李彩林　劉曉祥　孫躍

摘 要： 針對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量有限的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種中繼節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)休眠方法，對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度。在路由鏈路建立中，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的地理位置、剩余能量選擇中繼節(jié)點(diǎn)的方法進(jìn)行節(jié)點(diǎn)休眠調(diào)度。網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)通過(guò)計(jì)算下一跳最佳節(jié)點(diǎn)位置，選取其附近區(qū)域內(nèi)剩余能量多的節(jié)點(diǎn)作為下一跳的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出中繼節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)選擇的節(jié)點(diǎn)休眠機(jī)制。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的休眠機(jī)制提高了節(jié)點(diǎn)能量利用效率、延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)間。

關(guān)鍵詞： 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)； 中繼節(jié)點(diǎn)； 自適應(yīng)選擇； 休眠機(jī)制

中圖分類(lèi)號(hào)： TN915?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）16?0079?04

Abstract： According to the characteristic that the node energy in the wireless sensor networks is limited， a self?adapting sleeping method of relay node is designed to optimize and dispatch the operational time of network nodes. In the routing link establishment， the method is to select relay node according to the geographical location and dump energy of the nodes in wireless sensor network to conduct the node sleeping scheduling. As the network is working， the next optimal node location is calculated and the nearby node with more dump energy is chosen as the next transmitted node. The simulation result indicates that the proposed sleeping mechanism has improved the energy efficiency of the nodes and extended working time of the network.

Keywords： wireless sensor networks； relay node； self?adapting selection； sleep scheduling

0 引 言

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）以其靈活性、機(jī)動(dòng)性、廉價(jià)性的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療系統(tǒng)、智能電網(wǎng)和軍事偵察等領(lǐng)域[1?3]。它是由大量廉價(jià)的傳感器節(jié)點(diǎn)組成的一種通信網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)節(jié)點(diǎn)的多跳方式形成的分布式無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和管理節(jié)點(diǎn)。一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)由感知模塊、處理模塊和通信模塊組成，通過(guò)傳感器模塊采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后傳送給處理模塊，處理模塊的處理器對(duì)信號(hào)整理之后利用通信模塊將信號(hào)傳送給監(jiān)控中心[4]。

由于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自帶電池的原因?qū)е鹿?jié)點(diǎn)能量嚴(yán)重受限，同時(shí)節(jié)點(diǎn)在部署之后很難回收，當(dāng)節(jié)點(diǎn)能量耗盡時(shí)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)失效，而且節(jié)點(diǎn)數(shù)目分布不均、數(shù)目龐大，也將使得更換電源不可行。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中某一個(gè)或一些節(jié)點(diǎn)能量耗盡，將會(huì)使網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生能量空洞，進(jìn)而影響網(wǎng)絡(luò)正常工作。所以，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵問(wèn)題是降低能耗，如何提高節(jié)點(diǎn)能量的有效利用率、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的工作時(shí)間成為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面，也是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)[5]。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的工作模式主要分為“運(yùn)行”、“空閑”、“休眠”，運(yùn)行模式節(jié)點(diǎn)能耗最大，空閑模式耗能其次，休眠狀態(tài)能耗最小。因此，在保證網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)正常傳輸?shù)幕A(chǔ)上減少節(jié)點(diǎn)空閑偵聽(tīng)是降低能耗的有效方法之一[6]。網(wǎng)絡(luò)的大多數(shù)節(jié)點(diǎn)需要通過(guò)多跳形式將數(shù)據(jù)傳送給目的節(jié)點(diǎn)（Sink節(jié)點(diǎn)），因此路由協(xié)議的關(guān)鍵問(wèn)題就是如何選擇下一跳中繼節(jié)點(diǎn)[7?8]。為此，本文設(shè)計(jì)出基于地理位置的中繼節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)選擇休眠機(jī)制。通過(guò)自適應(yīng)選擇中繼節(jié)點(diǎn)的方式選出整條鏈路耗能最少的節(jié)點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn)，其余空閑節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠模式，從而減少空閑偵聽(tīng)，達(dá)到提高網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量利用率延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)間的目的。

