WSAN中基于节点分区的能耗均衡路由协议

裴文彬， 陶彦辉， 魏振春， 冯 琳

（1.合肥工业大学 计算机与信息学院 合肥 230009；2.陆军军官学院 生命与环境科学教研室，安徽 合肥 230031）

WSAN中基于节点分区的能耗均衡路由协议

裴文彬1， 陶彦辉2， 魏振春1， 冯 琳1

（1.合肥工业大学 计算机与信息学院 合肥 230009；2.陆军军官学院 生命与环境科学教研室，安徽 合肥 230031）

传感器节点能量消耗不均衡，是影响无线传感器／执行器网络寿命的关键问题之一。文章提出基于节点分区的能耗均衡路由协议（ERPNP），该协议在保证网络连通性的基础上，通过簇内传感器节点分区、传感器节点到执行器节点路由选择、执行器节点到sink节点路由选择等步骤，使传感器节点的发射功率尽可能的小，同时下一跳节点距离执行器节点越来越近，即选择较多节点较小发射功率的传输路径，避免选择较少节点较大发射功率的传输路径，利用较多节点分担传输能量，均衡节点能耗，提高网络寿命。仿真实验表明，相比于传统协议，ERPNP协议能够显著延长网络生存时间。

无线传感器／执行器网络；节点分区；连通性；能耗均衡

无线传感器／执行器网络（wireless sensor and actor network，简称WSAN）是近年来发展起来的一种新型、无基础设施、自组织的无线网络［1］。它衍生于无线传感器网络［2］（wireless sensor network，简称 WSN），由众多的传感器和执行器组成，通过无线自组网方式，完成分布式感测任务和执行任务。典型的无线传感器／执行器网络结构如图1所示［3］，为了避免所有传感器节点都与多个执行器节点通信，消耗过多能量，通常采用分簇结构，传感器节点只与簇内的1个执行器节点进行通信。传感器节点采集到数据后，通过与簇内的其他传感器节点建立路由，最终将数据传输到执行器节点，执行器节点通过与其他执行器节点建立路由将数据传输至sink节点，实现WSAN远程、分布式的自动控制。

图1 无线传感器／执行器网络的典型架构

由于WSAN中执行器节点能量充足，传感器节点的能耗往往成为影响整个网络寿命的关键，特别是簇内传感器节点采集数据并传输到执行器节点的过程中，容易出现簇内传感器节点能量消耗不均衡，一些节点能耗过大导致过早死亡，大幅降低了网络寿命。因此，如何均衡传感器节点能耗，是提高WSAN寿命的一个关键问题。

1 节点发射功率控制

WSAN中，节点的发射功率影响网络的拓扑结构，最终对网络的整体性能产生重要影响［4］。如图2所示，图2a显示节点发射功率过小，导致部分节点孤立，破坏了网络的连通性，网络无法形成完整的拓扑结构；图2b显示节点发射功率适中，保证了网络的连通性；图2c显示节点发射功率过大，虽然使网络的连通性大大增强，但是节点能耗过大，降低了网络寿命。

图2 发射功率对网络拓扑的影响

由上述分析可知，WSAN拓扑结构形成后，网络的连通性和网络的寿命成反比。针对如何调整各节点的发射功率，使得网络在保证适当连通性的同时尽可能地均衡各节点的能耗，提高网络寿命这一问题，本文提出基于节点分区的能耗均衡路由协议（ERPNP），根据传感器节点到执行器节点的距离，将传感器节点划分在不同的区域，在保证网络连通性的同时使各传感器节点采用适当的发射功率，均衡网络中节点能耗，建立路由完成数据传输。

2 基于节点分区的能耗均衡路由协议

2.1 协议步骤

ERPNP路由协议由如下3个步骤组成：

（1）簇内传感器节点分区。在执行器节点为簇头、传感器节点为从节点的簇内，将传感器节点划分在不同区域，得到传感器节点所在区域的参数。

（2）传感器节点到执行器节点路由选择。根据上述参数，建立一定规则，选择传感器节点到执行器节点数据传输路由，且均衡传感器节点能耗，延长使用寿命。

（3）执行器节点到sink节点路由选择。在执行器节点之间建立路由，将数据从执行器节点传输到sink节点，由于执行器节点能量充足，故对网络寿命基本无影响。

通过这3个步骤，建立数据从传感器节点到sink节点传输的完整路由，使 WSAN正常工作且延长寿命。

2.2 簇内传感器节点分区

在执行器节点为簇头、传感器节点为从节点的簇内，将以执行器节点为圆点，半径为R的圆形簇划分为n个区域，传感器节点分布在不同的区域内，如图3所示。

图3 簇内n个区域均匀划分

由图3可以看出，圆形簇被按半径大小均匀地划分为n个环形区域，其中离圆心距离最近的区域为第1区，次近的为第2区，接下来为第3区，直到第n区结束划分，这样，簇内的传感器节点都被划分到这n个区域中的一区。簇内传感器节点通过下面的步骤得知其所在的区域。

