居節(jié)點(diǎn)節(jié)省的路由跳數(shù)和剩余能量同時(shí)考慮進(jìn)路由決策過(guò)程，并通過(guò)設(shè)定動(dòng)態(tài)的剩余能量閾值，使得網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的能量均衡下降，避免了節(jié)點(diǎn)過(guò)早死亡，有利于維持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和提高網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性。

［1］ 趙敏華，李莉，呼娜.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)工程，2014，40（2）：92-96.

［2］ 劉文軍，樊建席，李春勝，等.基于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能交通系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.傳感器技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，26（12）：1747-1751.

［3］ 呂濤，施偉斌，范坤坤，等.WSN節(jié)點(diǎn)電池供電性能測(cè)試研究［J］.傳感器技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，26（10）：1457-1462.

［4］ Javad Vazifehdan R.Venkatesha Prasad，Ertan Onur，Ignas Niemegeers.Energy-Aware Routing Algorithms for Wireless Ad Hoc Networks with Heterogeneous Power Supplies［J］.Computer Networks，October，2011，55（15）：3256-3274.

［5］ Huang Chennjung，Wang Yuwu，Liao Hsiuhui，et al.A Power-Efficient Routing Protocol for Underwater Wireless Sensor Networks［J］. Applied Soft Computing，March，2011，11（2）：2348-2355.

［6］ Sudip Misra，Sanjay K Dhurandher，Mohammad S Obaidat，et al.An Ant Swarm-Inspired Energy-Aware Routing Protocol for Wireless Ad-Hoc Networks［J］.Journal of Systems and Software，November， 2010，83（11）：2188-2199.

［7］ Basma M Mohammad El-Basioni，Sherine M Abd El-Kader，Hussein S Eissa，et al.An Optimized Energy-Aware Routing Protocol for Wireless Sensor Network［J］.Egyptian Informatics Journal，July，2011，12（2）：61-72.

［8］ Wanzhi Qiu，Efstratios Skafidas，Peng Hao.Enhanced Tree Routing for Wireless Sensor Networks［J］.Ad Hoc Networks，May，2009，7（3）：638-650.

［9］ 黃學(xué)哲，鄧慶緒，李傳文，等.采用鄰居節(jié)點(diǎn)的改進(jìn)ZigBee路由選擇算法［J］.東北大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，34（12）：1703-1706.

［10］董亮，張靈，陳云華.基于限制廣播的ZigBee分布式動(dòng)態(tài)能量均衡協(xié)議［J］.傳感器技術(shù)學(xué)報(bào)，2014，27（8）：1120-1124.

［11］曹建玲，劉文朋，彭雙，等.一種基于能耗均衡的ZigBee網(wǎng)絡(luò)高效混合路由算法［J］.電訊技術(shù)，2013，53（10）：1352-1356.

［12］王俊杰，陳其工，江明，等.LR-WPAN捷徑式能量均衡樹路由算法研究［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2012，48（23）：95-98.

［13］蔣培成，陳鳴，李兵.一種優(yōu)化ZigBee性能的綜合加權(quán)選路算法［J］.小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，2013，34（9）：2014-2017.

［14］趙躍華，崔琳潔.一種基于信譽(yù)和能量綜合評(píng)價(jià)模型的ZigBee網(wǎng)絡(luò)［J］.無(wú)線通信技術(shù)，2013，22（4）：42-47.

［15］鄧亞軍，鄧?yán)?無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量有效加權(quán)分簇算法［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2011，32（4）：1216-1219.

［16］Park J，Sahni S.An Online Heuristic for Maximum Lifetime Routing in Wireless Sensor Networks［J］.IEEE Transactions on Computers，2006，55（8）：1048-1056.

何杏宇（1984-），女，上海理工大學(xué)實(shí)驗(yàn)員，主要研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，xy_he@usst.edu.cn；

楊桂松（1982-），男，上海理工大學(xué)講師，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)與嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)等，gs_yang@aliyun.com。

Research on Energy-Aware Enhanced Tree Routing Protocol for Wireless Sensor Networks*

HE Xingyu1，ZHOU Yimin1，YANG Guisong1*，WANG Wei2
（1.Lab Management and Service Center，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China；2.Cloud Computing Center，Chinese Academy of Science，Dongguan，523808，China）

To avoid network structure being destroyed by early death of nodes with low residual energy for being selected as forwarding nodes，the current wireless sensor network routing protocols generally use a fixed residual energy threshold approach.However，this approach lacks flexibility in application.An Energy-Aware Enhanced Tree Routing（EAETR）protocol is proposed in this study，in which a dynamic residual energy threshold is set to change as node energy decreases so that network energy declines in a balanced way，and a homogenization weighted sum is used to consider both saving hops and residual energy of a neighbor node in the routing decision process.Stimulation results show that the protocol can further improve network stability.

Wireless Sensor Networks；energy-aware enhanced tree；dynamic residual energy threshold；homogenization weighted sum EEACC：6150P

TP393.04

A

1004-1699（2015）04-0551-06

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.04.017

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61472256，61202376）；上海市工程中心建設(shè)項(xiàng)目（GCZX14014）；上海市重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目（14511107902）；上海市一流學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目（XTKX2012）；滬江基金研究基地專項(xiàng)項(xiàng)目（C14001）

2014-07-30 修改日期：2015-01-21