袁耀東,許紅艷

(鄭州澍青醫(yī)學高等專科學校 衛(wèi)生管理系，鄭州 450064)

無線傳感器網(wǎng)絡多跳路由協(xié)議研究

袁耀東,許紅艷

(鄭州澍青醫(yī)學高等專科學校 衛(wèi)生管理系，鄭州 450064)

無線傳感器網(wǎng)絡發(fā)展迅速，但傳感器的高能耗問題成為制約其發(fā)展的主要瓶頸，高效節(jié)能的路由協(xié)議設計成為研究熱點;針對目前無線傳感器網(wǎng)絡常用的LEACH路由協(xié)議存在的簇首能耗過分集中、簇首分布不均衡問題，提出了改進的路由協(xié)議EEACRA，在總結、分析LEACH路由協(xié)議現(xiàn)有問題的基礎上，給出了EEACRA路由協(xié)議的簇首選取門限值、簇首位置調(diào)整算法和基于能量代價最小的簇間多跳路由算法的實現(xiàn)方法，同時給出了具體的實現(xiàn)EEACRA協(xié)議的工作流程和關鍵算法；在MATLAB環(huán)境下對LEACH路由協(xié)議和EEACRA路由協(xié)議進行了仿真，對比了不同能耗降低措施對網(wǎng)絡能耗降低的貢獻;仿真結果表明EEACRA路由協(xié)議的網(wǎng)絡穩(wěn)定期較LEACH路由協(xié)議有較大的改善;證明了改進的路由協(xié)議EEACRA可以有效地提高網(wǎng)絡的穩(wěn)定期。

無線傳感器網(wǎng)絡;網(wǎng)絡體系結構;路由協(xié)議;分簇算法;LEACH協(xié)議

0 引言

近年來，無線傳感器網(wǎng)絡得到了快速發(fā)展，但能耗問題一直是無線傳感器網(wǎng)絡[1]發(fā)展的瓶頸，因此高效節(jié)能的路由協(xié)議設計就顯得至關重要。針對常用的LEACH路由協(xié)議進行改進的LEACH-C路由協(xié)議[2-3]能夠優(yōu)化簇首分布，但在每輪簇首選舉前都必須知道全網(wǎng)的剩余能量；而自組織協(xié)議SOA能夠適應網(wǎng)絡拓撲變化，并通過調(diào)整發(fā)射功率與其距離最近的節(jié)點進行通信，有效地減少了能量開銷，但其對路由節(jié)點的運算能力、存儲空間和定位能力要求過高。

針對上述問題，提出了改進的路由協(xié)議EEACRA。通過把能量判決門限和能量因子引入簇首選舉概率閾值中，使能量較多的節(jié)點被選舉為簇首的概率增加[4-5]；同時將延時機制引入簇首廣播階段，降低簇首廣播階段報文傳送發(fā)生碰撞沖突的可能性；最后通過基于能量代價最小的簇間多跳路由算法將信息發(fā)送至基站，有效的降低了網(wǎng)絡能耗并延長了網(wǎng)絡的生存時間。

1 EEACRA協(xié)議網(wǎng)絡體系及能耗模型

1.1 EEACRA協(xié)議網(wǎng)絡體系

EEACRA協(xié)議是分層路由協(xié)議，采用分布式自舉成簇算法[6-7]，在邏輯上將整個網(wǎng)絡劃分為匯聚節(jié)點，簇首節(jié)點成員節(jié)點三層，具體如圖1所示。

圖1 EEACRA協(xié)議網(wǎng)絡體系結構模型

在數(shù)據(jù)傳送過程中，各簇首節(jié)點通過多跳方式選取最優(yōu)路由線路將數(shù)據(jù)傳送至匯聚節(jié)點。簇首節(jié)點主要負責成員節(jié)點的管理和時隙分配，同時將接收到的成員節(jié)點數(shù)據(jù)進行融合后發(fā)送至匯聚節(jié)點；成員節(jié)點主要負責周圍環(huán)境信息的采集和將采集到的信息發(fā)送至簇首節(jié)點；匯聚節(jié)點主要負責與外圍網(wǎng)絡進行通信，將采集到的數(shù)據(jù)傳送至客戶端。

1.2 EEACRA協(xié)議能耗模型

LEACH路由協(xié)議的能耗模型如圖2所示。

圖2 路由協(xié)議能耗框圖

出現(xiàn)發(fā)送節(jié)點和信息接收節(jié)點之間距相近的情況時，根據(jù)無線電自由空間傳播模型，信號功率與距離的2次方成反比，接收功率如式(1)所示：