在初始阶段，执行器节点分别以通信距离为R／n，2R／n，3R／n，…，nR／n的发射功率依次发射数据1，2，3，…，n。发射完毕后，各传感器节点根据接收到的数据，选择其中最小的数，即为该传感器节点所在的区数。

通过上述步骤，可以得到簇内各个传感器节点所在的区数S，设节点i所在的区数为S（i），则将该参数S（i）存储在传感器节点i自身中。

2.3 传感器节点到执行器节点路由选择

传感器节点到执行器节点的数据传输过程中，传感器节点的发射功率应保持适当的大小，使网络连通性、与执行器节点距离、节点发射功率达到平衡，在建立路由传输数据的过程中均衡各节点的能耗，延长网络寿命。

这里，在分区的基础上，采用一种数据逐渐向靠近执行器节点的区域传输的路由选择策略，并当有邻居节点位于同一区域时，采用一种基于概率分流的负载均衡路由选择策略［5］，以完成数据从传感器节点到执行器节点的传输。

策略Ⅰ 若有与某节点相邻且在同一区域的节点1，2，3，…，m，即有S（1）＝S（2）＝S（3）＝…＝S（m），设节点1，2，3，…，m 的剩余能量分别为E（1），E（2），E（3），…，E（m），其和为∑E，则节点1，2，3，…，m被选为下一跳节点传输数据的概率分别为：E（1）／∑E，E（2）／∑E，E（3）／∑E，…，E（m）／∑E，这是一种基于概率分流的策略。

策略Ⅱ 簇内传感器节点选择下一跳邻居节点的策略。步骤如下：

（1）调整节点i的发射功率，使其通信距离为R／n，发送请求返回S值的信息，则节点i得到在此通信范围内的各节点的S值。若其中有S（i）－1，表示这些节点在i节点距执行器较近的上一个区，对这些节点使用策略Ⅰ选其一设为i节点的下一跳节点；若无S（i）－1，执行下一步。

（2）增大节点i的发射功率，使其通行距离增大R／n，发送请求返回S值的信息，节点i得到在此通信范围内的各节点的S值。若其中有S（i）－j，表示这些节点在i节点距执行器较近的上j个区，其中j表示步骤（2）执行次数，对这些节点使用策略Ⅰ选其一设为i节点的下一跳节点；若无S（i）－j，查看是否有S（i）－（j＋1），若有则对这些节点使用策略Ⅰ选其一为下一跳节点，若无，执行下一步。

（3）重复执行步骤（2）直到选出i节点的下一跳节点。

在WSAN中，可以在簇内重复使用策略Ⅱ选择传感器节点的下一跳节点，直到下一跳为执行器节点。这样建立的簇内传感器节点到执行器节点完整路由，在保证下一跳节点距离执行器节点越来越近的基础上，传感器节点的发射功率尽可能的小并且保持网络的连通性，即选择较多节点较小发射功率的路径传输数据，用较多的节点分担了数据从传感器节点传输到执行器节点的能量，故传感器节点能耗较均衡，延长了网络寿命。

2.4 执行器节点到sink节点路由选择

数据在传输到执行器节点后，通过与其他执行器节点间传输，最终传输到sink节点。由于执行器节点功能强大、能量充足，使用何种策略传输对网络寿命基本无影响，这里采用一种无线多跳网络中的机会路由协议［6］建立路由，完成传输。

2.5 簇内传感器节点数量与分区数

ERPNP协议在对网络进行分区时，当区数n的取值过大时，会导致每一区所在的节点数量偏少，节点用通信距离的R／n的发射功率不易在上一区找到节点，往往需要调大发射功率不断向再上一区寻找节点，这个过程中节点需要频繁发射请求信号，浪费能量，减少了节点寿命；而当区数n的取值过小时，分区效果不明显，无法使网络达到理想状况。因此n的取值成为ERPNP协议的关键问题。

设WSAN中一个执行器节点对应的簇内传感器节点个数为N，且N个传感器节点均匀随机地分布在簇内。簇内构成的圆半径为R，划分为n个区，则簇内面积为πR2，由于N个节点随机分布在这个区域内，故每个节点在簇内平均所占的面积为：

当网络分区最理想时，应该使节点的通信距离为R／n时，节点在上一区有且仅有1个邻居节点，此时分区效果最佳且节点发送请求信号最少，那么当节点在第n区逐区将数据传输到执行器节点，且每一区仅有1个邻居节点的过程中，所经过节点的通信范围如图4所示。

此范围可以近似为一个长为R、宽为2R／n的矩形，在这个面积为R（2R／n）的矩形区域内共有n个节点，故当这n个节点按概率所占的面积与矩形面积相等时接近理想状态，即有：