1 相關(guān)工作

節(jié)點(diǎn)休眠策略作為一種有效的節(jié)能手段，在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中得到了很多的研究。文獻(xiàn)[9]引入了“虛擬群”，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以在休眠、喚醒狀態(tài)下互換。一個(gè)“虛擬群”中的節(jié)點(diǎn)都采用相同休眠周期，在休眠期到達(dá)且無(wú)業(yè)務(wù)時(shí)轉(zhuǎn)入休眠。由于網(wǎng)絡(luò)的多跳性，可能會(huì)存在多個(gè)“虛擬群”，相鄰節(jié)點(diǎn)可能采用不同的休眠周期，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需記錄鄰近節(jié)點(diǎn)的休眠周期信息。此方法壓縮了節(jié)點(diǎn)的激活時(shí)間，將原本在任意時(shí)刻都會(huì)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息集中在激活期發(fā)送，會(huì)增大節(jié)點(diǎn)冗余。文獻(xiàn)[10]給出了解決此問(wèn)題的方法，將一條鏈路上的所有節(jié)點(diǎn)的激活期交錯(cuò)起來(lái)，激活期中包含時(shí)間相等的發(fā)送期u和接收期u，節(jié)點(diǎn)根據(jù)其在鏈路中的深度D將激活時(shí)間向Sink節(jié)點(diǎn)確定的時(shí)鐘基準(zhǔn)移動(dòng)du，保證一條轉(zhuǎn)發(fā)鏈路的節(jié)點(diǎn)可以被順次激活傳輸。該機(jī)制雖節(jié)約了一定的能量，降低了數(shù)據(jù)的傳輸延時(shí)，但會(huì)對(duì)協(xié)議性能，如吞吐量產(chǎn)生影響。在文獻(xiàn)[11]中介紹了一種在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時(shí)使用鄰近節(jié)點(diǎn)位置信息的路由協(xié)議GPSR。中繼節(jié)點(diǎn)根據(jù)自己與Sink節(jié)點(diǎn)距離進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，中繼節(jié)點(diǎn)依據(jù)貪婪特性的轉(zhuǎn)發(fā)方式選擇在一跳范圍內(nèi)距離Sink節(jié)點(diǎn)最近的節(jié)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)發(fā)中繼節(jié)點(diǎn)。GPSR的中繼節(jié)點(diǎn)選擇思路可以在一跳范圍內(nèi)選擇耗能最小的節(jié)點(diǎn)作為下一跳中繼節(jié)點(diǎn)，卻不能保證整條路由的總體能耗為最低。本文在中繼節(jié)點(diǎn)的選擇方面，通過(guò)計(jì)算下一跳最佳節(jié)點(diǎn)位置后，選取其附近半徑為Ru的區(qū)域內(nèi)的最小代價(jià)節(jié)點(diǎn)為下一跳的中繼節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出基于地理位置的中繼節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)選擇的節(jié)點(diǎn)休眠機(jī)制。endprint

2 模型建立

2.1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)模型建立

如圖1所示，假設(shè)研究的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)模型是在邊長(zhǎng)為h的正方形區(qū)域中，所有節(jié)點(diǎn)都配備了相同的發(fā)送模塊和接收模塊，所有節(jié)點(diǎn)的最大發(fā)送、接收范圍均為R，即區(qū)域中任意兩節(jié)點(diǎn)a和b，只有當(dāng)節(jié)點(diǎn)a和節(jié)點(diǎn)b的距離d不大于R的情況才能相互通信。Sink節(jié)點(diǎn)處在區(qū)域中心位置，各節(jié)點(diǎn)均勻分布在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都配有GPS裝置，可確定自己的位置并通過(guò)以太網(wǎng)廣播的方式確定鄰近節(jié)點(diǎn)的地理位置。

2.2 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗模型建立

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗有很多方面，為了研究的方便，將主要關(guān)注接收和轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中的能量損耗。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗模型如圖2所示，發(fā)送模塊由發(fā)送電路和放大器組成，接收模塊僅為接收電路。

引理1和2表明在整條傳輸鏈路中，單跳距離d相等且為[2Eelecεamp（n-1）n]時(shí)，Elink（D）可以取到最小值，稱(chēng)此時(shí)的d=[dchar]。設(shè)置n為固定值2，則[dchar]也為固定值。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)與Sink節(jié)點(diǎn)的傳輸距離為D（且D是[dchar]的整數(shù)倍）時(shí)，整條傳輸鏈路所消耗的Elink最小。但是在實(shí)際拓?fù)渲胁豢赡芩械腄都被[dchar]整除，因此有時(shí)候[dchar]并不是最佳距離，但可以作為最佳距離的近似值近似地表示最佳距離。

