无线传感器网络节能路由算法研究

摘 要： 通过对多种类型的无线传感器网络协议的研究，提出一种基于节点最佳路径移动的无线传感器网络节能路由算法(EEBM)。它通过寻找瓶颈节点、冗余点以及选择最佳节点移动路径的方法，提高“瓶颈节点”的寿命，从而延长了整个网络的生命周期。仿真结果表明，EEBM算法比其他节点移动算法有较大的改进。关键词： 无线传感器网络；节能路由； 瓶颈节点

无线传感器网络WSN(Wireless Sensor Network)作为新兴的网络测控技术，是能够自主实现数据采集、融合和传输的智能网络系统，在军事、交通、数字医疗等领域得到了广泛应用，因而引起了业界的广泛关注。但是由于WSN节点受到体积和成本等方面的限制，一般采用携带的电池，能量补充困难而且能量相对较少，这是目前WSN应用的主要问题。因此，如何降低能耗，提高整个网络的生命周期是WSN的研究热点，也是亟待解决的问题。 目前，国内外大量学者针对如何降低和平衡节点能耗问题进行了研究，本文针对WSN路由节能问题进行研究。在WSN中，由于节点特殊原因或节点能量受限等因素影响，个别节点失效或不能工作状况时有发生。当出现节点失效等情况后，需要有新的节点及时移动到失效节点的位置，取代失效节点继续工作。在这个取代的过程中，节点移动有许多要解决的难题。首先，节点移动有严格的时间要求。当旧节点剩余能量低于阈值时，新节点必须在规定的时间内移动到旧节点位置，并且越快越好，从而保证在旧节点失效之前，新节点能够接替其工作。这样才不会影响WSN正常运行，也不会出现盲区或某一时间无法监测的区域。其次，节点移动不能影响网络的正常工作，因为在节点移动的过程中，节点要与周围节点交换信息，甚至可能影响节点的中继路由或簇的形成。第三，由于传感器节点的能量有限，节点移动的消耗能量应尽可能少，节约传感器节点能源，从而延长整个传感器网络的有效工作时间。针对这些问题，本文在总结和应用其他学者研究成果的基础上，提出了一种基于节点最佳路径移动的无线传感器网络节能路由算法EEBM(Energy-Efficient routing algorithm based on the Best node Movement route)。1 相关研究1.1 分层型路由协议 分层型路由协议中，能量较高节点可用于处理和传递信息，而能量较低的节点则只能用于对目标进行近似测量。典型的分层型路由协议主要包括： (1)低能耗自适应分簇LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)算法，它是一种自适应型分簇拓扑算法，通过让各节点等概率的担任簇头达到相对均衡网络中各节点所消耗的能量的目的。LEACH是一种以最小化传感器网络能量损耗为目标的分层式协议，它集成了传感器网络的基本路由协议和拓扑控制算法。在LEACH算法中整个网络的通信由一轮一轮的周期性动作组成，每一轮包括簇的建立阶段和数据通信阶段，其中簇的建立阶段完成簇的组织，数据传输阶段将数据传送到簇首，再由簇首发送到基站(BS)。 (2)传感器信息系统的节能型采集方法PEGAS-IS[1]，它是一种临近最优链式协议，其基本思想是：借鉴LEACH的动态簇头选举思想[2]，建立一条包含所有节点的最短路径(称为“链”)，并最终在每轮中只选出一个簇头负责与网关节点通信。由于最短路径链上的节点都能以最小发射功率向邻居节点发送数据，相比于LEACH，PEGAS-IS使网络的生存时间得到显著延长。但是，由于目前还没有寻找包含所有节点的最短路径的有效方法，PEGAS-IS不适合在大规模网络上使用。1.2 平面型路由协议 在平面型路由中，所有节点的地位平等，典型协议主要有： (1)序列分配路由SAR[3]，其基本原理是：选择路由时，综合考虑能量资源、各路径的服务质量(QoS)和各信息包的优先权3个要素，根据最终的权值来决定当前的路由。若由于节点故障拓扑逻辑产生变化，则需要重新计算路由。其中，基站负责计算拓扑逻辑变化的总量，并周期性触发路径重新计算。同时，还采用邻近节点间基于局部路径重建的交换方式恢复路径。 (2)最小开销前向传递算法MCFA[4]，其基本原理是：利用路由传递方向的己知信息(例如向外部固定基站传递数据)对数据进行路由。无线传感器节点前向

传递的每条信息都被发送到相邻节点中。当节点接收到该信息时，检查自己是否处于源节点与基站间最小花费路径上。如果是，则再将信息传递给相邻节点。不断重复该过程，直至该信息被传递到基站中。在MCFA中，各节点需要了解从本节点到基站间的预计最小花费路径，节点无需包含特有ID或维护路由表。另外，各节点也不断修正自己到基站的最低花费值。1.3 适应型路由 信息协商传感器协议(SPIN)[5]是适应型路由的典型协议，可通过控制特定的系统参数以适应网络当前条件和可用的能量水平。 通过对典型节能路由模型的研究可以看出，针对WSN能耗的研究主要集中在路由和网络的建立、节点分簇、簇头选取、轮询策略等方面，而通过策略选取节点，将其移动到指定区域来取代失效节点，完成类似移动Internet或3G/4G的移动服务等方面的研究还相对较少。2 基于节点最佳路径移动的WSN节能路由算法EEBM2.1 基本思想 EEBM主要研究当“瓶颈节点”即将发生失效等情况时，如何在满足节约节点移动消耗能量等多条件约束情况下，找到最佳的移动节点(优先考虑移动独立冗余节点)和移动路径，从而保证网络的正常工作，延长网络的有效工作时间的方法。 算法的主要思想如下： (1)网络中独立冗余节点的选取策略。所谓独立冗余节点，即若关闭该节点，不会影响网络的覆盖率。以下通过Voronni划分与Delaunay三角剖分来确定网络中的独立冗余节点[6]。 (2)网络中“瓶颈节点”的选取。所谓“瓶颈节点”，即在一个随机部署的WSN中，那些由于它们的失效而造成整个网络被割裂成两个或多个不相连的区域，并且由于收集数据的基站和检测目标不在同一个区域内，造成整个网络生命期结束的最少数目的节点。直观地说，如果瓶颈节点消亡，则整个WSN的生命就结束。