房能沛

(廣東石油化工學院 高州師范學院，廣東 茂名 525000)

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無線傳感器網絡跨層能耗均衡路由協(xié)議

房能沛

(廣東石油化工學院 高州師范學院，廣東 茂名 525000)

在改進最小代價路由協(xié)議的基礎上，建立一個跨層能量管理模型，將網絡各層的能耗、流量、非均勻特性等融合到路由建立、路由選擇和路由維護中，設計了節(jié)點路由選擇與基站全局調節(jié)相結合的雙層規(guī)劃的跨層能耗均衡路由協(xié)議(CEBR)。該協(xié)議能綜合優(yōu)化各層能量消耗，支持多路徑流量均衡分配，以節(jié)省能量、均衡網絡能耗來延長網絡的穩(wěn)態(tài)生命周期。仿真實驗結果表明：CEBR與MCF協(xié)議相比較，在能耗均衡和延長網絡穩(wěn)態(tài)壽命上更優(yōu)。

能耗均衡；無線傳感器網絡；跨層；路由協(xié)議

無線傳感器網絡的節(jié)點經常被大規(guī)模部署在較難持續(xù)供電的環(huán)境中，加之海量數(shù)據(jù)傳輸和網絡自組織等特點，容易出現(xiàn)局部能量消耗過快的情況，造成因網絡結構破壞而導致整個網絡生命周期過早結束[1-7]。因此，降低節(jié)點能耗，合理、高效地利用有限的能量資源，最大化網絡壽命是無線傳感器網絡研究面臨的重要挑戰(zhàn)之一[8]。

在網絡傳輸時，眾多節(jié)點通常采用多跳方式相互通信，部分節(jié)點既采集數(shù)據(jù)，又轉發(fā)數(shù)據(jù)包[1]。由于流量匯聚，基站附近的節(jié)點需要承擔更多的通信負載，導致這些節(jié)點容易過早耗盡自身的能量，在基站周圍出現(xiàn)能量空洞，造成連通網絡的分割，嚴重時會使得大部分生存下來的節(jié)點不能相互通信，同時網絡中還遺留大量未被充分利用的能量資源[9-10]。因此，要延長無線傳感器網絡的生命周期，在設計高效路由協(xié)議時，既要考慮如何節(jié)省能量，也要關注能量消耗大的關鍵節(jié)點，均衡網絡能量消耗，減少和延緩能量空洞現(xiàn)象的出現(xiàn)。

Ye等[11]提出的最小代價路由協(xié)議(minimum cost forwarding，MCF)以能耗作為代價尺度，最終達到最小化能耗代價以延長網絡生命周期的目的，不過由于代價函數(shù)只考慮了能耗最少而沒有考慮各個節(jié)點的能耗率和剩余能量，會使通信量集中在最小能耗路徑的節(jié)點上，造成網絡各節(jié)點流量分擔不平衡，導致某些節(jié)點因能量耗盡失效而使網絡不能連通。

Chang等[12]認為，最小化傳輸能量并不完全適合WSNs，為此提出最大化生存時間路由協(xié)議，根據(jù)節(jié)點剩余能量與鏈路發(fā)送數(shù)據(jù)能量要求定義代價函數(shù)，利用網絡流建模，采用線性規(guī)劃方法來解決最大生存時間問題，但該算法假定事先知道各個節(jié)點的數(shù)據(jù)產生速率，實際應用時有很大的局限性。

Sadiya等[2]提出利用節(jié)點按指定的調度方法打開或關閉傳輸數(shù)據(jù)，以及對節(jié)點的能量功率進行管理來提高網絡的壽命和穩(wěn)定性。這種方法可以有效地節(jié)省網絡節(jié)點能量，但對網絡能量均衡消耗的控制不大理想。

最小能耗路由和單純能耗均衡路由都不能使網絡穩(wěn)態(tài)壽命最大化，本文提出一種新的無線傳感器網絡跨層能耗均衡路由協(xié)議(cross-layer energy balanced routing protocol in wireless sensor networks，CEBR)，該協(xié)議在最小代價路由協(xié)議[11]的基礎上進行改進，綜合考慮節(jié)省網絡能量和均衡網絡能耗，以最大化網絡穩(wěn)態(tài)壽命為優(yōu)化目標。

