CN101282353A - 无线传感器网络基于代价函数的能效路由协议的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线传感器网络技术领域，尤其涉及无线传感器网络基于代价函数的能效路由协议的实现方法。路由技术是无线传感器网络研究中的一项关键技术，合理的路由设计能使节点在数据传输中消耗尽可能少的能量以延长整个网络的生命期。本发明提出的能效路由协议，各节点根据自己路由表中所存储的节点信息，通过计算比较相应的代价函数值，来确定适当的传输路径。本发明在网络节点的能耗与时延上取得了较好的均衡。

Description

无线传感器网络基于代价函数的能效路由协议的实现方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术领域，尤其涉及一种无线传感器网络基于代价函数的能效路由协议的实现方法。

背景技术

无线传感器网络(WSN，Wireless Sensor Network)与传统的无线网络不同，传感器节点能量支持和通信宽带都是受限且一般没有能量补充的，计算能力和存储容量都很有限，这就要求在提供一定服务的前提下尽可能降低节点能耗，尽可能延长网络生命周期。因此，能效是无线传感网络系统中要考虑的一个关键因素，而路由又要消耗大量的能量，设计出合理的路由方案也是至关重要的。

于2000年麻省理工学院电子工程和计算机科学系的Wendi Heizelman等人为无线传感器网络专门设计的低功耗自适应聚类路由协议(W.R.Heinzelman，A.Chandrakasan，H.Balakrishnan，Energy-efficient communication protocol for wireless microsensor networks，IEEEHICSS，Maui，Hawaii，4-7 Jan.2000，pp.1-10.)。该协议采用随机选取若干个簇头，把网络分成若干个簇，簇头直接与基站通信，而簇内成员只与所属簇的簇头通信。LEACH在运行过程中不断的循环执行簇的重构过程，每个簇重构过程采用“轮”的方式。每“轮”可以分成两个阶段：簇的启动阶段和传输数据的稳定阶段。与直接通信路由协议相比，在第一个节点死亡之前系统所完成的通信轮数能得到8倍左右的提高。该协议的不足之处是，每轮中任意节点成为簇头的概率均为p，而不是根据存活节点的数量进行相应的调整，使得能耗分配不均衡，簇头随机选取，不能保证簇头在网络中的分布是否合理，而簇头的分布又在很大程度上决定了该轮的能量损耗状况。此外，所有簇头是直接与基站通信，这对远离基站的簇头能量损耗很大。

在2002年航空航天公司计算机系统研究部介绍了“无线传感网络PEGASIS协议”(S.Lindsey and C.S.Raghavendra，PEGASIS：Power-Efficient Gathering in Sensor InformationSystems，IEEE Aerospace Conference，Big Sky，Montana，March 2002，Vol.3，pp.1125-1130.)和“一种低功耗自组织传感器网络协议”(S.Lindsey，C.S.Raghavendra，K.M.Sivalingam，Data gathering algorithms in sensor networks using energy metrics，IEEE Transactions on Paralleland Distributed Systems，Sept.2002，13(9)：924-935.)。这种协议是采用贪婪算法将网络中所有节点连成一条链，并随机选出一个首领节点负责将结果数据传送给基站。它比LEACH协议更节省能量，但其缺陷在于，将所有节点连成一条链本身就是一个NP复杂性问题(多项式复杂程度的非确定性问题)，用贪婪算法并非总能得到很好的结果，如果网络节点数目很大，链路变得很长，数据传输时延将会显著增大。而且，节点要存储网络的全局信息需要较大的存储空间。

针对以上一些问题，也有人提出改进的或新的能效路由协议。例如，在2001年和2002年的国际并行与分布式处理研讨会分别提出了“无线传感网络TEEN协议”(A.Manjeshwar，D.P.Agrawal，TEEN：A routing protocol for enhanced efficiency in wireless sensor networks，Proceedings of the International Parallel and Distributed Processing Symposium(IPDPS’01)，Hyatt Regency，San Francisco，23-27 Apr.2001，pp.2009-2015.)和“无线传感网络APTEEN协议”(A.Manjeshwar，D.P.Agrawal，APTEEN：A hybrid protocol for efficient routing andcomprehensive information retrieval in wireless sensor networks，Proceedings of the InternationalParallel and Distributed Processing Symposium(IPDPS’02)，Marriott Marina，Fort Lauderdale，Florida，15-19 Apr.2002，pp.195-202)，上述两种协议定义了硬、软两个门限来确定是否需要发送数据，只有满足当前数据的属性值大于硬门限和当前数据的属性值与上一次发送的数据的属性值之间的差距大于软门限时才发送数据。

