WSN定向扩散路由协议的改进和实现研究

【摘 要】定向扩散路由协议（DD，Direeted Diffusion）是一种以数据为中心的典型的无线传感器网络路由协议，通信过程中，其采用传统的泛洪方式，会导致网络能量的大量开销。本文提出一种根据节点的信号辐射角度来发送兴趣，相邻节点只有在信号辐射角度范围内才能引起兴趣扩散，否则拒绝兴趣扩散，以此降低网络能量消耗。改进后的定向扩散路由协议，通过仿真结果分析，与传统的定向扩散协议相比较，能缩小参与兴趣扩散的节点数目，缩小兴趣报文泛洪范围，减少了网络能量开销，延长整个网络的生命周期。

【关键词】无线传感器网络；定向扩散；路由协议；梯度

1.引言

无线传感器网络（WSN，wireless sensor networks）是由大量成本低、功耗小以及自组织的无线传感器节点所构成，能够对外界环境信息进行实时采集、监测。在智能家居、工农业环境监测、国防工业、生物医疗等领域均有较宽广的应用前景[1]。WSN路由协议的发展经歷了从传统的需求机制下的路由协议到数据驱动的路由协议两个阶段，发展出洪泛、谣传、定向扩散等多种不同类型的路由协议。无线传感器网络节点在处理数据和通信上均受到能量限制，与传统的有线网络路由协议不同，网络能量由节点自身电池供应。因此实现能量的有效利用是无线传感器网络路由协议设计首先需要考虑的目标[2]。本文在定向扩散路由协议的基础上，提出了一种基于节点的辐射角度来建立兴趣扩散，进而建立梯度机制，重点讨论了在节点稳定传输数据时，节点在移动情况下，如何与其相邻节点交换信息，进行梯度的自我调整。分析仿真结果，该改进算法能够很好地节省网络能量消耗。

2.WSN路由协议研究分析

WSN路由协议作为当前研究的热点，在现阶段已经出现了多种经典的路由协议。其中，SPIN（Sensor Protocol For Information Via Negotiation）路由协议是一种原始的无线通信路由协议，它主要是对泛洪协议的改进，是一种以数据为中心的自适应路由协议，通过节点之间的协商机制和资源自适应机制，解决Flooding协议和Gossiping协议的内爆和重叠现象。节点在传送数据前通过协商，以减少网络中传输的数据量。节点只广播其他节点所没有的数据以减少冗余数据，从而有效减少能量消耗[3]。LEACH（Low-Energy Adaptive Clustering Hier-archy）路由协议是网络周期性地随机选取簇头，其他的非簇头节点则以邻近的原则加入簇中，形成虚拟簇。簇内节点将收集到的信息发送给簇头，再由簇头转发给路由节点，网络中的信息传输任务平均分配给各个节点，以此延长网络生命周期。但是簇首的能量消耗大，为了避免某些节点过早死亡，需要定期更换簇头[4]。DD（Direeted Diffusion）路由协议是一种以数据为中心的、基于查询的路由算法，路由节点周期性地通过泛洪的方式广播一种称为“兴趣”的数据包，以便让网络中节点知道它需要收集什么样的信息。“兴趣”在网络扩散中也经历了多个路由路径，采集到和“兴趣”相关的数据的节点则通过“兴趣”扩散阶段建立的路径将“兴趣”数据传送到传感器节点。由于DD路由协议在网络拓扑方面比较复杂，因此现阶段也有将分簇思想引入到DD协议中，以此来抑制泛洪的传播。定向扩散路由协议中的梯度指的是相邻节点跳数的差值，它是相邻节点间链路的梯度值。在进行路由转发时候选取与该节点相连接的最大梯度所对应的路径进行数据转发[5]。

3.定向扩散算法的理论评价

3.1 泛洪数据传输

Flooding是一种传统的网络路由协议，如图1所示。节点S希望发送数据到节点R，使用泛洪数据传输，则节点S首先通过将它的数据副本传送给他的邻近节点，邻近节点又将数据传输给它们的邻居节点（S除外）。如此继续，直到数据传输到目标节点R为止或者该数据的生命周期为零[6]。

图1 泛洪数据传输示意图

在泛洪数据传输范围内，数据源将所有的时间发送给网络内的每个节点。如果第二层次的节点传送能力不比泛洪数据传送好的话，则定向传送方法不适宜运用于WSN中。在分析评价中，DD协议的能量消耗为每个数据源到全部接受者发出和接收过程消耗能量之和。该方式比组播和定向扩散消耗的能量都要高。

3.2 组播

在WSN数据组播中，每个数据源沿着最短的多路径传送到它的目标接收者。如果不考虑构造树型的耗费，组播是最好的方式，对于组播而言，数据传送的费用由它每个数据源的具体最短路径树中连接数的2倍决定。在简单的方格拓扑结构中，对每个数据源和数据接受者来说，也有许多最短的路径[7]。如果采用从接收者到发送者的对角线距离，则是最短路径；如果选择水平的连接，这个路径规章被重复，直到到达数据源。因此，组播方式中最短路径选择中则不包括垂直的连接[8]。

3.3 定向扩散

定向扩散的方式和组播方式相类似，假定扩散的局部算法建造的树是每个数据源发出的最短路径的树的“集合”。即扩散的最短路径是在组播中按照相同的规定来选择最短的路径。虽选用相同的路径选择方案，但定向扩散的数据源也会发出相同的目标定位估计，考虑到扩散能抑制重复的应用，扩散中传送的数据的消耗是所有最短树集合路径的2倍[9]。