1　網絡能耗均衡性能的定義和計算

網絡能耗均衡性能用網絡節(jié)點能耗均衡差異性來衡量，能耗均衡差異越小，能耗均衡效果越佳。假設以基站為中心，以單跳通信距離劃分圓環(huán)區(qū)域，設節(jié)點i(i=1,2,…,n，n為網絡節(jié)點總個數(shù))的剩余能量為Eremain_i。

定義1第k層環(huán)區(qū)能耗均衡性能Pring_k為該層環(huán)區(qū)節(jié)點的剩余能量均方差，即

(1)

定義2綜合環(huán)區(qū)能耗均衡性能Ptotal為各層環(huán)區(qū)能耗均衡性能之和，即

(2)

其中hopmax為網絡當前拓撲路徑的最大跳數(shù)。

定義3網絡能耗均衡性能Pnetwork定義為網絡所有節(jié)點剩余能量的均方差，即

(3)

2　無線傳感器網絡跨層能耗均衡路由協(xié)議

2.1協(xié)議框架

本文提出一種新的無線傳感器網絡跨層能耗均衡路由協(xié)議(CEBR)，該協(xié)議在最小代價路由協(xié)議(MCF協(xié)議)[8]的基礎上進行改進，綜合考慮節(jié)省網絡能量和均衡網絡能耗，以最大化網絡穩(wěn)態(tài)壽命為優(yōu)化目標。CEBR路由協(xié)議總體設計如圖1所示。

圖1　CEBR路由協(xié)議總體設計框圖

2.2優(yōu)化目標

以下從分析改進MCF路由協(xié)議的優(yōu)化目標入手，逐步演化出CEBR路由協(xié)議的優(yōu)化目標。

(4)

對于MCF路由協(xié)議，當網絡部署后，各節(jié)點的最小能耗路徑是固定不變的，沒有備選路徑，會使通信量分擔不均衡，容易導致最小能耗路徑上的節(jié)點因轉發(fā)過多的數(shù)據(jù)包而使能量耗盡，在路徑上出現(xiàn)能量空洞，造成連通網絡的分割，嚴重時會使得大部分生存下來的節(jié)點不能相互通信，網絡生命周期結束，而同時網絡中還遺留大量未被充分利用的能量資源，網絡能量利用率低。

(5)

式(5)中的α參考MCF協(xié)議的式(4)來實現(xiàn)，歸一化：

(6)

(7)

式(7)的β可讓路徑中能量剩余不多的父節(jié)點的路徑轉發(fā)費用明顯上升，避免能量不足的父節(jié)點過度能量耗盡，將流量調節(jié)到其他能量充足的路徑上。

式(5)中的μi,lm表示為節(jié)點i在路徑lm上的全局流量調節(jié)因子，用于以大范圍全局調節(jié)各路徑簇熱點節(jié)點的數(shù)據(jù)流量。

(8)

2.3路由的具體實現(xiàn)

CEBR協(xié)議考慮了備選路徑，并在路由建立過程中向全網注入自適應改變的全局流量調節(jié)因子，以大范圍全局調節(jié)各路徑簇熱點節(jié)點的數(shù)據(jù)流量，延長網絡壽命，具體過程描述如下：

1) 基站路由建立

基站定期向整個網絡廣播路由建立信息，其路由建立過程見算法1。

算法1基站路由建立過程

① 當?shù)趉個周期T到來時，基站開啟路由建立過程，如果是第1個周期路由建立，則跳到第②步，否則，跳到第③步執(zhí)行。

② 基站維護路由建立信息包REP(route establishment packet)，REP包里的全局流量調節(jié)因子μREP初始為1，然后跳到第④步執(zhí)行。

④ 路由建立信息包REP里的路徑跳數(shù)hopREP設為0，路徑能耗初始為0，包周期TREP=k，向整個網絡廣播，廣播通信半徑為R0。

2) 節(jié)點路由建立

為避免最小能耗路由協(xié)議總是選擇最小能耗路徑轉發(fā)數(shù)據(jù)包，從而導致該路徑中節(jié)點負載過重，能量過早耗盡，CEBR協(xié)議適當產生備選路徑，提供冗余路由選擇，以均衡網絡各路徑的能耗。在節(jié)點路由建立過程中，選擇跳數(shù)、路徑能耗作為代價尺度來生成網絡的拓撲路徑和各節(jié)點的路由表，并使用全局流量調節(jié)因子以平衡網絡的能量消耗與壽命，見算法2。

