賈新春,張俊麗,池小波

(山西大學 數學科學學院,山西 太原 030006)

一種基于能量均衡的地理路由協(xié)議設計

賈新春,張俊麗,池小波

(山西大學 數學科學學院,山西 太原 030006)

針對無線傳感器網絡中無線鏈路不穩(wěn)定與節(jié)點能耗不均衡等問題,提出一種基于能量均衡的地理路由協(xié)議。在路徑構建階段,為了避免傳統(tǒng)地理路由中貪婪轉發(fā)引起的某些節(jié)點過度使用,文章將簇作為數據傳輸的基本單元,并對節(jié)點設置能量閾值。在路由度量選擇時,綜合考慮簇內節(jié)點數目和簇中心到匯聚節(jié)點的距離,以便均衡簇間節(jié)點能量消耗。在數據傳輸階段,利用協(xié)同通信與網絡編碼技術提高數據傳輸可靠性。最后,理論分析與數值實驗同時表明:所提協(xié)議能夠顯著地提高數據包傳輸成功率,減少數據包重傳次數。

無線傳感器網絡; 地理路由協(xié)議; 網絡編碼; 可靠性; 能量均衡

0 引言

無線傳感器網絡(WSNs)是由大量具有感知,計算和通信能力的微型傳感器節(jié)點通過無線通信方式形成的一個多跳,自組織的網絡系統(tǒng)[1]。通常被部署在長期無人值守的區(qū)域,惡劣復雜的工作環(huán)境對WSNs通信可靠性提出挑戰(zhàn),并且網絡中節(jié)點能量消耗不均也導致部分節(jié)點過早死亡,降低網絡生存時間。因此,如何設計一個可靠,高效的路由協(xié)議成為一個挑戰(zhàn)性的問題[2-3]。

2000年Ahlswede等人首次提出網絡編碼的概念[4],改變了傳統(tǒng)通信網絡中節(jié)點只對收到的信息存儲與轉發(fā)的模式,允許中間節(jié)點對接收到的數據包進行編碼處理,以少量數據包冗余避免數據包重傳的同時降低網絡因節(jié)點故障或失效對網絡魯棒性的影響[5]。許多研究者開始利用網絡編碼技術提高網絡可靠性與魯棒性。文獻[6]研究了存在節(jié)點故障的無線傳感器網絡中基于隨機網絡編碼的可靠協(xié)同通信,通過網絡編碼與協(xié)同通信技術提高網絡抵御節(jié)點故障,鏈路失敗的能力,但忽略路徑與簇的構建過程。文獻[7]研究了一種基于網絡編碼的簇級多路徑路由,通過對傳統(tǒng)多路徑路由協(xié)議的改進,建立了以簇為單位的多路徑路由,利用路徑冗余和網絡編碼提高了數據包傳輸可靠性,但是以簇為單位的多路徑路由要求網絡具有較高的節(jié)點密度。文獻[8]研究了多媒體無線傳感器網絡瓶頸區(qū)域的節(jié)能機制,結合占空比與網絡編碼技術降低瓶頸區(qū)域節(jié)點能量消耗,達到均衡網絡中節(jié)點能量消耗的目的。文獻[9]提出一種基于地理信息的能量均衡路由算法,通過約束下一跳節(jié)點的轉發(fā)空間來控制不重要的數據包傳輸,并綜合考慮四種度量因素選擇下一跳轉發(fā)節(jié)點,均衡候選轉發(fā)空間中節(jié)點的能耗,但其沒有考慮網絡在數據傳輸方面的可靠性。