在源節(jié)點(diǎn)與Sink節(jié)點(diǎn)的連線(xiàn)上每隔一個(gè)[dchar]距離的點(diǎn)ui（i=1，2…），按上述分析，如果ui位置有傳感器節(jié)點(diǎn)，則此節(jié)點(diǎn)為最佳的中繼節(jié)點(diǎn)。但是實(shí)際的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)分布中， ui處可能沒(méi)有節(jié)點(diǎn)存在。如圖3所示，在實(shí)際應(yīng)用中當(dāng)數(shù)據(jù)包傳送給mi后，mi需要在ui+1的附近尋找下一跳節(jié)點(diǎn)。劃定一塊以u(píng)i+1為圓心，半徑為Ru的搜索范圍，只能在Ru范圍內(nèi)尋找下一跳的節(jié)點(diǎn)。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都通過(guò)廣播等方式知道自身以及Sink節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)距離最佳節(jié)點(diǎn)的距離越近，整條傳輸鏈路的能耗將會(huì)最小。按照上述的證明，此時(shí)只要尋找在Ru范圍內(nèi)的離最佳點(diǎn)ui+1最近的點(diǎn)即可。但是會(huì)出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象：當(dāng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)感知數(shù)據(jù)產(chǎn)生的分布不均勻時(shí)，距離最佳點(diǎn)ui+1較近的節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)頻繁，導(dǎo)致這些節(jié)點(diǎn)快速耗能而死亡。如果這些死亡節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)中極為重要的節(jié)點(diǎn)，那么它的死亡將有可能破壞整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能。若多數(shù)節(jié)點(diǎn)相繼死亡，那么會(huì)產(chǎn)生能量空洞，勢(shì)必會(huì)影響路由算法的性能。一個(gè)無(wú)法保證網(wǎng)絡(luò)正常工作的節(jié)能算法是無(wú)意義的。因此，引入一個(gè)代價(jià)函數(shù)決定下一跳節(jié)點(diǎn)。通過(guò)考慮最佳節(jié)點(diǎn)ui+1附近的節(jié)點(diǎn)的距離因素、剩余能量因素設(shè)計(jì)出代價(jià)函數(shù)如下：[cost=（1-α）?d（m，ui+1）R+α?1-EresEin，0<α<1，Eres>0] （6）

式中：[α]為權(quán)重系數(shù)；m是網(wǎng)絡(luò)中任意節(jié)點(diǎn)，[d（m，ui+1）]是m節(jié)點(diǎn)與最佳點(diǎn)ui+1的距離；R為最佳點(diǎn)附近的搜索半徑；Eres為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的剩余能量；Ein為節(jié)點(diǎn)的初始能量。在網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)，每個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)向鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送廣播，鄰居節(jié)點(diǎn)在接收到的數(shù)據(jù)信息中選擇代價(jià)函數(shù)值最小的節(jié)點(diǎn)作為下一跳中繼節(jié)點(diǎn)，其余節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)。

為了能夠得到鄰居節(jié)點(diǎn)中的最小代價(jià)值，在發(fā)送的RTS（Request To Sent）中加入三個(gè)短域其中包括節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)、傳輸負(fù)載量和節(jié)點(diǎn)剩余能量。報(bào)文內(nèi)容如下：

采取在網(wǎng)絡(luò)工作不同階段選取相對(duì)應(yīng)的中繼節(jié)點(diǎn)選擇的方式，網(wǎng)絡(luò)中繼節(jié)點(diǎn)選擇方式流程圖見(jiàn)圖4。

休眠算法實(shí)現(xiàn)方式具體操作如下：

（1） 節(jié)點(diǎn)通過(guò)廣播的形式得到Sink節(jié)點(diǎn)和鄰近節(jié)點(diǎn)的位置，計(jì)算出下一跳最佳的中繼坐標(biāo)；

（2） 計(jì)算出下一跳最佳的中繼節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)后并向全網(wǎng)絡(luò)廣播其坐標(biāo)位置；

（3） 設(shè)置定時(shí)器，在最大允許時(shí)間T內(nèi)，接收來(lái)自鄰居節(jié)點(diǎn)的RTS，計(jì)算[mui+1]值，大于通信半徑R則丟棄信息。

（4） 計(jì)算代價(jià)函數(shù)cost值，選取最小cost值的節(jié)點(diǎn)并記錄其位置信息。每接收一個(gè)RTS，計(jì)算cost值后，與前邊的cost比較，如果大于前邊的cost值則舍棄，否則作為新的cost值。即保留最小代價(jià)值的那個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息。

在一次路由鏈路的建立過(guò)程中，所有無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)都保持偵聽(tīng)狀態(tài)，通過(guò)發(fā)送自身節(jié)點(diǎn)信息選擇是否為下一跳中繼節(jié)點(diǎn)。未被選作下一跳中繼節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠模式，在下一輪的路由鏈路建立開(kāi)始時(shí)再次喚醒，并繼續(xù)競(jìng)爭(zhēng)下一跳中繼節(jié)點(diǎn)。