算法2節(jié)點路由建立

① 當節(jié)點i收到節(jié)點p廣播的路由建立信息包REP時，判斷REP包是否為新一輪周期的第1個到達包，如果是，則清空路由表RTi{li,*,{sti}}的備選路徑集{sti}和最優(yōu)路徑li,*，在清空之前記錄好該節(jié)點i前一輪的數(shù)據(jù)流量總數(shù)fi,total：

(9)

(10)

式(9)和式(10)中：di,lm為節(jié)點i在路徑lm上與父節(jié)點的通信距離；fi,lm為前一輪選擇路徑lm轉發(fā)的數(shù)據(jù)流量。

② 處理和標識REP包新路由。首先將包的跳數(shù)hopREP增1，標識REP包的路徑為lm，根據(jù)接收REP包時的RSSI值計算與節(jié)點p的通信距離di,lm，然后根據(jù)產生的通信和處理能耗計算該路徑能耗Ei,lm。

③ 最優(yōu)路徑發(fā)現(xiàn)與路由表構建。如果REP包的路徑lm比節(jié)點i的原最優(yōu)路徑li,*優(yōu)，則當選為最優(yōu)路徑，否則作為次優(yōu)路徑，存入備選路由表，不廣播次優(yōu)路徑，簡單丟棄處理，跳到第⑧步結束算法。判別REP包的路徑lm是否比節(jié)點i的原最優(yōu)路徑li,*優(yōu)的步驟如下：按權重從高到低依次比較min(hoplm,hopli,*)，min(Ei,lm,Ei,li,*)和min(di,lm,di,li,*)，取小的值為優(yōu)。

④ 更新最優(yōu)路徑的全局流量調節(jié)因子。如果是首輪路由建立，則新的最優(yōu)路徑全局流量調節(jié)因子μi,lm=μREP，跳到第⑦步繼續(xù)執(zhí)行。不是首輪路由建立，則節(jié)點i是第1跳節(jié)點，即hopREP=1，跳到第⑤步執(zhí)行；否則，新最優(yōu)路徑μi,lm=μREP，跳到第⑥步執(zhí)行。

(11)

⑥ 識別當前節(jié)點是否是新發(fā)現(xiàn)最優(yōu)路徑的瓶頸節(jié)點。計算與該路由建立信息包ERP里的瓶頸節(jié)點HN的流量能耗綜合比率之比αi,lm：

(12)

如果αi,lm≤1，說明節(jié)點i的前一輪流量能耗綜合比率不大于新最優(yōu)路徑的當前瓶頸節(jié)點HN的前一輪流量能耗綜合比率，節(jié)點i不是該新最優(yōu)路徑上的瓶頸節(jié)點，則ERP包的全局流量調節(jié)因子μREP不變。

(13)

⑦ 更新并廣播新最優(yōu)路徑的ERP包。更新路由建立信息包ERP里的父節(jié)點PNi,lm為當前節(jié)點i，并記錄該節(jié)點的剩余能量，然后廣播出去。

⑧ 算法結束。

3) 節(jié)點路由選擇

在數(shù)據(jù)傳輸階段，基站接收到數(shù)據(jù)包時，更新轉發(fā)該數(shù)據(jù)包的第1跳節(jié)點i的當前輪流量總數(shù)flowi++、剩余能量，根據(jù)RSSI值計算并記錄與該轉發(fā)節(jié)點i的通信距離，以方便在路由建立過程中計算全局流量調節(jié)因子。

3　仿真實驗與比較

3.1仿真環(huán)境配置

使用NS2和Matlab對CEBR和MCF路由協(xié)議的性能分別進行仿真和分析比較。網絡仿真區(qū)域大小為300×300，基站Sink節(jié)點位于區(qū)域中心，坐標為(0,0)。假設除基站Sink外，所有節(jié)點同構、支持雙信道、使用全向天線、部署后靜止、初始能量相同。仿真環(huán)境參數(shù)配置見表1所示。

表1　仿真環(huán)境參數(shù)配置

3.2仿真與分析

如圖2為隨機部署在300×300區(qū)域中200個節(jié)點組成的網絡，連接節(jié)點間的實線是MCF路由協(xié)議生成的最小能耗拓撲路徑，虛線是CEBR路由協(xié)議產生的備選路徑。

