無線傳感器網(wǎng)絡的中繼節(jié)點自適應選擇休眠機制

李彩林　劉曉祥　孫躍

摘 要： 針對無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點能量有限的問題，設計一種中繼節(jié)點自適應休眠方法，對網(wǎng)絡節(jié)點的工作時間進行優(yōu)化調(diào)度。在路由鏈路建立中，根據(jù)網(wǎng)絡中節(jié)點的地理位置、剩余能量選擇中繼節(jié)點的方法進行節(jié)點休眠調(diào)度。網(wǎng)絡工作時通過計算下一跳最佳節(jié)點位置，選取其附近區(qū)域內(nèi)剩余能量多的節(jié)點作為下一跳的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，設計出中繼節(jié)點自適應選擇的節(jié)點休眠機制。仿真結(jié)果表明，所設計的休眠機制提高了節(jié)點能量利用效率、延長了網(wǎng)絡工作時間。

關鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡； 中繼節(jié)點； 自適應選擇； 休眠機制

中圖分類號： TN915?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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

無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Network，WSN）以其靈活性、機動性、廉價性的特點，廣泛應用于環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療系統(tǒng)、智能電網(wǎng)和軍事偵察等領域[1?3]。它是由大量廉價的傳感器節(jié)點組成的一種通信網(wǎng)絡，通過節(jié)點的多跳方式形成的分布式無線自組網(wǎng)絡，其結(jié)構(gòu)通常包括傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和管理節(jié)點。一個傳感器節(jié)點由感知模塊、處理模塊和通信模塊組成，通過傳感器模塊采集到的信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后傳送給處理模塊，處理模塊的處理器對信號整理之后利用通信模塊將信號傳送給監(jiān)控中心[4]。

由于無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點自帶電池的原因?qū)е鹿?jié)點能量嚴重受限，同時節(jié)點在部署之后很難回收，當節(jié)點能量耗盡時，導致網(wǎng)絡失效，而且節(jié)點數(shù)目分布不均、數(shù)目龐大，也將使得更換電源不可行。當網(wǎng)絡中某一個或一些節(jié)點能量耗盡，將會使網(wǎng)絡產(chǎn)生能量空洞，進而影響網(wǎng)絡正常工作。所以，無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵問題是降低能耗，如何提高節(jié)點能量的有效利用率、延長網(wǎng)絡的工作時間成為無線傳感器網(wǎng)絡設計的一個重要方面，也是當前研究的熱點[5]。

無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的工作模式主要分為“運行”、“空閑”、“休眠”，運行模式節(jié)點能耗最大，空閑模式耗能其次，休眠狀態(tài)能耗最小。因此，在保證網(wǎng)絡數(shù)據(jù)正常傳輸?shù)幕A上減少節(jié)點空閑偵聽是降低能耗的有效方法之一[6]。網(wǎng)絡的大多數(shù)節(jié)點需要通過多跳形式將數(shù)據(jù)傳送給目的節(jié)點（Sink節(jié)點），因此路由協(xié)議的關鍵問題就是如何選擇下一跳中繼節(jié)點[7?8]。為此，本文設計出基于地理位置的中繼節(jié)點自適應選擇休眠機制。通過自適應選擇中繼節(jié)點的方式選出整條鏈路耗能最少的節(jié)點作為下一跳節(jié)點，其余空閑節(jié)點進入休眠模式，從而減少空閑偵聽，達到提高網(wǎng)絡節(jié)點能量利用率延長網(wǎng)絡工作時間的目的。