基于地理位置信息的路由協(xié)議廣泛應用于WSNs,通常利用貪婪轉發(fā)方法作為數據發(fā)送機制,節(jié)點總是選擇其鄰居節(jié)點中離匯聚節(jié)點最近的節(jié)點作為其下一跳節(jié)點。由于路由準則單一,某些節(jié)點可能被頻繁選為中繼節(jié)點轉發(fā)數據包,導致節(jié)點間能量消耗不均衡,嚴重影響網絡的性能[10]。為此,結合協(xié)同通信與網絡編碼技術,提出一種以簇為單位的路由協(xié)議,節(jié)點利用地理位置信息實現虛擬網格分簇[11]。簇內節(jié)點根據剩余能量與能量閾值選擇簇頭節(jié)點與參與數據傳輸的節(jié)點。考慮到簇中剩余能量大于能量閾值的節(jié)點數目不同可能會造成簇間節(jié)點能量消耗不均衡的現象,綜合利用簇內剩余能量大于閾值的節(jié)點數目與到匯聚節(jié)點的距離構建代價函數,作為路由度量選擇下一跳簇,改善貪婪轉發(fā)因路由準則固定而導致網絡中某些節(jié)點過早死亡的現象, 均衡網絡中節(jié)點能量消耗。最后,提出兩種網絡性能的度量:數據包傳輸成功率(SDR)與標準化能量消耗(T)。并通過Matlab數值實驗對比分析了所提協(xié)議與傳統(tǒng)單路徑及不相交多路徑路由之間的性能差異。

1 網絡模型與假設

Fig.1 Network model圖1 網絡模型

Source與Sink節(jié)點分別部署于編號為1和15的網格,Source負責收集數據,將數據包以組劃分,并對每組數據包先隨機網絡編碼再發(fā)送到下一跳節(jié)點。中繼節(jié)點具有相同的計算與通信能力,且不執(zhí)行數據采集,對其接收到的數據包重新隨機編碼后發(fā)送到下一跳節(jié)點,直到數據包傳輸到匯聚節(jié)點,Sink節(jié)點對收到的數據包進行解碼,獲得原始數據包。

為了便于研究,作如下合理假設:1)所有傳感器節(jié)點部署后無法移動;2)節(jié)點當且僅當能量耗盡才會死亡;3)節(jié)點可通過GPS或定位算法獲得自身地理坐標。

2 基于能量均衡的地理路由協(xié)議(EBGR)

路由協(xié)議負責將分組數據包從源節(jié)點通過網絡轉發(fā)到匯聚節(jié)點,它主要包括兩方面功能:尋找源節(jié)點到目的節(jié)點的優(yōu)化路徑,將數據沿著優(yōu)化路徑正確轉發(fā)[12]。EBGR協(xié)議的主要思想:為了均衡簇內與簇間節(jié)點能量消耗,在簇頭選擇與路徑構建階段,簇內節(jié)點綜合考慮其剩余能量和到網格中心距離構建代價函數選擇簇頭,并以簇內活躍節(jié)點數目與相鄰兩跳節(jié)點前進距離作為路由度量選擇最佳的下一跳簇。在數據傳輸階段,簇內節(jié)點通過協(xié)同通信與網絡編碼技術降低網絡因節(jié)點故障或鏈路失效引起的數據傳輸不可靠。

2.1 簇頭選擇

初始時刻,每個傳感器節(jié)點都具有相同能量E,選擇離網格中心位置最近的節(jié)點作為簇頭。由于簇頭節(jié)點負責數據傳輸的同時參與路徑構建過程,能量消耗較快,每經過T輪數據傳輸,將重新選擇簇頭節(jié)點。