圖2　非均勻分布網絡

圖3為比較路由協(xié)議在圖2分布下的網絡能耗均衡差異性隨網絡輪數(shù)的變化情況。圖中顯示輪數(shù)在由小變大過程中，網絡能耗均衡差異性越大，網絡節(jié)點的能量消耗越不均衡，而改進的 CEBR 協(xié)議的網絡能耗均衡差異性明顯優(yōu)于MCF。CEBR 協(xié)議的網絡能耗均衡差異性較MCF協(xié)議平均每輪降低了23.85%，單輪內最多降低了40.63%。

圖3　不同路由協(xié)議的網絡能耗均衡差異性比較

圖4為不同路由協(xié)議在圖2分布下的當MCF協(xié)議穩(wěn)態(tài)壽命結束時的網絡能量消耗曲面對比，越靠近中心Sink基站，能量消耗越多，這是流量匯聚效應引起的。其中CEBR協(xié)議的網絡能量消耗曲面相對MCF協(xié)議的較平整，即能耗較均衡；而MCF協(xié)議的網絡能量消耗曲面凹凸明顯，顯示其中心基站的周邊節(jié)點能量消耗過快且極不均衡，熱區(qū)范圍大，穩(wěn)態(tài)壽命低。

圖4　不同路由協(xié)議的網絡能量消耗曲面

不同路由協(xié)議的穩(wěn)態(tài)壽命和非穩(wěn)態(tài)壽命見表2和圖5，由此可見改進后的CEBR穩(wěn)態(tài)壽命比MCF協(xié)議延長88.73%。CEBR協(xié)議不僅均衡大部分非熱點節(jié)點的能耗，同時使用路徑全局流量調節(jié)因子μi,lm以大范圍調節(jié)流往各路徑簇熱點節(jié)點的流量，均衡熱點節(jié)點的能耗以延長網絡的穩(wěn)態(tài)壽命。

表2　不同路由協(xié)議的網絡壽命

圖5　不同路由協(xié)議的網絡壽命比較

4　結束語

本文提出一種新的無線傳感器網絡跨層能耗均衡路由協(xié)議，其核心思想是：在最小代價路由協(xié)議的基礎上進行改進，建立一個跨層能量管理模型，將網絡各層的能耗、流量、非均勻特性等融合到路由建立、路由選擇和路由維護中，綜合考慮節(jié)省網絡能量和均衡網絡能耗，以最大化網絡穩(wěn)態(tài)壽命為優(yōu)化目標，設計節(jié)點路由選擇與基站全局調節(jié)相結合的雙層規(guī)劃的跨層能耗均衡路由協(xié)議。實驗結果表明：本路由協(xié)議優(yōu)化了網絡各節(jié)點的能量均衡消耗，較好地解決了能量空洞問題，同時顯著地延長了網絡的穩(wěn)態(tài)壽命。

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(責任編輯楊文青)

Cross-Layer Energy Balanced Routing Protocol in Wireless Sensor Networks

FANG Neng-pei

(Gaozhou Normal College, Guangdong University of Petrochemical Technology,Maoming 525000, China)

Based on improving minimum cost forwarding routing protocol, a new cross-layer energy balanced routing protocol (CEBR) was designed for wireless sensor networks. CEBR protocol used a model of cross-layer energy management and a two-tier approach combined route selection of node and global regulation of base station. In order to prolong the lifetime of a sensor network, the proposed routing protocol optimized energy consumption at each layer, and integrated energy consumption information, data flow, non-uniform features of each layer into the process of route establishment, route selection and route maintenance, which optimized the control of network energy consumption and used multiple paths to support flow balance. The simulation results show that the improved CEBR routing protocols are better than MCF routing protocols in balancing energy consumption and prolonging network lifetime.

energy balance; wireless sensor network; cross layer; routing protocol

2016-03-27

國家科學技術部星火計劃項目(2012GA780062)；廣東省學科建設專項資金項目(2012LYM_0032)

房能沛(1985—)，男，廣東英德人，碩士，主要從事無線傳感器網絡與物聯(lián)網研究，E-mail:fangnengpei@163.com。

format：FANG Neng-pei.Cross-Layer Energy Balanced Routing Protocol in Wireless Sensor Networks[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(10):122-128.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.10.019

TP393

A

1674-8425(2016)10-0122-07

引用格式：房能沛.無線傳感器網絡跨層能耗均衡路由協(xié)議[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2016(10):122-128.