无线传感器网络功率控制的路由协议改进

Improvement of Routing Protocol of Wireless Sensor Networks

Based on Power Control

陈雪冬　陈硕红

(中物院电子工程研究所，四川 绵阳　621000)

无线传感器网络功率控制的路由协议改进

Improvement of Routing Protocol of Wireless Sensor Networks

Based on Power Control

陈雪冬陈硕红

(中物院电子工程研究所，四川 绵阳621000)

摘要：路由技术是传感器网络的核心技术之一。针对无线传感器网络节点能量有限、节能至关重要的特点，提出基于功率控制的无线传感器网络路由协议。结合自由空间传播损耗模型和双径传播模型，导出了节点最优发送功率。考虑网络层路由选择与物理层功率控制，在AODV协议帧中附加了一个字段，即在路由请求与回答报文中加入了最优发送功率。仿真结果表明，在保证低延迟和高吞吐量的前提下，该方法降低了网络能量消耗，延长了网络生存时间。

第一作者陈雪冬(1967-)，男，1997年毕业于电子科技大学自动控制专业，获硕士学位，副研究员；主要从事传感器技术研究。

关键词：无线传感器网络网络性能功率控制AODV 路由协议最优发送功率

Abstract：Routing technology is one of the core technologies of wireless sensor network. Due to the energy of the node is limited, and energy saving is significant, the wireless sensor network routing protocol based on power control is proposed. By combining the free space propagation loss model with the dual path propagation model, the calculation formula for optimal transmit power is derived. Considering the routing selection in network layer and the power control in physical layer, one field is added in AODV protocol frame, i.e., the optimal transmit power is added between routing request and reply message. The results of simulation show that in ensuring the promise of low latency and high throughput, the proposed method reduces the network energy consumption, prolongs the survival time of network.

Keywords：Wireless sensor networkNetwork performancePower controlAODV routing protocolOptimal transmission power

0引言

在无线传感器网络研究技术中，减少能量消耗，延长网络生存时间是重要研究课题。目前采用功率控制协议[1-2]或采用族功率(cluster power)协议[3]的主要思想是控制发送功率。跨层设计可以实现不同层之间信息的共享[4-6]，减小层间通信与开销。利用无线传输中多跳节能特征，构造节点有效功率拓扑结构，从而建立高效能量路径[7-9]。改进AODV协议[10]，联合链路层和路由层共同为节点和数据包选择最优发送功率，从而节省网络能耗。本文基于AODV[9]协议进行跨层功率控制研究，在网络层依据能量相关度量构造路由表，在物理层依据路由表动态调整发送功率，从而达到降低节点能量消耗、延长网络生命周期的目的。

1最优发送功率

在无线传感器网络中，信号接收功率的衰减与传输距离呈幂函数关系，且与传播模型相关。使用传播模型预测接收端所收到的信号强度，从而判断传送的数据能否成功被接收。在研究中，往往会选择使用传输模型估计接收端所收到的信号强度，从而判断传送的数据能否成功被接收。

根据传送端和接收端之间干扰情况的不同，存在几种常用的传输模型。常用传播模型分为自由空间模型、双径传播模型和阴影模型三种[10]。自由空间模型是最理想的模型，只考虑从传送端到接收端直线距离的路径损耗。双径传播模型是自由空间模型的改进，除了考虑传送端到接收端直线距离的路径损耗外，还考虑了地面反射因素。当收发节点间距离小于距离阈值时，传播模型等同于自由空间模型。当收发节点间距大于距离阈值时，采用双径传播模型。阴影模型是最复杂的模型，不仅考虑节点间直线距离路径损耗和地面反射因素，而且考虑了传送端和接收端之间有障碍物时对传送信号的影响。双径传播模型是最逼近真实环境的模型，本文采用该模型。

节点的传输功率决定着能量的消耗水平。当传输功率较大时，会产生额外的消耗；当传输功率较小时，节点之间无法实现通信。由此可见，在满足节点可以正常通信的前提下，设置最优功率作为节点传输功率，可以有效降低节点能量消耗，改善网络性能。因此首先通过功率控制策略，对AODV协议中节点的发送功率进行动态调整。

双径传播模型发送功率为：

(1)

式中：Pt为节点发送功率；Pr为节点接收功率；Gt、Gr分别为发送天线和接收天线的增益，对固定的节点，这两个值为常量；d为传送节点到接收节点直线距离；L与传播无关的系统损耗因子(L≥1)；ht、hr为两极传输模型中收发两端的天线高度；dTh为收发两端的距离阈值，当实际通信距离小于dTh时，传输模型将退化为自由空间模型，用P0表示此时节点接收功率，dTh=4πhthr/λ，其中λ为无线电波波长。

当某节点向其他节点发送信息时，如果发送功率较小，会导致信息无法正常传输；如果发射功率太大时，会带来不必要的能量浪费。因此选择能够保证节点正常通信的最优功率传输数据信息，是一种增加节点生存时间的可行方案。

根据双径传播模型，并结合电磁波传播损耗，可以得到接收节点的接收功率为：

(2)

假设接收节点能够正确检测并解码信号的功率门限阈值为Pth，如果接收到的信息强度大于门限阈值，则此信息会被成功接收；否则信息传输失败。

接收节点想要正确检测并接收数据包，应该满足Pr≥Pth，从而有：

(3)

将节点最优发射功率记作Pm，并取式(3)中的最小值，则有：

(4)

结合所取的传播模型，得到最优发送功率Pm为：

[2]American Journal of Bioethics依然是2016年SSCI社会科学1区的重要刊物，鉴于该刊物的学术影响力，本论文将其保留作为参照。

(5)