首先,節(jié)點根據自身剩余能量決定是否參與到簇頭節(jié)點選擇階段,如果剩余能量大于閾值e,將參與競爭簇頭與數據傳輸階段。簇內節(jié)點以TDMA方式廣播NODE-MSG報文并將其存儲到Nei-LIST,報文包含本節(jié)點的節(jié)點編號(node-ID),位置信息(x,y),網格編號(C-ID)與節(jié)點剩余能量(Eres),當其余節(jié)點收到報文時,檢驗報文中包含的C-ID是否與自身網格編號相同,如果節(jié)點與收到的報文C-ID相同,表示節(jié)點屬于同一簇,則將報文存儲到Nei-LIST中,否則,直接丟棄。根據節(jié)點能耗公式[13],節(jié)點數據傳輸能量消耗隨通信距離呈指數增長,為了避免相鄰兩跳簇頭節(jié)點距離過遠而造成節(jié)點能耗過多,簇頭節(jié)點應分布趨于網格中心[14]。綜合考慮節(jié)點剩余能量與其到網格中心距離選擇簇頭節(jié)點,節(jié)點i優(yōu)先級度量為αi(見(1)),每個節(jié)點根據Nei-LIST對αi降序排序,排在首位的節(jié)點將充當簇頭節(jié)點。顯然,節(jié)點剩余能量越多,離網格中心位置距離越近,αi值越大,被選為簇頭的優(yōu)先級越高。節(jié)點獲得度量值排序后,根據時槽大小確定是否參與發(fā)送數據及其發(fā)送數據的時槽隊列,比如,時槽個數Nα為5,節(jié)點排序所得優(yōu)先級為6,節(jié)點將不參與數據傳輸,只有優(yōu)先級排序大于Nα的節(jié)點才參與數據傳輸。節(jié)點優(yōu)先級度量αi計算公式如下:

(1)

2.2 路徑構建

路由發(fā)現由匯聚節(jié)點發(fā)起,每個簇頭節(jié)點廣播CLU-MSG報文,報文中應包含本簇中能量大于閾值e的節(jié)點數目n,網格中心位置信息C(x,y),其通信范圍內的每個簇頭節(jié)點或匯聚節(jié)點把收到的報文信息存儲在CLU-LIST中。在數據傳輸之前,每個簇頭節(jié)點或匯聚節(jié)點先檢驗其CLU-LIST中,是否有源節(jié)點所在簇的信息,只有源節(jié)點不在簇頭節(jié)點或匯聚節(jié)點的一跳范圍內才進行度量值計算與選擇最佳下一跳簇。

首先,匯聚節(jié)點廣播路由包REED,REED包含當前節(jié)點(CurID),源節(jié)點所在簇(SCID),匯聚節(jié)點(DID)與下一跳簇(NexCID)的信息。貪婪轉發(fā)是地理路由常用的數據包轉發(fā)方法,選擇離匯聚節(jié)點最近的節(jié)點作為下一跳,貪婪轉發(fā)路由準則單一常導致部分節(jié)點因過度使用而能量耗盡,為了均衡網絡中各簇間節(jié)點能量消耗,避免某些簇中節(jié)點因過度使用而過早死亡,綜合考慮簇內剩余能量比e大的節(jié)點數目與到匯聚節(jié)點的距離作為度量值βi(見(2))。每個接收到REED的節(jié)點檢驗NexCID是否與自身CID相同,不一致的節(jié)點直接丟棄REED,其余節(jié)點將存儲路由包。然后,簇頭節(jié)點,根據收到REED中CLU-LIST信息計算下一跳節(jié)點,簇頭更新REED中當前節(jié)點的信息CurID與所選擇的下一跳簇的NexCID。依照以上方式廣播路由包繼續(xù)尋找最佳的下一跳簇,直到簇頭節(jié)點CLU-LIST中包含源節(jié)點所在簇的信息,直接選定源節(jié)點為其下一跳,路徑構建完成。

路徑構建過程階段,簇頭節(jié)點或匯聚節(jié)點利用CLU-LIST中節(jié)點數目n與網格位置C(x,y)計算度量值βi,顯然,n與C(x,y)值越大,被選為下一跳簇的優(yōu)先級越高。選擇具有最大值βi的簇作為下一跳簇。

(2)

其中,γ為權重因子,可根據具體應用需求來選擇。ni,Di分別為簇i的度量值,簇內剩余能量比i大的節(jié)點數目,網格i中心到匯聚節(jié)點的距離。N為大于ni的常數。D表示源節(jié)點與匯聚節(jié)點之間的距離。