结合（1）式、（2）式计算可知：

对n的值进行取整，即有：

通过（4）式，由簇内传感器节点个数N，可以计算出簇内划分区数n的取值。此时对簇内进行分区，网络较为接近理想状态。

图4 节点通信范围覆盖区域

ERPNP协议开始时，先计算出簇内划分区数n，再对簇内进行分区，然后选择传输路由，完成WSAN中的数据传输。

3 仿真实验分析

采用 TCL／TK 语言在 NS2［7－8］环境下进行仿真，对ERPNP协议的节点能耗进行评估与分析。在仿真试验中，传感器节点与执行器节点被部署在一块1 000 m×1 000 m的矩形目标区域中，节点数量为100个，其中执行器节点5个，传感器节点95个，则计算得n＝4，即簇内划分为4个区，传感器节点初始能量为15 J，MAC协议采用IEEE802.11。本文将随着时间推移网络中节点存活总数作为衡量ERPNP协议能耗的参数，并以典型的LEACH［9］协议作为对象进行比较分析。随着时间推移，节点存活越多便表示网络负载越均衡，寿命较长，仿真结果如图5所示。

由图5可以看出，随着时间的推移，采用2种协议的网络中节点死亡数都大幅增加，存活个数开始大幅下降，直至传感器节点全部死亡仅剩5个执行器节点，但是采用LEACH协议的网络在400 s时就有节点死亡，而采用ERPNP协议的网络在1 300 s时才开始出现死亡节点，比传统的LEACH协议网络生存时间延长了3到4倍。

图5 随时间推移的节点存活总数

4 结束语

本文分析了WSAN中节点发射功率与网络连通性、节点能耗的关系，提出了基于节点分区的能耗均衡路由协议，先根据簇内传感器节点个数N，计算出簇内划分区数n，然后通过簇内传感器节点分区、传感器节点到执行器节点路由选择、执行器节点到sink节点路由选择均衡节点能耗，提高网络寿命。仿真实验表明，相比于传统协议，ERPNP协议能使网络生存时间延长3～4倍。

［1］Akyildiz I F，Kasimoglu I H.Wireless sensor and actor network：Research challenges［J］.Ad Hoc Networks Journal，2004，2（4）：351－367.

［2］Cui Li，Ju H L，Miao Y，et al.Overview of wireless sensor networks［J］.Journal of Computer Research and Development，2005，4（1）：147－163.

［3］易 军，石为人，唐云建，等.无线传感器／执行器网络任务动态调度策略［J］.电子学报，2010，6（1）：1239－1244.

［4］郑少仁，王海涛，赵志峰，等.Ad Hoc网络技术［M］.北京：人民邮电出版社，2005.

［5］韩江洪，林 飞，袁晓靖，等.线状 WSN中基于概率分流的负载均衡路由协议［J］.电信科学，2011，27（4）：87－90.

［6］田 克，张宝贤，马 建，等.无线多跳网络中的机会路由［J］.软件学报，2010，21（10）：2542－2553.

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［8］Kyunghwi K，Wonjun L.MBAL：a mobile beacon assisted localization scheme for wireless sensor networks［C］／／Proceedings of 16th International Conference，2007：57－62.

［9］Heinzelman W，Chandrakasan A，Balakrishnan H.Energyefficient communication protocol for wireless micro sensor network［C］／／Proceedings of the 33rd Annual Hawaii International Conference on System Sciences，Hawaii，USA，2000：4－7.

Energy balancing routing protocol based on node partition for WSAN

PEI Wen－bin1， TAO Yan－hui2， WEI Zhen－chun1， FENG Lin1
（1.School of Computer and Information，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China；2.Teaching and Research Section of Life and Environmental Science，Army Officer Academy，Hefei 230031，China）

Unbalanced energy consumption of sensor nodes is one of the key issues affecting wireless sensor and actor network（WSAN）lifetime.To solve this problem，an energy balancing routing protocol based on node partition（ERPNP）is proposed.The protocol guarantees the network connectivity and transmits data by sensor nodes partition within the cluster，sensor node to actor node routing and actor node to sink node routing.The protocol allows sensor nodes transmission power to be as small as possible，and at the same time，the next hop node is getting closer to the actor node，which means that the protocol selects transmission path of more nodes and smaller transmission power than others.By using more nodes to share the energy，the protocol can balance the energy consumption of nodes and improve the network lifetime.Simulation results show that compared with traditional protocols，ERPNP protocol extends network lifetime significantly.

wireless sensor and actor network（WSAN）；node partition；connectivity；energy balancing

TP393

A

1003－5060（2013）11－1323－04

10.3969／j.issn.1003－5060.2013.11.010

2013－02－20；

2013－06－09

国家物联网发展专项资金计划资助项目（工信部科｛2012｝583号）；广东省产学研项目（2010B090400332；2011B090400457；2011B090400524）；江苏省自然科学基金资助项目（BK2011236）；安徽省自然科学基金资助项目（1208085QF113）和安徽省高等学校省级自然科学研究资助项目（KJ2011ZD01；KJ2012A224）

裴文彬（1987－），男，安徽铜陵人，合肥工业大学硕士生；

魏振春（1978－），男，宁夏青铜峡人，博士，合肥工业大学副教授，硕士生导师.

（责任编辑 马国锋）