(1)

出現(xiàn)發(fā)送節(jié)點和信息接收節(jié)點之間距相遠的情況時，根據(jù)雙線地面反射傳播模型，信號功率與距離的4次方成反比，接收功率如式(2)所示：

(2)

在式(1)、式(2)中，Pt表示發(fā)射功率，Gt表示發(fā)射天線增益，Gr表示接收天線增益，λ表示波長，L表示系統(tǒng)損耗因子，hr表示接收天線高度，ht表示發(fā)射天線高度，d表示收發(fā)節(jié)點間距。

為研究問題方便，分別用近距離功率衰減系數(shù)和遠距離功率衰減系數(shù)εfs和εmp代替式(2)、式(3)中與收發(fā)節(jié)點間距d無關的量。故傳感器節(jié)點向間距d處的節(jié)點發(fā)送l bits數(shù)據(jù)的能耗如式(3)所示：

(3)

式(3)中，Eelec為節(jié)點接收或發(fā)送單位bit數(shù)據(jù)的能耗。

無線電波傳送的分界參考距離d0如式(4)所示：

(4)

傳感器節(jié)點接收lbit數(shù)據(jù)的能耗如式(5)所示：

ERx(l)=Eelec×l

(5)

簇首融合n個傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)的能耗如式(6)所示：

E(l,n)=EDA×l×n

(6)

式(6)中，EDA為融合單位bit數(shù)據(jù)的能耗。

2 EEACRA協(xié)議實現(xiàn)

2.1 簇首選取門限的確定

根據(jù)文獻[8]的分析可知，LEACH路由協(xié)議無法避免能量較小的節(jié)點被選舉為簇首，也無法保證各輪簇首選舉過程中簇首數(shù)目能夠達到最優(yōu)值；而當網(wǎng)絡中有節(jié)點的能量耗盡時，簇首數(shù)目最優(yōu)值也無法進行相應的調(diào)整[9]。

為解決上述問題，提出新的簇首選舉門限。不妨設網(wǎng)絡初始化時的節(jié)點數(shù)目為N0，在初始化時經(jīng)統(tǒng)計得出網(wǎng)絡能耗最低時的簇首數(shù)目為kep，則網(wǎng)絡能耗最低時的簇首比例為kep/N0。但隨著網(wǎng)絡節(jié)點能量的消耗，部分節(jié)點變?yōu)闊o效節(jié)點，整個網(wǎng)絡能耗最低時的簇首個數(shù)kep會發(fā)生變化，簇首選舉概率如式(7)所示：

(7)

從式(7)中可以看出，隨著網(wǎng)絡有效節(jié)點數(shù)量的減少，簇首選舉概率與網(wǎng)絡中存活的節(jié)點數(shù)目N的平方根成反比，與網(wǎng)絡初始化時節(jié)點數(shù)目N0的平方根成正比[10-11]。

為加大剩余能量較高的節(jié)點被選舉為簇首的概率。在考慮節(jié)點剩余能量和優(yōu)化簇首選舉門限的基礎上，再引入網(wǎng)絡中當前存活的節(jié)點數(shù)目對網(wǎng)絡能耗最低時簇首比例的影響，同時在門限值T(n)中引入簇首選舉概率Pep，則EEACRA路由協(xié)議的簇首選舉公式如式(8)所示：

Tep(n)=

(8)

式(8)中，Pep表示當前輪節(jié)點n被選舉為簇首的概率，En_cur表示節(jié)點n的當前剩余能量，Ech_av(r-1)表示上一輪所有簇首剩余能量的平均值，r表示當前輪次，σ表示修正系數(shù)。

2.2 簇首位置調(diào)整算法

EEACRA路由協(xié)議最佳簇首的個數(shù)用kep表示，在傳感器節(jié)點均勻分布的情況下，各簇首間距的期望值如式(9)所示：

(9)

式中，c表示滿足網(wǎng)絡任務覆蓋要求所需的常數(shù)，S表示網(wǎng)絡覆蓋的總面積，kep表示簇首個數(shù)均值。

為解決每輪選舉過程中，各簇首距離過近引起的簇首廣播階段報文傳送發(fā)生碰撞沖突的概率，需要對各簇首位置進行調(diào)整[11-12]。具體方法如下：

1)當節(jié)點通過門限值確定可以成為簇首后，并不立刻進行簇首聲明的廣播，先根據(jù)上輪所有簇首的能量均值和節(jié)點自身的剩余能量設定一個定時器t(n)，節(jié)點自身剩余的能量越多，設定的定時時間就越短；