近期于2005-2006年提出的LPT算法(M.Lee，V.W.S.Wong，LPT for data aggregation inwireless sensor networks，IEEE Global Telecommunications Conference，St.Louis，Missouri，28Nov.-2 Dec.2005，Vol.5，pp.2969-2974.)，SpanningTree算法(M.Lee，V.W.S.Wong，Anenergy-aware spanning tree algorithm for data aggregation in wireless sensor networks，IEEEPacific Rim Conf.on Comm.，Computers and Signal Processing(PACRIM)，Victoria，B.C.，Canada，Aug.2005，pp.300-303)和TREEPSI算法(S.S.Satapathy，N.Sarma，TREEPSI：Treebased Energy Efficient Protocol for Sensor Information，IFIP International Conference onWireless and Optical Communication s Networks，Bangalore，India，11-13 April，2006，pp.1-4)多采用基于树结构的路由协议。

以上介绍的每种路由协议及算法都在一定程度上减少了节点能量的消耗，但在算法的复杂性、节点的能耗与时延的均衡上却未能得到很好的解决。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足之处，从路由协议节能和减少时延的角度出发，提供一种无线传感器网络基于代价函数的能效路由协议(Cost-based Energy-EfficientRouting Protocol)的实现方法。

为了达到发明的上述目的，本发明是采用以下技术特征予以实现的：

一种无线传感器网络基于代价函数的能效路由协议的实现方法，以“轮”为单位实现数据传输，在每一轮的传输过程中，存活节点根据路由表中的节点信息，计算比较相应的代价函数值，选取最合适的传输路径实现节点间的数据传输，并选取最合适的首节点负责将结果数据包传送到基站。包括如下步骤：

(1)路由的建立过程，基站以一定半径向节点感应区广播路由建立命令，节点根据所接收到的路由包RPkt设置自己的跳数值Hop，将路由包RPkt中的相关信息存入其相应的路由表中，计算节点之间的代价函数Cost，再以一定的半径向其邻居节点广播路由包RPkt，直到所有节点的跳数值Hop及路由表设置完毕为止；

(2)数据的传输过程，其包含节点间和节点到基站间的数据传输，计算跳数值Hop等于当前最小跳数值Hopmin所有存活节点到基站的代价函数值CostN2BS，将所述代价函数值CostN2BS最大的一个节点作为当前轮首节点leader，其他节点在进行数据传输前，在其路由表H及表STable中查找比较是否有相同的节点信息，然后在相应的路由表中选一个最大代价函数值Cost的节点或直接把基站作为下一跳目的节点进行数据传输，最后首节点leader负责将结果数据包传到基站，完成一轮数据传输；

(3)路由表更新过程，在完成上述步骤(2)之后，存活节点都要以一定的半径向其邻居节点广播反馈信息，以广播其剩余能量与存活情况，邻居节点收到反馈包之后，对其路由表进行相应的更新，返回步骤(2)并如此循环。

上述步骤(1)中，将每一个节点设置一个跳数字段Hop，两个路由表H-和H，一个源节点表STable，所述跳数字段Hop记录节点的跳数值，表H-存储若干个跳数值比自己小的邻居节点信息，表H存储若干个跳数值与自己相同的邻居节点信息，表STable存储所接收数据包的源节点ID编号信息。

上述步骤(2)中，两节点之间的代价函数 $\mathrm{Cost}=\mathrm{\α}\·\frac{d_{\max }}{d_{\mathrm{ij}}}\·P_{\mathrm{Ei}}+\mathrm{\β}\·P_{\mathrm{Ej}}.$ 节点到基站的代价函数 $\mathrm{CostN}2\mathrm{BS}=P_{\mathrm{Ei}}\·\frac{d_{\min 2\mathrm{BS}}}{d_{i2\mathrm{BS}}}.$

