无线传感器网络分层带宽自适应路由协议

王科强， 张彦波， 项伍锋

(1.河南大学 物理与电子学院，河南 开封 475004；2.南京炮兵学院 廊坊校区，河北 廊坊 065000)

0 引 言

无线传感器网络(wireless sensor networks,WSNs)被广泛应用于军事、航空、救灾、环境、医疗、工业、商业等领域[1]。在无线传感器网中，传感器节点一般体积较小，数量众多，且多采用电池供电。由于节点部署的位置会影响节点参与网内报文发送的任务数，频繁利用部分节点，会导致这些节点过早消耗掉自身能量，退出网络。如何提高能量有效性、均衡节点能耗进而延长网络寿命、避免网络分裂等问题便成为无线传感器网络路由协议研究的重要内容[2]。

近年来，许多研究工作通过研究不同应用下的网络层特性,提出了一系列路由协议。基于节点平面部署特点的比较成熟的路由协议有DD协议[3]、LEACH协议[4]以及PEGASIS协议[5]。DD协议可以分为：兴趣扩散、梯度建立、路径加强和数据传播4个阶段[6]。DD协议减少了洪泛到网络中的冗余信息，查询驱动具有较高的健壮性。但是造成的网络开销大，不利于网络扩展。LEACH协议将网络中节点分成不同的簇，簇内节点将收集的数据发送给簇首，簇首将数据融合后传送给汇聚节点。PEGASIS协议是一种基于链状拓扑结构的路由协议，它利用贪婪算法在网络中生成一条由节点组成的单链，数据沿链路进行传输[7]。PEGASIS算法链路拓扑结构算法简单，形成链路能耗低，能有效减少节点间通信的平均距离，并能减小LEACH协议在簇重构过程中所产生的能耗。但是PEGASIS协议还存在以下问题[8]：1)数据传输过程依靠位置信息容易造成数据的迂回，不适应于时延敏感的应用场合；2)网络维护路由信息会带来额外的能量开销；3)在数据传输过程中，没有考虑节点的剩余能量。

由于PEGASIS协议存在的这些缺陷，国内外学者就对它进行了一系列的研究和改进。分层均匀带宽路由协议是目前常用的一种方式[9]，它根据节点与BS距离远近，把观测区划分为几个带宽均匀的环带，数据从信源节点逐步向距离BS较近的环带内节点进行传输，直至将数据发送至BS。均匀带宽路由协议避免了数据沿链路进行传送时造成的数据迂回，缩短了传输距离，减少了网络能耗，并且能有效的减少数据延迟。

1 分层带宽自适应路由协议

以上协议均未将通信距离和节点剩余能耗综合起来作为选择下一跳节点的门限，容易造成某些固定的节点因频繁参与数据传输而过快耗尽能量退出网络，形成网络分裂[10]。文献[11]提出了对固定带宽的路由协议进行局部环带调整的方案。该方案采用调整带宽的方式来达到网内负载均衡的目的，具有一定的效果。但是其部分带宽未满足阈值，即不调整的方案并不能够很好地处理同网内其他带宽改变的情况,而且该算法不适用于事件触发型的网络环境。本文提出了一种自适应带状分层路由协议。网络在通信过程中会将观测区划分为数个环带，并为环带内节点赋予不同ID，系统能自动调整全网带宽，并且在链路形成过程中会综合考虑节点剩余能量和数据发送能耗权重。

在本文算法中设定：场景为事件触发型；每个节点初始能量均衡；节点位置随机均匀分布在指定区域；传感器网络部署完成后，节点保持静止；BS位于(0，0)位置；信源节点位于距离BS最远的环带内。

该协议中数据传输分3个阶段:网络系统初始化阶段、数据报文传输阶段和环带宽度自动调整阶段。

在网络初始化阶段，网络中的节点按自己同BS的距离进行均匀环状区域划分，形成一个以BS作为圆心的一簇同心的环带，同时赋予网络中所有节点ID号。ID号的赋予根据与BS的距离为标准，赋予同一带内的节点同一ID号，距离BS越远的节点ID号越大。如图1所示，观测区范围为100 m×100 m，节点随机均匀分布，节点个数为100，观测区均匀划分为5个环带，每个环带由近及远ID分别为1,2,3,4,5。节点位于环带划分线上的节点属于ID值较小的环带。

图1 均匀带宽

在数据报文传输阶段，假设信源节点位于距离BS最远的环带内。为避免远离BS的节点直接与BS通信，达到延长网络生存时间的目的[12]，信源节点在寻找下一跳节点时候，只选择ID号比自己低一级的环带内节点作为自己数据传输对象，在选择下一跳节点时，本算法引入了基于节点剩余能量和通信距离的综合门限值T，T的取值如公式(1)

(1)

节点在选择下一跳最优节点时，选择T值最小的节点作为自己的下一跳节点进行数据传输，当此节点接收到上一跳节点传送的数据之后，将数据与自身数据进行融合后再依据门限值T寻找下一跳节点，在数据传送至ID号为1的节点时，此节点将数据传到BS。在数据发送阶段，节点在分配的时隙内将监测数据发送到下一跳节点，不在当前发送时隙内的节点处于“休眠”状态。其链路构建流程如图2所示。