2.3 數據傳輸

在傳統(tǒng)網絡中,中繼節(jié)點負責向下游節(jié)點轉發(fā)接收到的數據包,在EBGR協(xié)議中,中繼節(jié)點需要對收到的數據包先隨機網絡編碼產生新的數據包,再轉發(fā)到下一簇。如圖2所示,首先,Source對收集到的數據以組劃分,每組包含K個數據包,并對分組后的K個數據包進行隨機線性網絡編碼,為了提高數據傳輸成功率,編碼生成K′個數據包(K′>K),并連續(xù)發(fā)送給下一簇節(jié)點。然后,簇中每個節(jié)點根據對收到的數據包進行隨機網絡編碼后,以TDMA方式傳輸給下一簇中節(jié)點,直到數據包傳輸到Sink。最后,匯聚節(jié)點對收到的數據包進行解碼。

Fig.2 Date transmission model of EBGR圖2 EBGR數據傳輸模型

2.3.1 源節(jié)點編碼

源節(jié)點將需要發(fā)送的同組K個數據包進行隨機線性組合生成新的編碼后的數據包:

(3)

其中,Pj,j∈(1,2,…,K)為原始數據包,aij為取自伽羅華域的隨機系數,Ci為編碼后的數據包,編碼向量vi=(ai1,ai2,…,aiK)將被封裝于數據包。為了增加數據傳輸可靠性,源節(jié)點增加數據包冗余,生成的K′(K′>K)個新的數據包,并連續(xù)發(fā)送到下一跳簇中。

2.3.2 轉發(fā)簇節(jié)點再編碼

中繼節(jié)點收到多個來自上一簇中節(jié)點發(fā)送的數據包時,將對其進行再編碼轉發(fā):

(4)

Cr，vr分別是相應的編碼后新的數據包和編碼向量,bri表示轉發(fā)簇中節(jié)點在伽羅華域隨機生成的編碼系數,Ci為轉發(fā)簇中某個節(jié)點收到的數據包。

為了避免簇內節(jié)點數據傳輸相互干擾與沖突,采用TDMA的方式進行數據傳輸。時槽個數為Nα,當ni≥Nα時,節(jié)點根據度量值β的優(yōu)先級排序確定數據發(fā)送時槽,只有β排序在前Nα的節(jié)點參與數據轉發(fā),網絡運行一段時間,可能出現類似情況:簇內能夠參與到數據傳輸的節(jié)點數目nin時(TS表示時槽縮寫),簇內節(jié)點對收到的數據包重新編碼并按照度量值排序(如圖3)依次傳輸新的數據包,直到滿足所要求的Nα.例如ni=4,TS=5時,x=(TS modni)=1.x為節(jié)點度量值βi的排序值。

Fig.3 Time slot queue圖3 時槽隊列

2.3.3 匯聚節(jié)點解碼

匯聚節(jié)點接受完數據包時,將根據收到的數據包和相應的編碼向量將對其進行解碼

(5)

是數據包相應的編碼向量。

當且僅當rank(VS)≥K運用高斯消去方法,我們就可以用下式成功獲得原始的數據包。

(6)

Cs=(C1,C2,…,CN)T為Sink節(jié)點收到的n個數據包。

3 性能分析

在無線傳感器網絡中,可靠數據傳輸,節(jié)約節(jié)點能量與延長網絡生存周期是路由設計考慮的主要因素,在本節(jié)我們給出了所提協(xié)議數據傳輸可靠性與節(jié)點能量消耗高效性的度量并對其進行理論分析。

3.1 數據包傳輸成功率

為了描述無線傳感器網絡數據傳輸可靠性,我們定義了一種度量:傳輸K個數據包的成功傳輸率SDR.也就是在一輪數據傳輸過程中,匯聚節(jié)點能夠解碼出原始數據包的概率:

(7)