在考虑信道质量等因素影响时，为了能使代价函数值在实际应用中有更好的自适应性能，作为上述步骤(2)的优选方案，两节点之间的代价函数 $\mathrm{Cost}2=(\mathrm{\α}\·\frac{d_{\max }}{d_{\mathrm{ij}}}\·P_{\mathrm{Ei}}+\mathrm{\β}\·P_{\mathrm{Ej}})\·Q_{\mathrm{ij}}.$ 节点到基站的代价函数 $\mathrm{CostN}2\mathrm{BS}2=P_{\mathrm{Ei}}\·\frac{d_{\min 2\mathrm{BS}}}{d_{i2\mathrm{BS}}}\·Q_{i2\mathrm{BS}}.$

本发明的存活节点根据自己路由表中所存储的邻居节点信息，计算比较给定的代价函数值，来寻求合适的数据传输路径，并选出一个首节点负责将结果数据包传送到基站，完成整个数据的传输过程。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的无线传感网络能效路由协议的有益效果体现在：

1)路由建立过程只在第一轮中进行，在以后各轮中，节点只需在数据传输之前进行路由表的更新。

2)在考虑到信道质量的情况下，本发明相对于LEACH路由协议，在1％节点死亡前约有1.6倍的提高，可使整个网络的生命期提升100％-200％。相对于PEGASIS路由协议，可获得与之相近的网络生命期，而且时延较小，在整个网络的能耗与时延上得到了较好的均衡。

附图说明

图1是本发明路由建立过程的流程图；

图2是本发明数据传输及路由更新的流程图；

图3为本发明实施例1中固定网络结构图；

图4为本发明实施例1中通信轮数的比较图表；

图5为本发明实施例1中节点信息被传送到基站所需的平均跳数与存活节点数之间的关系图。

具体实施方式

路由技术是无线传感器网络研究中的一项关键技术，合理的路由设计能使节点在数据传输中消耗尽可能少的能量以延长整个网络的生命期，本发明以循环的方式选择首节点，各存活节点把数据传给最合适的邻居节点，最后由首节点把接收的数据进行融合后发送给基站或汇聚节点。

假设每个节点都有一个跳数字段Hop，两个路由表H-和表H，一个源节点表STable。其中，跳数字段Hop记录节点的跳数值，路由表H-存储若干个跳数值比自己小的邻居节点信息，路由表H存储若干个跳数值与自己相同的邻居节点信息，表STable存储所接收数据包的源节点ID编号信息。

在初始状态，节点的跳数字段Hop置空，同时，在每个节点的路由表H-中，都缺省地存有直接指向基站的信息，一旦出现节点路由表中没有邻居节点信息或出现孤立节点的情况，节点可将其信息直接向基站传送。

如图1所示，本发明中路由建立包括以下步骤：

1)路由建立开始时，基站跳数值置为0，并以BS2NRadius为半径向节点区域广播路由建立命令，假设节点i在基站的广播半径内，则其Hop值置为1；

2)然后，节点i再以N2NRadius为半径向其邻居节点广播路由包RPkt，所述路由包RPkt包含有源节点的ID编号、剩余能量等级、坐标值和跳数值等信息；

3)邻居节点j接收路由包RPkt后，设置自己的跳数值Hop，在相应的路由表中存储该路由包RPkt中的信息，并计算两节点的代价函数值Cost；

4)所有节点的跳数值Hop及路由表设置完毕即结束，否则转入步骤5)；

5)继续向邻居节点广播路由包RPkt，返回步骤3)。

如图2所示，在路由建立完成后，就进入了数据传输阶段，包括如下步骤：

1)G是跳数值Hop等于当前最小跳数值Hopmin的所有存活节点的集合，CostN2BS是节点到基站的代价函数值，计算比较集合G中所有节点的代价函数值CostN2BS，选取CostN2BS值最大的一个节点并对外广播成为当前轮的首节点leader；

2)其他节点在进行数据传输前，在其路由表H及表STable中查找比较是否有相同的节点信息，然后再在相应的路由表中选一个最大Cost值的节点或直接把基站作为下一跳目的节点进行数据传输；