4 仿真分析

為了分析本文提出的基于地理位置的中繼節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)選擇休眠機(jī)制的性能，通過(guò)Matlab平臺(tái)編寫(xiě)一個(gè)M文件，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真。仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)M了一個(gè)在100 m×100 m的矩形范圍內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)中均勻分布100 B，Sink節(jié)點(diǎn)位于網(wǎng)絡(luò)中心。除Sink節(jié)點(diǎn)不產(chǎn)生數(shù)據(jù)，其余傳感器節(jié)點(diǎn)在一個(gè)周期內(nèi)都產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)分組，并且其余節(jié)點(diǎn)初始能量都相同。表2為仿真實(shí)驗(yàn)中使用的參數(shù)，其中Ein為節(jié)點(diǎn)起始能量，Eelec為發(fā)送1 b的能量消耗，[εamp]為發(fā)送1 b數(shù)據(jù)放大器消耗的能量，[α]為權(quán)重系數(shù)，D為源節(jié)點(diǎn)與Sink節(jié)點(diǎn)的最遠(yuǎn)距離，K為數(shù)據(jù)包的大小。

圖5和圖6分別為GPSR協(xié)議與本文提出休眠方式在仿真經(jīng)過(guò)700輪后網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)剩余能量情況。圖5中紅色的點(diǎn)為剩余能量為零的節(jié)點(diǎn)，即死亡節(jié)點(diǎn)。由圖可知，在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行到700輪時(shí)已經(jīng)有40%節(jié)點(diǎn)開(kāi)始死亡。而圖6中，經(jīng)過(guò)700輪后網(wǎng)絡(luò)中并未出現(xiàn)死亡節(jié)點(diǎn)，在之后的仿真中發(fā)現(xiàn)直到800輪后網(wǎng)絡(luò)中才出現(xiàn)死亡節(jié)點(diǎn)。這是因?yàn)镚PSR協(xié)議是依據(jù)貪婪特性選擇距離Sink節(jié)點(diǎn)最近的節(jié)點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn)，并未從網(wǎng)絡(luò)整體考慮減少能耗，而本文提出的方法均衡了節(jié)點(diǎn)的地理位置因素和剩余能量因素，所選的傳輸鏈路接近最小能耗，因此死亡節(jié)點(diǎn)的壽命更長(zhǎng)。

圖7為隨著網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行輪數(shù)的增加網(wǎng)絡(luò)中剩余存活節(jié)點(diǎn)的數(shù)量的變化。圖中藍(lán)色線(xiàn)條代表GPSR協(xié)議的剩余節(jié)點(diǎn)存活數(shù)量變化，紅色線(xiàn)條表示本文提出的方法的剩余節(jié)點(diǎn)存活數(shù)量變化。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行到600輪時(shí)GPSR協(xié)議已經(jīng)有節(jié)點(diǎn)能量耗盡，而本文提出的休眠方式在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行到800輪后才有節(jié)點(diǎn)死亡，而到900輪后會(huì)有一個(gè)驟降的趨勢(shì)。這是因?yàn)楸疚奶岢龅姆椒紤]了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的整體能量，節(jié)點(diǎn)死亡的時(shí)間會(huì)較晚。隨著網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)間的延長(zhǎng)，死亡節(jié)點(diǎn)會(huì)快速增多，是因?yàn)樵摲椒ㄊ腔谀芰烤庠瓌t，會(huì)犧牲部分能量使達(dá)到能量均衡，到了網(wǎng)絡(luò)工作后期節(jié)點(diǎn)會(huì)快速死亡。endprint

本文提出的方法能夠提高節(jié)點(diǎn)能量利用率、延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)間。在節(jié)點(diǎn)均勻分布的仿真實(shí)驗(yàn)中，雖然各方法的性能差距較小，但還是能夠顯示該方法在延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)間方面的優(yōu)勢(shì)。如果在節(jié)點(diǎn)不均勻分布的情況下，該方法的優(yōu)勢(shì)將會(huì)更加明顯。

5 結(jié) 論

本文為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了一種基于地理位置的中繼節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)選擇機(jī)制，并通過(guò)Matlab仿真驗(yàn)證了所提出休眠方式的性能，結(jié)果顯示本文所提的休眠機(jī)制具有較好的能量有效性，并且提高了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量的利用率。進(jìn)一步研究中，將對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)分布不均勻的情況開(kāi)展討論，設(shè)計(jì)能夠適應(yīng)多種業(yè)務(wù)模型的休眠策略來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量利用率。

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