图2 分层带宽自适应路由协议构造链流程

链路形成后，系统沿链路进行数据传输，在进行10轮数据传输后，系统将计算各环带内节点剩余平均能量值对全网带宽进行自动调整。使能量消耗较快的层带宽按照最优标准加宽，增加此带中节点总数量，使网络中能量均匀消耗，从而延长络生存寿命。带宽调整按照公式(2)进行计算

(2)

图3 动态带宽

2 能耗分析

本文使用的是电磁波在自由空间传播的能耗模型来计算网络中无线数据报文发送的能量消耗数值。其中发射和接收所消耗的能量公式分别如公式(3)、式(4)所示

ETs(k,d)=Eelec×k+εfs×k×d2,

(3)

式中d为通信距离，k为发送比特数,ETx代表节点将kbit数据发送到dm距离时消耗的能量,Eelec为发射机或接收机处理单位bit消耗的能量，εfs为在自由空间内发射机发送单位比特单位距离消耗的能量

ERx(k)=Eelec×k,

(4)

式中ERx(k)为节点接收kbit数据所消耗的能量。

由于每进行一次数据处理，节点都需要对数据报文进行压缩和融合的处理，因此，从信源节点经过(n-1)个节点最后传送至BS的过程中，用于数据融合消耗的能量为

E=(n-1)×Eagg×k,

(5)

式中Eagg为节点融合每bit数据的能耗。

3 模拟实验

利用Matlab对本文所提方案进行了仿真，并对仿真结果进行了分析，与均匀带宽路由协议作了比较。仿真中各项参数如表1所示。

表1 系统仿真参数设置

图4显示了在100 m×100 m网络规模下，当网络中出现第一个节点死亡时，分层带宽自适应路由协议与均匀带宽的路由协议参与网内数据报文传输节点的平均剩余能量的比较。可以看出，分层带宽自适应路由协议参与网内数据报文传输的节点能量消耗速度较均匀带宽的路由协议要缓慢得多，本文算法引入了带宽自动调整机制，使得网络内节点能耗更加均衡。均匀带宽的路由协议在1110轮时第一个节点死亡，而分层带宽自适应路由协议则在10020轮时才出现第一个节点死亡，网络寿命较均匀带宽的路由协议提高了902 %。

图4 网络内节点能耗曲线图

图5描述了系统进行1 000轮数据传输时网内节点的剩余能量方差分布图，可以看出:分层带宽自适应协议网络内节点剩余能量方差随着运行轮数增加明显小于均匀带宽的路由协议，节点的剩余能量更加均衡。由于均匀带宽的路由协议没有采用有效的均衡机制，导致各节点之间能量消耗出现较大差别，而本文所提算法则综合考虑了距离和节点剩余能量，节点选择相对更加优化，从而使能耗均衡量。

图5 网络内节点剩余能量方差曲线图

4 结 论

均衡节点能量、延长网络寿命是设计无线传感器网络路由协议的重要目标。本文提出的分层带宽自适应路由协议通过改建算法减小通信距离和均衡节点能耗。将网络根据节点剩余能量进行分层并建立最优路径。仿真结果表明：分层自适应带宽路由协议有效提高了网络寿命，均衡了节点能耗。

参考文献:

[1] A1-Karaki J N,Karnal A E.Routing techniques in wireless sensor networks:A survey[J].IEEE Wireless Communication,2004,11(6):6-28.

[2] 余勇昌,韦 岗.无线传感器网络中基于PEGASIS协议的改进算法[J].电子学报,2008,36(7):1309-1313.

[3] Intanagonwiwat C,Govindan R,Estrin D.Directed diffusion for wireless sensor networking[J].IEEE/ACM Transactions on Networking,2003,11(1):2-16.

[4] Heinzelman W,Chandrakasan A,Balakrishnan K.Energy-efficient communication protocol for wireless microsensor networks[C]∥Proceedings of the 33rd Annual Hawaii Int′l Conf on System Sciences：IEEE Computer Society,2000:3005-3014.

[5] Lindsey S,Raghavendra C,Sivalingam K M.Data gathering algorithms in sensor networks using energy metrics[J].IEEE Tran-sactions on Parallel and Distributed Systems,2002,13(9):350-354.

[6] Macro D,Maniezzo V,Colorni A.The ant system:Optimization by a colony of cooperating agents[J].IEEE Transactions on Systems,Man,and Cybemetics—Part B,1996,26(1):29-41.

[7] 张 震,闫连山,潘 炜.基于LEACH和PEGASIS的簇头成链可靠路由协议研究[J].传感技术学报,2010,23(8):1173-1178.

[8] Ibriq J,Mahgoub I.Cluster-based routing in wireless sensor networks:Issues and challenges [C]∥International Symposium on Performance Evaluation of Computer and Telecommunication Systems,2004:759-766.

[9] 王 波,蒋 卫,孙 燚.改进PEGASIS的分层链树路由协议[J].计算机系统应用,2009,18(12):98-102.

[10] 张海洋,曾凡仔,罗 娟,等.无线传感器网络的能量均衡路由算法[J].计算机工程,2010,36(1):134-138．

[11] 陈祖爵,麻勰光,陈 媛.能量均衡的动态间隔分层路由协议[J].计算机应用研究,2011,28(1):271-274.

[12] Lung C H,Zhou Chenjuan.Using hierarchical agglomerative clustering in wireless sensor networks:An energy-efficient and flexible approach[J].Ad Hoc Networks,2010,8(3):328-344.