3)最大Cost值的节点接受数据包，与自己的感应信息相融合成为一个新的数据包，并在表STable中存储源节点ID编号；

4)判断是否为首节点leader，如是，直接将数据包发送到基站，完成一轮数据传输；如否，转步骤5)；

5)判断路由表H与表STable中是否存在相同节点的编号，如是，仅在表H-中查找Cost值最大的节点作为下一跳目的节点并传送数据；否则返回步骤1)。

判断数据是否完成一轮传输，如否，则返回数据传输步骤3)；如是则进入了数据更新的阶段，包括如下步骤：

1)存活节点i以半径N2NRadius向其邻居节点j广播反馈信息FBKPkt，以告知其剩余能量等级与存活情况；

2)邻居节点j收到FBKPkt之后，判断其路由表中是否存有与源节点相关的信息，并对其路由表进行相应的更新操作；

3)同时，所有存活节点清空表STable和相关的传输标志，准备进入下一轮传输。

在无线传感器网络中，整个网络的寿命与所有节点的能量消耗有关。而节点的能耗，又与所要传输的距离密切相关。因此，在进行代价函数设计时，必须考虑这些因素的影响。

本发明的代价函数必须考虑两个方面：节点间和节点到基站间的数据传输。其中，前者主要用来确定节点应将其数据包传至哪个节点最为合理；而后者则主要用来确定究竟选取哪个节点宣布成为当前轮的首节点。

在理想的情况下，假设节点每次都能成功发送或接收数据包。此时，可采用如下代价函数：

①节点i到邻居节点j之间的代价函数： $\mathrm{Cost}=\mathrm{\α}\·\frac{d_{\max }}{d_{\mathrm{ij}}}\·P_{\mathrm{Ei}}+\mathrm{\β}\·P_{\mathrm{Ej}}---\left(1\right)$

②节点i到BS的代价函数： $\mathrm{CostN}2\mathrm{BS}=P_{\mathrm{Ei}}\·\frac{d_{\min 2\mathrm{BS}}}{d_{i2\mathrm{BS}}}---\left(2\right)$

式中P_Ei和P_Ej分别为节点i和j的剩余能量；α，β均为常数，且α+β＝1(0≤α，β≤1)，其具体值在实验中可取经验值；d_max为按概率计算出的两节点间的最大距离；d_ij为两节点i和j间的实际距离；d_min2BS为基站BS到节点感应区域的最小距离；d_i2BS为节点i到基站BS的实际距离。在式中采用相关的距离比，是为了能使代价函数值在实际应用中有更好的自适应性能。

当考虑信道质量等因素影响时，首先定义信道质量＝成功接收的数据包总量/发送的数据包总量。此时，所采用的代价函数相应地更改为：

③节点i到j之间的代价函数： $\mathrm{Cost}2=(\mathrm{\α}\·\frac{d_{\max }}{d_{\mathrm{ij}}}\·P_{\mathrm{Ei}}+\mathrm{\β}\·P_{\mathrm{Ej}})\·Q_{\mathrm{ij}}---\left(3\right)$

④节点i到基站BS的代价函数： $\mathrm{CostN}2\mathrm{BS}=P_{\mathrm{Ei}}\·\frac{d_{\min 2\mathrm{BS}}}{d_{i2\mathrm{BS}}}\·Q_{i2\mathrm{BS}}---\left(4\right)$

式中，Q_ij为两节点i和j之间的信道质量值；Q_i2BS是节点i到基站BS的信道质量值。其它参数意义同式(1)和式(2)。如果信道质量值为1，相当于理想情况，此时式(3)(4)可退化成式(1)(2)。

下面结合附图对本发明的路由协议的实现方法作进一步的说明：

实施例1  理想信道

本实施例采用Microsoft Visual C++6.0编程，分别对Direct，LEACH，PEGASIS及CEERP协议进行仿真，对各协议的性能进行比较。

为考查各协议在完全相同条件下的性能，本实施例采用如图3所示的固定网络结构，图中100个节点随机分布在50m×50m的平面区域内，基站位于点(25，150)。

所述基站固定在远离传感器区域的位置，能发送或接收任何信息；传感器区域内的所有节点完全相同，均固定在某一位置，且都知道自己的位置信息，都能与区域内的任一节点或基站进行通信；所述节点数据的传输采用CDMA方式和CSMA/CA协议。