其中,pi表示第i跳數據包傳輸成功率,H表示源節(jié)點到匯聚節(jié)點的跳數。

在基于網絡編碼的數據包傳輸網絡中,匯聚節(jié)點需要對收到的數據包進行解碼,才能得到原始數據,只有收到不小于K個線性無關數據包時,Sink節(jié)點才能解碼出原始數據包。文獻[15]研究了收到數據包個數與匯聚節(jié)點解碼率的關系,令p(n,k)表示收到n個數據包,能成功解碼原始數據包的概率,即在伽羅華域隨機生成n×k矩陣,其秩大于k的概率為:

(8)

其中,q為伽羅華域的大小,當伽羅華域足夠大時,p(n,k)→1,即當q足夠大,只要Sink接收到n≥k個數據包,可看作原始數據包被成功接收。因而,在研究數據包傳輸成功率時,我們忽略解碼率對SDR的影響。

(9)

(10)

(11)

3.2 標準化能量消耗

由于節(jié)點能量消耗與其數據包傳輸次數成比例,為了便于不同協(xié)議之間的比較,我們把每傳輸K個數據包所需的傳輸次數與K個數據包傳輸成功率SDR比值作為標準化能量消耗的一種度量:

(12)

在一輪數據傳輸過程中,傳輸K個數據包所需的數據包傳輸次數包括源節(jié)點發(fā)送的編碼數據包數目K′與轉發(fā)簇中所需傳輸的數據包個數(H-1)Nα,顯然,n與K′,H,Nα及n都有關,K′,H與Nα越大,n越大,n越小,n越大,即成功傳輸n數據包所需的傳輸次數越多,節(jié)點標準化能量消耗越多。

4 數值仿真實驗

基于以上理論分析,針對基于能量均衡的地理路由(EBGR),傳統(tǒng)單路徑(TS),不相交多路徑路由(DM)協(xié)議在數據包傳輸成功率(SDR),標準化能量消耗(T)兩方面的性能進行仿真實驗對比。分別研究了三種協(xié)議誤碼率(BitErrorRate),跳數H,簇內傳輸數據包數目Nα,源節(jié)點發(fā)送數據包數目K′對SDR與T的影響。首先作如下參數設置:L=1024bits,L-head=48bits,K=3,K′=5.

4.1 跳數,誤碼率對數據包傳輸成功率,標準化能量消耗的影響

為了比較跳數對三種不同協(xié)議可靠性的影響,分析比較在傳輸K=3個數據包情況下,H與BitErrorRate分別對SDR與T的影響。對于不相交多路徑協(xié)議,路徑數設置為Nα.NC(見圖4,5)表示在數據傳輸階段運用網絡編碼技術的EBGR協(xié)議。

Fig.4 Successful delivery rate圖4 數據包傳輸成功率

Fig.5 Normalized energy consumption圖5 標準化能量消耗

圖4和圖5描述了三種協(xié)議在SDR分別為3,6,9時,誤碼率與SDR,Ln(T)的關系。顯然,隨著誤碼率的遞增,三種協(xié)議SDR與T分別呈現下降與上升趨勢,這是由于誤碼率增加降低數據包傳輸成功率,從而導致滿足相同SDR需要傳輸的數據包次數增多。當固定H,可以發(fā)現,EBGR比TS,DM具有更高的數據包傳輸成功率,更低的標準化能量消耗。從協(xié)議角度分析,TS與DM隨著誤碼率的遞增,SDR呈現較快的下降趨勢,Ln(T)呈現較快的上升趨勢。反之,隨著誤碼率遞增,EBGR中SDR與Ln(T)變化較平緩。并且,與其它兩種路由相比,H的改變對EBGR的SDR與Ln(T)影響較小。因而,EBGR在較差網絡環(huán)境,長距離的數據傳輸情況下具有較高可靠性,較低的標準化能量消耗。

4.2 簇內節(jié)點發(fā)送數據包數目對數據包傳輸成功率,標準化能量消耗的影響

簇內節(jié)點發(fā)送數據包數目與每跳數據包傳輸可靠性有直接關系。如圖6,我們研究了H=6,誤碼率為1.5×10-3時,Nα與SDR的關系。隨著Nα增加,數據包傳輸成功率呈現上升趨勢,尤其當Nα≥7時,SDR接近于1,而Ln(T)呈現先下降后上升趨勢。因而,可以根據實際需要的可靠性選擇合適的Nα,滿足可靠性要求情況下,盡量減少標準化能量消耗。