2)如果在到達定時器的定時時間之前接收到其它節(jié)點的簇首聲明的廣播，則先判斷其與簇首聲明節(jié)點的距離，如果間距小于分界距離d0，則該節(jié)點直接加入簇首，成為其成員節(jié)點；否則廣播簇首聲明，聲明自己為簇首。

定時器的定時時間與節(jié)點自身剩余能量的關系如式(10)所示：

0

(10)

式中，ε表示時間調(diào)整系數(shù)，En_cur表示節(jié)點n的當前剩余能量，Ech_av(r-1)表示上一輪所有簇首剩余能量的平均值。從式中可以看出，t(n)的大小由節(jié)點當前的剩余能量決定，因此，各節(jié)點通過定時器得到的廣播時延一般不同，由此可見，引入t(n)可以調(diào)整簇首位置，同時也能夠降低信道沖突的概率。但EEACRA路由協(xié)議的簇首位置調(diào)整算法將部分簇首節(jié)點重置為普通節(jié)點，這就使網(wǎng)絡最優(yōu)簇首數(shù)目的期望值偏離了預設的簇首優(yōu)化值kep，因此必須通過修正系數(shù)σ修正簇首選取公式。

2.3 基于能量代價最小的簇間多跳路由算法

2.3.1 算法概述

簇首節(jié)點需要處理接收到的成員節(jié)點數(shù)據(jù)并將融合后的數(shù)據(jù)發(fā)送至匯聚節(jié)點的雙重任務。因此，當簇首與匯聚節(jié)點的間距較大時，為減小簇首節(jié)點能耗，應采用多跳路由算法，但多跳路徑很多，EEACRA路由協(xié)議使用能量代價最小的多跳路由算法來均衡簇首能耗，具體算法如下：

1)在成簇期間，匯聚節(jié)點向整個網(wǎng)絡周期性的廣播包含發(fā)射功率、時鐘同步等信息的控制報文，各簇首依據(jù)發(fā)射功率和RSSI值估算其與匯聚節(jié)點的間距，然后通過式3計算其到匯聚節(jié)點的通信能耗，并將其作為初始路徑代價在簇首廣播中聲明。

2)各簇首在接收到其它簇首廣播后，比較自身的原路徑代價和通過廣播簇首為中繼節(jié)點的路徑代價，如果自身的原路徑代價大于通過廣播簇首為中繼節(jié)點的路徑代價，則對該節(jié)點的中繼節(jié)點和路徑代價進行更新，同時在備用的中繼路由信息庫中保存原中繼節(jié)點和路徑代價，隨后簇首向全網(wǎng)廣播更新后的路徑代價[13-14]。

2.3.2 最優(yōu)中繼簇首的選擇

研究表明傳感器節(jié)點的主要能耗來源是無線通信模塊，其中空閑能耗與接收能耗基本持平，約為發(fā)送能耗的75%。在選擇最優(yōu)中繼簇首的過程中，EEACRA路由協(xié)議考慮了中繼簇首發(fā)送和接收數(shù)據(jù)兩方面的能耗。最優(yōu)中繼簇首選擇的的過程如下：

1)初始路徑代價的計算。各簇首先估算其到匯聚節(jié)點的通信距離dto_Sink，然后根據(jù)式3計算出自身與匯聚節(jié)點直接進行通信的能耗，記為初始路徑代價Cost0(CHi)，其計算公式如式(11)所示：

(11)

2)更新路徑代價的計算。各簇首在接收到其它簇首的廣播后，通過估算其與其它簇首的間距來計算以其它簇首作為中繼節(jié)點的路徑代價，如果中繼路徑代價比簇首的初始路徑代價低，則以中繼路徑代價作為簇首的路徑代價。但在網(wǎng)絡中可能存在若干個小于簇首初始路徑代價的中繼節(jié)點，簇首默認的中繼節(jié)點為路徑代價最小的中繼節(jié)點，并在隨后的廣播中聲明該路徑代價為簇首的路徑代價[15]。

簇首i以簇首j作為其中繼節(jié)點時的路徑代價如式12所示：

(12)

2.3.3 路由維護

網(wǎng)絡每輪簇首選舉開始時，成簇階段建立的簇間多跳路由關系都要重新建立，因此無需對路由表進行專門的維護。在各輪數(shù)據(jù)傳送過程中，如果簇首默認的中繼節(jié)點不能正常進行中繼，則選取次優(yōu)中繼節(jié)點完成數(shù)據(jù)傳送；如果全部中繼節(jié)點都無法進行正常中繼，則簇首與匯聚節(jié)點直接進行數(shù)據(jù)傳送。因此EEACRA路由協(xié)議的多跳算法對于網(wǎng)絡應用是穩(wěn)定可靠的，不會存在數(shù)據(jù)無法傳送的情況。