在每轮中，所有节点的感应信息都要进行收集，通过相应的数据融合、转发等操作，最终传送至基站，用户可在基站处获取所要的数据。

本实施例中，假设无线传输模型节点的电子元器件能耗为E_elec＝50nJ/bit，功率放大器能耗为ε_amp＝100pJ/bit/m²。假设节点具有功率控制部件，能以最小的能耗将数据包发送至目的接收者，且无线信道耗能具有对称性。假设在无线传输中，信号能量按距离的平方进行衰减，则节点发送或接收k比特信息，传输距离为d米时的能耗计算公式如下：

发送：E_Tx(k，d)＝E_{Tx_elec}(k)+E_{Tx_amp}(k，d)        (1)

      E_Tx(k，cd)＝E_elec·k+ε_amp·k·d²           (2)

接收：E_Rx(k，d)＝E_{Rx_elec}                         (3)

      E_Rx(k，d)＝E_elec·k                         (4)

节点初始化能量分别为0.25J，0.5J和1.0J，所传送的数据包在融合前后的大小均为2000bits，设用于路由、反馈等信息的数据包大小为100bits。

本实施例对不同协议在网络节点数有1％，20％，50％和100％死亡之前，网络系统所能完成的通信轮数的累加值进行统计比较，在信道理想的情况下，得到的实验结果如表1和图4所示。

表1

从表1的数据可看出，采用本发明的路由协议，其性能相对于LEACH协议，在1％节点死亡前，有近1.6倍的提高；在不同比例的节点死亡前，可使整个网络的生命期提升100％-180％。而相对于“性能接近最优”的PEGASIS协议，可获得与之相近的网络生命期，尤其是在节点数有50％死亡时更是如此。

图4为不同协议在不同比例节点死亡时所完成的通信轮数比较，由于在每轮中，各存活节点数据的传输路由是根据代价函数值来进行选取的，这就避免了下一跳目的节点选取的随机性，也使得节点的能耗相对较小。

此外，已知数据传输的时延主要消耗在节点对所接收数据包的处理时延上，故数据包经过的跳数越多，时延必然越长。如果以节点信息到达基站所需的平均跳数来代表时延的话，则本发明的路由协议所需的时延较小。如图5所示，从该图可直观看出，当100个节点都存活时，节点信息被传送到基站，本发明的路由协议所需的平均跳数仅为PEGASIS协议的1/4。

实施例2  非理想信道

信道质量值Q_ij取决于周围环境噪声。从信道质量的定义可知其值介于0和1之间。假设信道质量值服从正态分布，在节点数据传输过程中会发生相应的变化。为简化情况，可采用满足正态分布的随机数来代替信道质量值。由概率论知识可知，在0到1间服从均值为0.5，方差为0.01的正态分布的随机数，满足信道质量定义的要求。假设存在一个信道质量阈值T，若Q_ij≥T，则节点数据包只需发送或接收一次即可成功到达目的节点；否则，就要对数据进行重传操作，相应的节点必将消耗更多的能量。假设如果节点数据第一次传送失败，则只许重传一次。

如果节点每次都能成功发送或接收数据的概率为90％，80％和70％，易得对应的阈值T分别为0.3718，0.4158和0.4476。节点初始化能量为0.5J，其余条件与表1相同，实验结果如表2所示。

表2

从表2数据可看出，在考虑信道质量的情况下，本发明所提出的路由协议，其性能相对于LEACH协议，在1％节点死亡前约有1.6倍的提高；可使整个网络的生命期提升100％～200％。相对于PEGASIS协议，可获得与之相近的网络生命期。

实施结果表明，本发明的路由协议的网络生命期是LEACH协议的100％～200％，接近PEGASIS协议的网络寿命，而且时延小，在整个网络的能耗与时延上得到了较好的均衡。

Claims (9)

1、一种无线传感器网络基于代价函数的能效路由协议的实现方法，以“轮”为单位计算数据传输所需的时间，在每一轮的传输过程中，选取最合适的传输路径实现节点间的数据传输，并选取最合适的首节点负责将结果数据包传送到基站，其特征在于包括如下步骤：

(1)路由的建立步骤，该步骤在第一轮的数据传输之前进行，基站向节点感应区发出带有路由建立命令的路由包，节点接收路由包，再以一定半径向邻居节点广播路由包，直到所有节点均接收到路由包并根据该路由包建立或维护其路由表；