由上式可知，任意两节点间的最优发送功率Pm可由节点发送功率Pt、节点接收功率Pr以及节点接收功率阈值Pth计算得到。通过计算得到最优功率后，将其写入AODV协议帧参与广播，从而确定节点之间的最优发射功率。

2AODV协议及改进方案

2.1　AODV协议

AODV是具有代表性的按需距离矢量路由协议，只有需要相互通信的两个节点，才会进行路由查找与维护，中间节点提供转发业务。AODV协议假设无线链路是双向的，其路由机制包括路由发现和路由维护两个阶段。

当源节点有数据发送且无到达目的节点的有效路由时，AODV启动路由发现过程，向网络广播路由请求报文。收到路由请求报文的节点首先判断是否收到过相同报文，如果是，则丢弃；如果不是，则根据路由请求报文中的信息建立源节点的反向路由。如果中间节点含有到达目的节点的路由，会向源节点发送路由应答报文，否则广播该路由请求报文。当目的节点收到路由请求报文后，同样建立反向路由并回复路由应答报文。

在路由维护阶段，节点定期发送消息进行链路连通性管理。源节点得到链路中断消息后会重启路由发现过程[10]。

2.2　AODV的改进

本文采用双径传播模型，依据最优发送功率计算公式，将网络层路由过程与物理层功率控制策略相结合，得到经过改进的协议AODV协议。

传统的AODV协议以“最小跳数”为参数，在源节点与目的节点之间总是选择跳数最小的路径传输数据，因此随着网络负载的增加，会引起网络中一些节点过多的发送数据信息，导致最终能量急剧消耗而死亡，从而影响网络性能。根据式(5)可知，在节点发送功率Pt、节点接收功率Pr以及节点接收功率阈值Pth已知的情况下，计算节点的最优传输功率Pm，并自动将节点的传输功率调整为Pm。

首先对AODV协议帧进行扩展，在路由请求报文中添加一个字段，用于记录当前节点的发送功率，在路由应答报文中同样添加用于记录计算所得的最优发送功率字段，同时在路由表中，添加用于调整节点功率的两项信息：分别记录节点自己的最优传输功率和其他节点的最优传输功率。算法描述如下。

① 源节点有数据向目的节点发送，且没有到达目的节点的有效路由时，启动路由发现过程，向网络广播路由请求报文。与AODV协议不同，在路由请求报文数据帧中加入最优发送功率一项并将节点最大发送功率Pt写入，其他节点也以最大功率转发路由请求报文包。

③ 路由回复过程中，在路由应答报文中添加最优发送功率Pm这一项，并将计算得到的最优发送功率写入。

④ 源节点收到路由应答报文后，建立两节点间路由，且以最优发送功率Pm作为发送功率发送数据。

通过上述措施，将网络层的路由过程与物理层的功率控制策略相结合，从而动态调整节点的发送功率，在保证网络性能前提下，降低节点能量消耗，延长网络生命周期。

3仿真与性能分析

3.1　仿真场景与参数

仿真工具采用NS2平台，分别对AODV协议和Im-AODV协议进行仿真及性能分析。

仿真场景为300 m×300 m的正方形区域，49个节点分布其中，指定右上角节点为sink节点，如图1所示。无线节点仿真参数如表1所示。

图1　节点分布状态图

参数数值传播模型 双径传播模型带宽 2bit/s初始能量 50J电波传输距离50m接收功率阈值7.69113e-08发送频率 9.14e+08接收功率 0.395W监听功率 0.0W

随机选择5个节点为数据源节点，以恒定比特数向sink节点发送恒比特率(constants bit rate，CBR)数据包，数据包大小为512 B，每秒分别发送1、2、4、8、15个数据包，仿真时间为300 s。

在不同发送速率下分别进行5次仿真，最终数据采用5次仿真数据的平均值。

3.2　仿真结果与分析

端到端延迟与吞吐量是衡量网络性能的重要指标。本文在不同CBR发送速率下，比较AODV协议与Im-AODV协议的平均端到端延迟、网络吞吐量，并对两种协议的能量消耗进行比较，分析采用功率控制对网络性能带来的提升。

在不同CBR发送速率下，两种协议的平均端到端延迟如图2所示。随着数据包发送速率的增大，两者的平均延迟都随之增大，然而与传统AODV相比，改进后的协议拥有更小的平均端到端延迟。

图2　平均延迟曲线

不同CBR发送速率下，两种协议的平均吞吐率曲线如图3所示。在较小发送速率时，两种协议吞吐量相同，在较大发送速率时，改进后的AODV协议可以增大网络吞吐量，提高网络性能。

图3　平均吞吐率曲线

不同CBR发送速率下，两种协议的能量消耗如图4所示。随着发送速率的增大，两种协议的能量消耗都随之增大。与传统AODV协议相比，改进后的协议拥有更小的能量消耗，在较大发送速率下能量消耗更低。

图4　能量消耗曲线

由此可见，改进后的协议，节点剩余能量有较大提升，可以有效延长网络生命周期，达到降低能量消耗的目的。

4结束语

本文依据功率控制的思想，将网络层的路由过程与物理层的功率控制相结合，对AODV协议进行改进，扩展AODV协议帧;并依据最优发送功率，动态调整节点的功率，从而达到降低节点能耗的目的。

通过NS2仿真验证，改进后的AODV协议，在保证网络较低延迟和较高吞吐量的前提下，可以有效减小节点能量消耗，从而达到延长网络生命周期的目的。

参考文献

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中图分类号：TP393

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201501018

修改稿收到日期：2014-07-15。