2.4 EEACRA協(xié)議工作流程

EEACRA路由協(xié)議為分簇層次型路由協(xié)議，采用簇首輪換的方式來均衡網(wǎng)絡各節(jié)點的能耗，每輪簇首輪換過程由組網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸兩個階段組成。EEACRA路由協(xié)議的工作流程框圖如圖3所示。

圖3 EEACRA路由協(xié)議工作框圖

2.4.1 組網(wǎng)階段

組網(wǎng)初始化：首先復位各節(jié)點狀態(tài)，然后匯聚節(jié)點向全網(wǎng)周期性地廣播Beacon信息，信息的主要內(nèi)容包括網(wǎng)絡初始化時的節(jié)點數(shù)N0，本輪組網(wǎng)前存活的節(jié)點數(shù)N，本輪簇首選舉概率Pep，上輪簇首能量均值Ech_av(r-1)，修正系數(shù)σ，距離分界值d0、發(fā)射功率和時間同步等信息。

產(chǎn)生準簇首：各節(jié)點隨機生成一個0到l之間的數(shù)，如果生成的隨機數(shù)小于式8中的門限值T(n)，則自舉該節(jié)點為準簇首。

產(chǎn)生簇首：各簇首通過式11計算自身的初始路徑代價，然后按式10計算自身的定時時間同時啟動定時器。到達定時時間時，向全網(wǎng)廣播簇首聲明信息。

簇首位置調(diào)整與簇間多跳路由建立：根據(jù)前述的簇首位置調(diào)整算法，可以建立整個網(wǎng)絡的簇首節(jié)點；然后按式12進行路徑迭代，即可建立多跳路由。

普通節(jié)點入網(wǎng)：普通節(jié)點會接收到周圍各簇首的簇首廣播，根據(jù)廣播的信號強度選取一個距離最近的簇首加入。選定要加入的目標簇首后，通過CSMA/CA協(xié)議接入信道，向選定簇首發(fā)出內(nèi)容為簇首ID和節(jié)點ID的Join-REQ消息請求加入成為其成員節(jié)點。

分配時隙：當簇首定時器計時到時，簇首為每個成員節(jié)點分配工作時隙。簇首先通過CSMA/CA協(xié)議接入通信信道，然后廣播Join-ACK消息使其成員節(jié)點接收到時隙分配表。成員節(jié)點按照時隙分配情況設定定時器，并據(jù)此切換通信和休眠狀態(tài)。

2.4.2 數(shù)據(jù)傳送階段

簇首融合信息：簇內(nèi)全部成員節(jié)點在分配的時隙內(nèi)將采集到的數(shù)據(jù)傳送至簇首后，簇首按預先設定的算法對信息進行融合，成員節(jié)點則進入休眠狀態(tài)直至下個組網(wǎng)周期。

數(shù)據(jù)傳送：簇首將各成員節(jié)點的數(shù)據(jù)融合后發(fā)送至匯聚節(jié)點。當網(wǎng)絡完成一定時間的數(shù)據(jù)傳送后，根據(jù)相關算法進入下輪組網(wǎng)階段。

3 系統(tǒng)仿真

本文利用MATLAB對EEACRA路由協(xié)議和LEACH路由協(xié)議進行了對比仿真。仿真網(wǎng)絡傳感器節(jié)點數(shù)量為100，監(jiān)測面積為100 m*100 m，無線傳感器節(jié)點隨機布置，在網(wǎng)絡監(jiān)測中心位置設置匯聚節(jié)點，其仿真參數(shù)為：4 000 bits的數(shù)據(jù)包、1J的節(jié)點初始狀態(tài)能量、10 pJ/bit/m2的近距離功率衰減系數(shù)εfs、40 bits的控制包長度、5 nJ/bit的節(jié)點收發(fā)送單位bit數(shù)據(jù)的能耗Eelec、0.001 3 pJ/bit/m4的遠距離功率衰減系數(shù)εmp。EEACRA協(xié)議共采取了3種措施來降低LEACH協(xié)議的能耗，具體如表1所示。