3.4 对比

通过对3中传播方式耗费能量的比较，可知泛洪数据传送的能耗比组播方式高好几倍，但是组播方式的能耗比定向扩散的耗费高。

4.定向扩散路由协议的改进及仿真实现

4.1 定向扩散路由协议的改进算法

在进行定向扩散路由协议的改进算法前，假设无线传感器网络具有如下性质：

（1）网络中各个节点都是（下转封三）（上接第64页）处于静止状态的。

（2）网络中的传感器节点发送信号都具有一个射频发射角，该角度大小由网络中节点密度确定，节点密度越大，射频发射角度也越大。

（3）每个节点都有相同的感知能力。

算法具体描述如下：

假设兴趣区域为矩形，其坐标为（ad1，bd1，ad3，bd3），于是，兴趣区域中心点坐标为：

ad=ad1+ad32，bd=bd1+bd32 （1）

Sink节点坐标为（a0，b0），假定a0

od=bd-b0ad-a0 （2）

传感器节点根据节点密度、兴趣区域大小计算自己的射频发射角度：

α=2（γ-β），γ=arctgbd-b0ad-a0

（3）

β=arctgbd3-b0xd3-a0 （4）

并将（a0，b0）、（ad，bd）和α添加到兴趣报文中，作为包含兴趣分组的字段，接收到兴趣报文的节点i（ai，bi）不直接对兴趣进行处理，而是先从兴趣报文中提取出（ao，bo），（ad，bd），发射角度α等信息。先判断自己是否在兴趣区域内，是的话则继续转发兴趣。若不是，则说明节点i是中间节点，然后处于b0和bd之间，若该条件成立，则说明节点i处于兴趣泛洪的方向上；反之，则不转发兴趣。若节点i在兴趣泛洪的方向上，再检查自己是不是在传感器节点的射频发射角度范围内，即ai*tgβ

4.2 仿真结果及分析

仿真基于NS-2仿真平台，仿真工作主要针对节点转发兴趣报数目分析和节点能量开销。在转发兴趣报文数目分析中，研究5种不同的传感器分布环境，分别设定300，250，200，150，100，50个节点数目情况下进行仿真，节点随机分布在500m×500m的区域。假设传感器节点数目为1，源节点数目為5，MAC层采用频段为802.11，信道带宽为1Mbit/s，数据分组大小为6byte，设置兴趣重发时间间隔为50s。在能耗方面，由于网络密度的不同，节点能耗也不同，将节点随机分布在600m*600m的区域，设定在300，250，200，150，100，50个节点数目下的场景，持续时间为500s，一个传感器节点和三个源节点，他们的最初能量为1200J，接收节点能量损耗为0.938J，发送节点能量损耗为0.678J。

图2 数据发送流程图

如图3所示，在相同的网络仿真环境下，采用改进的定向扩散路由算法DD-1，可以减少网络内传播的兴趣信息包数目，这与理论是相符合的[10]。也反映了该路由协议能量的有效性，对节点分布密集的网络而言，改进的定向扩散路由协议性能较没改进的性能更加优越。

图3 不同网络环境下的兴趣报文数

如图4所示：通过在不同节点数目环境下进行模拟仿真，改进的定向扩散路由协议DD-1，能够有效减少网络的能量开销。原因为利用射频角度的方法，使得不在正确方向上传输的节点不参与兴趣的转发。大大节省了节点的能量消耗，降低了节点的能量开销，有助于延长整个网络的生命周期。

图4 不同网络环境下的节点能量开销

5.结论

定向扩散路由协议是无线传感器网络中以数据为中心的重要路由协议，采用传统的泛洪算法对于网络能量消耗较大[11]，本文在定向扩散的基础上，通过WSN节点产生兴趣后计算节点射频角度的范围，对兴趣区域内的报文数进行转发。改进后的路由算法随着网络规模的增大，改进算法能够很好节省网络能耗开销。

参考文献：

[1]吴建荣，万健，徐向华.定向扩散路由协议的改进分析[J].杭州电子科技大学学报，2008，28（5）：135-138.

[2]冯延蓬，仵博.基于簇首定向扩散的无线传感器网络路由协议研究[J].计算机测量与控制，2010.18（1）：240-242.

[3]王卫亚.基于定向扩散的双向路由协议[J].计算机工程，2009，35（3）：123-125.

[4]王维，李颖，李洪生.基于定向天线的移动自组网路由协议研究[J].通信技术，2010，43（7）：126-130.

[5]李兰英，宋健伟.基于分簇和定向扩散混合路由协议的研究[J].哈尔滨理工大学学报，2010，15（4）：73-76.

[6]邬春学，叶胤鹏，许博威.基于梯度阈值和时延的定向扩散路由协议[J].计算机工程，2012，38（7）：77-79.

[7]高景菊，张文娟，谭永杰.无线传感器网络中分簇定向扩散路由协议研究[J].周口师范学院学报，2012，29（2）：101-104.

[8]周晓芳，屈玉贵.一种基于多优化函数的跨层定向扩散路由协议[J].中国科学技术大学学报，2009，39（8）：798-803.

[9]梁小宇，刘泉，刘新华.一种基于分簇的优化定向扩散路由协议[J].武汉理工大学学报，2011，33（8）：521-528.

[10]潘文虎，张瑞华.WSN中基于移动Sink的高效数据收集算法[J].计算机工程，2011，37（18）：94-96.

作者简介：郑少雄（1990—），硕士，研究方向：无线传感器网络在农业信息化当中的应用。