Fig.6 Number of K′圖6 簇內發(fā)送數據包數目

Fig.7 Number of K′圖7 源節(jié)點編碼數據包數目

4.3 源節(jié)點發(fā)送數據包數目對數據包傳輸成功率,標準化能量消耗的影響

源節(jié)點發(fā)送編碼數據包的數目直接影響第一跳數據包傳輸可靠性,圖7研究了原始數據包K=3,源節(jié)點編碼發(fā)送數據包數目K′與SDR,Ln(T)的關系。顯然,當源節(jié)點發(fā)送K′=K=3個數據包時,具有最小的SDR值與最大的Ln(T)值,隨著源節(jié)點發(fā)送數據包增多,其數據包傳輸成功率增大,標準化能量消耗減少,但是,當數據包冗余達到一定閾值時,SDR與Ln(T)都不會有明顯變化。因而,通過在源節(jié)點發(fā)送冗余數據包可以在一定程度上增加數據包傳輸成功率,減少標準化能量消耗,但過多的數據包冗余對增加數據包傳輸成功率,減小標準化能量消耗影響較小。因此,可以根據具體網絡參數來選擇冗余數據包,滿足可靠性的同時盡量減少標準化能量消耗。

5 結論

無線鏈路不穩(wěn)定性與節(jié)點能量消耗不均勻,使得無線傳感器網絡的路由設計成為一個挑戰(zhàn)性問題?；诂F有文獻的研究成果, 本文提出了一種基于能量均衡的地理路由協(xié)議。在簇頭選擇與路徑構建階段, 綜合考慮節(jié)點剩余能量,地理位置信息與到匯聚節(jié)點距離來選擇簇頭節(jié)點與下一跳簇,均衡網絡中節(jié)點能量消耗。在數據傳輸階段,簇內節(jié)點通過協(xié)同通信與網絡編碼技術改善網絡因節(jié)點故障,鏈路失效引起的數據傳輸失敗問題, 提高數據包傳輸率。實驗結果表明,基于能量均衡的地理位置路由比傳統(tǒng)單路徑,不相交多路徑路由具有更高的數據包傳輸成功率, 更低的標準化能量消耗。

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Design of A Geographic Routing Protocol based on Energy-balanced Strategy

JIA Xinchun,ZHANG Junli,CHI Xiaobo

(SchoolofMathematicalSciences,ShanxiUniversity,Taiyuan030006,China)

For the unreliability of wireless links and unbalanced energy consumption of sensor nodes in wireless sensor networks (WSNs), a geographic routing protocol based on energy-balanced strategy is proposed. In order to avoid the excessive reuse of some nodes caused by greedy forwarding in traditional geographic routing in the routing establishing stage, a cluster is regarded as a basic unit of data transmission, and an energy threshold is set for the sensors of the cluster. Meanwhile, both the number of nodes in each cluster and the distance from the cluster’s center to the sink are comprehensively considered as a routing metric, which can balance the energy consumption among the clusters. In the data transmission stage, the cooperative communication and network coding technologies are used to improve the reliability of data transmission. The theoretical analysis and numerical experimental results simultaneously show that the proposed protocol can significantly improve the successful delivery rate of data and reduce the number of packets retransmission.

wireless sensor networks; geographic routing protocol; network coding; reliability; energy balance

10.13451/j.cnki.shanxi.univ(nat.sci.).2017.01.007

2016-07-24；

2016-10-20

國家自然科學基金(61374059;61403240)

賈新春(1964-),男,山西大同人,博士,教授,研究領域為網絡化控制系統(tǒng),E-mail:xchjia@sxu.edu.cn

TP13

A

0253-2395(2017)01-0044-07