(2)数据的传输步骤，计算存活节点到基站的代价函数值，选取并广播当前轮的首节点，其他节点在数据传输前，选取自己路由表中代价函数值最大的节点，将其作为下一跳的目的节点进行数据传输，然后首节点将数据包传送给基站；

(3)路由表的更新步骤，该步骤从第一轮数据传输完成之后开始，在以后每轮的数据传输之前进行，存活节点向其邻居节点广播反馈信息，邻居节点接收反馈信息并对自己的路由表进行相应的更新，返回步骤(2)并如此循环。

2、根据权利要求1所述的无线传感器网络基于代价函数的能效路由协议的实现方法，其特征在于，所述步骤(1)中，将每一个节点设置一个跳数字段(Hop)，两个路由表(H-)和(H)，一个源节点表(STable)，所述跳数字段(Hop)记录节点的跳数值，表(H-)存储若干个跳数值比自己小的邻居节点信息，表(H)存储若干个跳数值与自己相同的邻居节点信息，表(STable)存储所接收数据包的源节点ID编号信息。

3、根据权利要求2所述的无线传感器网络基于代价函数的能效路由协议的实现方法，其特征在于，所述步骤(1)还包括以下步骤：基站以一定半径向节点感应区广播路由建立命令，节点根据所接收到的路由包(RPkt)设置自己的跳数值(Hop)，将路由包(RPkt)中的相关信息存入其相应的路由表中，计算节点之间的代价函数值(Cost)，再以一定的半径向其邻居节点广播路由包(RPkt)，直到所有节点的跳数值(Hop)及路由表设置完毕为止。

4、根据权利要求1或2所述的无线传感器网络基于代价函数的能效路由协议的实现方法，其特征在于，所述步骤(2)还包括以下步骤：计算跳数值(Hop)等于当前最小跳数值(Hopmin)所有存活节点到基站的代价函数值(CostN2BS)，将所述代价函数值(CostN2BS)最大的一个节点作为当前轮首节点(leader)，其他节点在进行数据传输前查找相同的节点信息，并在相应的路由表中选一个最大代价函数值(Cost)的节点或直接把基站作为下一跳目的节点进行数据传输，最后首节点(leader)负责将结果数据包传到基站，完成一轮数据传输。

5、根据权利要求1所述的无线传感器网络基于代价函数的能效路由协议的实现方法，其特征在于，所述步骤(3)中，存活节点都要以一定的半径向其邻居节点广播反馈信息，以广播其剩余能量与存活情况，邻居节点收到反馈包之后，对其路由表进行相应的更新。

6、根据权利要求4所述的无线传感器网络基于代价函数的能效路由协议的实现方法，其特征在于，

两节点之间的代价函数 $\left(\mathrm{Cost}\right)=\mathrm{\α}\·\frac{d_{\max }}{d_{\mathrm{ij}}}\·P_{\mathrm{Ei}}+\mathrm{\β}\·P_{\mathrm{Ej}}.$

7、根据权利要求4所述的无线传感器网络基于代价函数的能效路由协议的实现方法，其特征在于，

节点到基站的代价函数 $\left(\mathrm{CostN}2\mathrm{BS}\right)=P_{\mathrm{Ei}}\·\frac{d_{\min 2\mathrm{BS}}}{d_{i2\mathrm{BS}}}.$

8、根据权利要求4所述的无线传感器网络基于代价函数的能效路由协议的实现方法，其特征在于，两节点之间的代价函数 $\left(\mathrm{Cost}2\right)=(\mathrm{\α}\·\frac{d_{\max }}{d_{\mathrm{ij}}}\·P_{\mathrm{Ei}}+\mathrm{\β}\·P_{\mathrm{Ej}})\·Q_{\mathrm{ij}}.$

9、根据权利要求1所述的无线传感器网络基于代价函数的能效路由协议的实现方法，其特征在于，节点到基站的代价函数 $\left(\mathrm{CostN}2\mathrm{BS}2\right)=P_{\mathrm{Ei}}\·\frac{d_{\min 2\mathrm{BS}}}{d_{i2\mathrm{BS}}}\·Q_{i2\mathrm{BS}}.$

Images