表1 EEACRA協(xié)議能耗降低措施

EEACRA(EP)協(xié)議與LEACH協(xié)議的網(wǎng)絡穩(wěn)定期仿真結果如圖4所示。

圖4 EEACRA(EP)與LEACH 網(wǎng)絡穩(wěn)定期對比

EEACRA(EPD)協(xié)議與LEACH協(xié)議的網(wǎng)絡穩(wěn)定期仿真結果如圖5所示。

圖5 EEACRA(EPD)與LEACH 網(wǎng)絡穩(wěn)定期對比

EEACRA(EPDH)協(xié)議與LEACH協(xié)議的網(wǎng)絡穩(wěn)定期仿真結果如圖6所示。

圖6 EEACRA(EPDH)與LEACH 網(wǎng)絡穩(wěn)定期對比

從圖4中可以看出，節(jié)點隨機部署的情況下，EEACRA(EP)協(xié)議的網(wǎng)絡穩(wěn)定期均值為2296 輪，LEACH協(xié)議的網(wǎng)絡穩(wěn)定期均值為1892 輪，平均網(wǎng)絡穩(wěn)定期延長比例約為21.35%。

從圖5中可以看出，節(jié)點隨機部署的情況下，EEACRA(EPD)協(xié)議的網(wǎng)絡穩(wěn)定期均值為2415輪，LEACH協(xié)議的網(wǎng)絡穩(wěn)定期均值為1892輪，平均網(wǎng)絡穩(wěn)定期延長比例約為27.64%。

從圖6中可以看出，節(jié)點隨機部署的情況下，EEACRA(EP)協(xié)議的網(wǎng)絡穩(wěn)定期均值為2444 輪，LEACH協(xié)議的網(wǎng)絡穩(wěn)定期均值為1892 輪，平均網(wǎng)絡穩(wěn)定期延長比例約為29.18%。

綜上可以看出，節(jié)點隨機部署的情況下，EEACRA(EP)、EEACRA(EPD)和EEACRA(EPDH)與LEACH相比，網(wǎng)絡穩(wěn)定期均值分別提高了約21.35%、27.64%和29.18%。但各措施對協(xié)議能耗的改善貢獻不同，其中，能量加權因子使EACRA的網(wǎng)絡穩(wěn)定期均值延長了約21.35%，延時機制使網(wǎng)絡穩(wěn)定期均值延長了約6.29%，多跳路由機制使網(wǎng)絡穩(wěn)定期均值延長了約1.42%。故在實際網(wǎng)絡應用中，可根據(jù)不同的網(wǎng)絡要求對協(xié)議進行適當裁剪，使協(xié)議在獲得良好增益性能的前提下降低算法的復雜度。

4 結論

針對無線傳感器網(wǎng)絡常用的LEACH路由協(xié)議存在的簇首能耗過分集中、簇首分布不均衡問題，提出了改進的路由協(xié)議EEACRA，有效地提高了網(wǎng)絡的穩(wěn)定期。同時給出了EEACRA路由協(xié)議實現(xiàn)的關鍵算法和工作流程，并對比了不能能耗降低措施對網(wǎng)絡能耗降低的貢獻，對EEACRA協(xié)議在無線傳感器網(wǎng)絡中的實際應用具有重要意義。

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Research of Wireless Sensor Network (WSN)Multiple Hop Routing Protocol

Yuan Yaodong,Xu Hongyan

(Department of Public Science Education, Zhengzhou Shuqing Medical College, Zhengzhou 450064, China)

The wireless sensor network has developed rapidly, but the high energy consumption of the sensor has become the main bottleneck restricting its development. Based on the current LEACH routing protocol of wireless sensor network (WSN)are commonly used excessive concentration of energy consumption of cluster head, cluster head distribution imbalance problem, puts forward the improved routing protocol EEACRA. After studying the existing problems on the basis of LEACH routing protocol, gives the EEACRA routing protocol of the cluster head selecting threshold method, cluster head position adjustment algorithm and the cluster based on the minimum energy cost between multiple hops routing algorithm implementation method, finally in the MATLAB environment to LEACH routing protocol and EEACRA routing protocols are simulated, the contribution of different energy consumption reduction measures to the network energy consumption reduction is compared. The simulation results show that the network stability EEACRA routing protocol is the improvement of the LEACH routing protocol have larger. Proved that the validity of the agreement.

wireless sensor network; network architecture; routing protocols; clustering algorithms; LEACH agreement

2016-10-25；

2016-11-18。

袁耀東(1984-),男, 碩士，講師，網(wǎng)絡工程師，主要從事計算機網(wǎng)絡與云計算方向的研究。

1671-4598(2017)04-0254-05

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.04.069

TM417

A