1 相關工作

節(jié)點休眠策略作為一種有效的節(jié)能手段，在無線傳感器網(wǎng)絡應用中得到了很多的研究。文獻[9]引入了“虛擬群”，每個節(jié)點可以在休眠、喚醒狀態(tài)下互換。一個“虛擬群”中的節(jié)點都采用相同休眠周期，在休眠期到達且無業(yè)務時轉(zhuǎn)入休眠。由于網(wǎng)絡的多跳性，可能會存在多個“虛擬群”，相鄰節(jié)點可能采用不同的休眠周期，每個節(jié)點都需記錄鄰近節(jié)點的休眠周期信息。此方法壓縮了節(jié)點的激活時間，將原本在任意時刻都會產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息集中在激活期發(fā)送，會增大節(jié)點冗余。文獻[10]給出了解決此問題的方法，將一條鏈路上的所有節(jié)點的激活期交錯起來，激活期中包含時間相等的發(fā)送期u和接收期u，節(jié)點根據(jù)其在鏈路中的深度D將激活時間向Sink節(jié)點確定的時鐘基準移動du，保證一條轉(zhuǎn)發(fā)鏈路的節(jié)點可以被順次激活傳輸。該機制雖節(jié)約了一定的能量，降低了數(shù)據(jù)的傳輸延時，但會對協(xié)議性能，如吞吐量產(chǎn)生影響。在文獻[11]中介紹了一種在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時使用鄰近節(jié)點位置信息的路由協(xié)議GPSR。中繼節(jié)點根據(jù)自己與Sink節(jié)點距離進行數(shù)據(jù)傳送，中繼節(jié)點依據(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)點最近的節(jié)點作為轉(zhuǎn)發(fā)中繼節(jié)點。GPSR的中繼節(jié)點選擇思路可以在一跳范圍內(nèi)選擇耗能最小的節(jié)點作為下一跳中繼節(jié)點，卻不能保證整條路由的總體能耗為最低。本文在中繼節(jié)點的選擇方面，通過計算下一跳最佳節(jié)點位置后，選取其附近半徑為Ru的區(qū)域內(nèi)的最小代價節(jié)點為下一跳的中繼節(jié)點，設計出基于地理位置的中繼節(jié)點自適應選擇的節(jié)點休眠機制。endprint

2 模型建立

2.1 無線傳感器網(wǎng)絡模型建立

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

2.2 無線傳感器網(wǎng)絡能耗模型建立

無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點能耗有很多方面，為了研究的方便，將主要關注接收和轉(zhuǎn)發(fā)過程中的能量損耗。無線傳感器網(wǎng)絡能耗模型如圖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，Elink（D）可以取到最小值，稱此時的d=[dchar]。設置n為固定值2，則[dchar]也為固定值。當源節(jié)點與Sink節(jié)點的傳輸距離為D（且D是[dchar]的整數(shù)倍）時，整條傳輸鏈路所消耗的Elink最小。但是在實際拓撲中不可能所有的D都被[dchar]整除，因此有時候[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)點與Sink節(jié)點的連線上每隔一個[dchar]距離的點ui（i=1，2…），按上述分析，如果ui位置有傳感器節(jié)點，則此節(jié)點為最佳的中繼節(jié)點。但是實際的無線傳感器網(wǎng)絡分布中， ui處可能沒有節(jié)點存在。如圖3所示，在實際應用中當數(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。劃定一塊以ui+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。

無線傳感器網(wǎng)絡中的每個節(jié)點都通過廣播等方式知道自身以及Sink節(jié)點的位置坐標。當節(jié)點距離最佳節(jié)點的距離越近，整條傳輸鏈路的能耗將會最小。按照上述的證明，此時只要尋找在Ru范圍內(nèi)的離最佳點ui+1最近的點即可。但是會出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象：當整個網(wǎng)絡的節(jié)點感知數(shù)據(jù)產(chǎn)生的分布不均勻時，距離最佳點ui+1較近的節(jié)點產(chǎn)生、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)頻繁，導致這些節(jié)點快速耗能而死亡。如果這些死亡節(jié)點是網(wǎng)絡中極為重要的節(jié)點，那么它的死亡將有可能破壞整個網(wǎng)絡的性能。若多數(shù)節(jié)點相繼死亡，那么會產(chǎn)生能量空洞，勢必會影響路由算法的性能。一個無法保證網(wǎng)絡正常工作的節(jié)能算法是無意義的。因此，引入一個代價函數(shù)決定下一跳節(jié)點。通過考慮最佳節(jié)點ui+1附近的節(jié)點的距離因素、剩余能量因素設計出代價函數(shù)如下：[cost=（1-α）?d（m，ui+1）R+α?1-EresEin，0<α<1，Eres>0] （6）

式中：[α]為權重系數(shù)；m是網(wǎng)絡中任意節(jié)點，[d（m，ui+1）]是m節(jié)點與最佳點ui+1的距離；R為最佳點附近的搜索半徑；Eres為當前節(jié)點的剩余能量；Ein為節(jié)點的初始能量。在網(wǎng)絡工作時，每個發(fā)送節(jié)點向鄰居節(jié)點發(fā)送廣播，鄰居節(jié)點在接收到的數(shù)據(jù)信息中選擇代價函數(shù)值最小的節(jié)點作為下一跳中繼節(jié)點，其余節(jié)點進入休眠狀態(tài)。

為了能夠得到鄰居節(jié)點中的最小代價值，在發(fā)送的RTS（Request To Sent）中加入三個短域其中包括節(jié)點位置坐標、傳輸負載量和節(jié)點剩余能量。報文內(nèi)容如下：

采取在網(wǎng)絡工作不同階段選取相對應的中繼節(jié)點選擇的方式，網(wǎng)絡中繼節(jié)點選擇方式流程圖見圖4。

休眠算法實現(xiàn)方式具體操作如下：

（1） 節(jié)點通過廣播的形式得到Sink節(jié)點和鄰近節(jié)點的位置，計算出下一跳最佳的中繼坐標；

（2） 計算出下一跳最佳的中繼節(jié)點坐標后并向全網(wǎng)絡廣播其坐標位置；

（3） 設置定時器，在最大允許時間T內(nèi)，接收來自鄰居節(jié)點的RTS，計算[mui+1]值，大于通信半徑R則丟棄信息。

（4） 計算代價函數(shù)cost值，選取最小cost值的節(jié)點并記錄其位置信息。每接收一個RTS，計算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。即保留最小代價值的那個節(jié)點的信息。

在一次路由鏈路的建立過程中，所有無線傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點都保持偵聽狀態(tài)，通過發(fā)送自身節(jié)點信息選擇是否為下一跳中繼節(jié)點。未被選作下一跳中繼節(jié)點的節(jié)點進入休眠模式，在下一輪的路由鏈路建立開始時再次喚醒，并繼續(xù)競爭下一跳中繼節(jié)點。

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)點自適應選擇休眠機制的性能，通過Matlab平臺編寫一個M文件，并進行實驗仿真。仿真實驗模擬了一個在100 m×100 m的矩形范圍內(nèi)，網(wǎng)絡中均勻分布100 B，Sink節(jié)點位于網(wǎng)絡中心。除Sink節(jié)點不產(chǎn)生數(shù)據(jù)，其余傳感器節(jié)點在一個周期內(nèi)都產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)分組，并且其余節(jié)點初始能量都相同。表2為仿真實驗中使用的參數(shù)，其中Ein為節(jié)點起始能量，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]為權重系數(shù)，D為源節(jié)點與Sink節(jié)點的最遠距離，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700輪后網(wǎng)絡中的節(jié)點剩余能量情況。圖5中紅色的點為剩余能量為零的節(jié)點，即死亡節(jié)點。由圖可知，在網(wǎng)絡運行到700輪時已經(jīng)有40%節(jié)點開始死亡。而圖6中，經(jīng)過700輪后網(wǎng)絡中并未出現(xiàn)死亡節(jié)點，在之后的仿真中發(fā)現(xiàn)直到800輪后網(wǎng)絡中才出現(xiàn)死亡節(jié)點。這是因為GPSR協(xié)議是依據(jù)貪婪特性選擇距離Sink節(jié)點最近的節(jié)點作為下一跳節(jié)點，并未從網(wǎng)絡整體考慮減少能耗，而本文提出的方法均衡了節(jié)點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)點的壽命更長。

圖7為隨著網(wǎng)絡運行輪數(shù)的增加網(wǎng)絡中剩余存活節(jié)點的數(shù)量的變化。圖中藍色線條代表GPSR協(xié)議的剩余節(jié)點存活數(shù)量變化，紅色線條表示本文提出的方法的剩余節(jié)點存活數(shù)量變化。當網(wǎng)絡運行到600輪時GPSR協(xié)議已經(jīng)有節(jié)點能量耗盡，而本文提出的休眠方式在網(wǎng)絡運行到800輪后才有節(jié)點死亡，而到900輪后會有一個驟降的趨勢。這是因為本文提出的方法考慮了網(wǎng)絡節(jié)點的整體能量，節(jié)點死亡的時間會較晚。隨著網(wǎng)絡工作時間的延長，死亡節(jié)點會快速增多，是因為該方法是基于能量均衡原則，會犧牲部分能量使達到能量均衡，到了網(wǎng)絡工作后期節(jié)點會快速死亡。endprint

本文提出的方法能夠提高節(jié)點能量利用率、延長了網(wǎng)絡工作時間。在節(jié)點均勻分布的仿真實驗中，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網(wǎng)絡工作時間方面的優(yōu)勢。如果在節(jié)點不均勻分布的情況下，該方法的優(yōu)勢將會更加明顯。

5 結(jié) 論

本文為無線傳感器網(wǎng)絡設計了一種基于地理位置的中繼節(jié)點自適應選擇機制，并通過Matlab仿真驗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制具有較好的能量有效性，并且提高了網(wǎng)絡節(jié)點能量的利用率。進一步研究中，將對無線傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點分布不均勻的情況開展討論，設計能夠適應多種業(yè)務模型的休眠策略來提高網(wǎng)絡節(jié)點的能量利用率。

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