無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中地理能量感知路由的改進(jìn)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量廉價(jià)的微型傳感器節(jié)點(diǎn)，通過無線通信的方式形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理覆蓋區(qū)域內(nèi)的事件信息，并發(fā)送給觀察者。由于節(jié)點(diǎn)能量有限且補(bǔ)充困難，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的首要設(shè)計(jì)目標(biāo)是能量[6]的高效利用。本文在原有GEAR[1]路由協(xié)議基礎(chǔ)上提出改進(jìn)方法，從而在路由協(xié)議[4]上節(jié)省無線傳感器節(jié)點(diǎn)有限的能量，并提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存周期。

GEAR協(xié)議介紹和改進(jìn)

GEAR[5](Geographical and Energy Aware Routing)路由協(xié)議是根據(jù)事件區(qū)域的地理位置信息，建立匯聚節(jié)點(diǎn)到事件區(qū)域的優(yōu)化路徑，避免了泛洪查詢消息，從而減少了建立路由的開銷。但是傳統(tǒng)的GEAR路由機(jī)制由于缺乏足夠的拓?fù)湫畔�，路由過程中會遇到路由空洞[2]的現(xiàn)象。

本文提出了考慮兩跳節(jié)點(diǎn)信息的路由機(jī)制，大大減少了路由空洞出現(xiàn)的概率，降低了每次成功查詢的平均能耗;根據(jù)無線發(fā)射功率和通信半徑的關(guān)系，由通信距離確定發(fā)射功率[3]，并在路由選擇時(shí)考慮發(fā)射功率，提出了更加節(jié)省能量的GPEAR路由機(jī)制。

GEAHAR路由機(jī)制

過多的路由空洞會消耗很多不必要的能量，降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信效率。為了減少或避免路由空洞，節(jié)點(diǎn)需要知道更多的拓?fù)湫畔ⅲ�這就是GEAHAR(Geographical energy aware and hole avoid routing)機(jī)制提出的依據(jù)�；�本思想是在查詢消息時(shí)，節(jié)點(diǎn)選擇下一跳節(jié)點(diǎn)不僅僅考慮鄰居一跳節(jié)點(diǎn)的代價(jià)值最小，而是考慮兩跳的信息。

鄰居節(jié)點(diǎn)是指節(jié)點(diǎn)一跳通信范圍內(nèi)可以到達(dá)的所有節(jié)點(diǎn)的集合。如(1)式定義，dmax為節(jié)點(diǎn)最大通信距離，為所有節(jié)點(diǎn)的集合。

NbNi={Nj|d(Nj,Ni)}

≤dmax,Nj∈N}(1)

節(jié)點(diǎn)Ni選擇下一跳Nnext(i)的依據(jù)如(2)式。Nbi為節(jié)點(diǎn)Ni的鄰居節(jié)點(diǎn)集合，NbNbi(j)為節(jié)點(diǎn)Ni的鄰居節(jié)點(diǎn)Nbi(j)的鄰居節(jié)點(diǎn)集合。β為比例系數(shù)，取值范圍為0~1。β取值為1，算法退化為一跳的GEAR路由機(jī)制。式中需要注意的是NbNbi(j)(k)≠Ni，即第二跳節(jié)點(diǎn)不能選擇當(dāng)前節(jié)點(diǎn)，否則將出現(xiàn)返回路由的現(xiàn)象，這將大量消耗不必要的能量。

Nnext(i)=min(βc(Nbi(j),T)+(1-β)min(c(NBNbj(j)(k),T)))Nbi(j)∈Nbi,NbNbi(j)(K)∈NbNbi(j),NbNb(j)(k)≠Ni(2)

GPEAR路由機(jī)制

在接收靈敏度一定的情況下，無線發(fā)射功率P和接收半徑R之間關(guān)系是P正比于R2~R5，也就是P可能會遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于R2。如果在節(jié)點(diǎn)間通信時(shí)考慮通信的距離，適當(dāng)調(diào)整發(fā)射功率，而不是使用相同的發(fā)射功率(這樣的話只能以最大通信距離來發(fā)射)，則可以大大降低通信的能耗，延長整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的壽命，降低每個(gè)數(shù)據(jù)包的通信代價(jià)。

GPEAR(Geographical and physical energy aware routing)路由機(jī)制是在傳統(tǒng)GEAR路由機(jī)制作下一跳路由選擇時(shí)，考慮物理層發(fā)射功率與通信半徑的關(guān)系，從而做出更加適合的選擇。

假設(shè)無線通信部分能量消耗與通信距離的四次方成正比，并將發(fā)射功率分為5檔，見表1。

表1 發(fā)射功率與通信半徑的關(guān)系　　

GPEAR路由機(jī)制則是選擇鄰居節(jié)點(diǎn)中代價(jià)值和發(fā)送一跳的通信代價(jià)的聯(lián)合最小的節(jié)點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn)，如式(3)所示：

Nnext(Ni)={Nj|min(h(Ni,Nj,T)=rc(Nj,T)+(1-r)Esend(Ni,Nj)),Nj∈NbNi} (3)

式中，Nnext(Ni)為節(jié)點(diǎn)Ni選擇的下一跳節(jié)點(diǎn);h(Ni,Nj,T)為節(jié)點(diǎn)Ni經(jīng)由Nj到事件區(qū)域T的新代價(jià)值;Esend(Ni,Nj)為節(jié)點(diǎn)Ni到節(jié)點(diǎn)Nj的通信代價(jià)，如表1中的歸一化數(shù)值;NbNi為節(jié)點(diǎn)Ni的鄰居節(jié)點(diǎn)集合;r為比例系數(shù)，取值范圍為0~1。

仿真環(huán)境

仿真條件假設(shè)

(1)查詢信息中包含了目標(biāo)區(qū)域(即事件區(qū)域)的位置，此處假設(shè)用目標(biāo)區(qū)域的中心位置作為目標(biāo)區(qū)域的位置;

(2)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都知道自己的位置信息和剩余能量，并且可以通過一個(gè)簡單的Hello機(jī)制獲取鄰居節(jié)點(diǎn)的位置信息和剩余能量。節(jié)點(diǎn)的位置信息可以使用低成本的GPS定位機(jī)制或者其他現(xiàn)成的定位機(jī)制獲得;

(3)節(jié)點(diǎn)間的鏈接是雙向的，即如果節(jié)點(diǎn)可以獲得鄰居節(jié)點(diǎn)的訪問，則節(jié)點(diǎn)也可以訪問鄰居節(jié)點(diǎn)，這對于一般的MAC協(xié)議，如IEEE 802.11，都是容易實(shí)現(xiàn)的;

(4)節(jié)點(diǎn)每消耗總能量的10%時(shí)，通知鄰居節(jié)點(diǎn)自己的剩余能量信息，用于更新鄰居節(jié)點(diǎn)中的鄰居節(jié)點(diǎn)列表信息;當(dāng)節(jié)點(diǎn)剩余能量小于一個(gè)閾值時(shí)，將通知自己的鄰居節(jié)點(diǎn)，將自己從鄰居節(jié)點(diǎn)列表中刪除，表示該節(jié)點(diǎn)已經(jīng)死亡。

仿真參數(shù)

在100m*100m的區(qū)域內(nèi)，隨機(jī)分布200個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)初始能量為1000J，節(jié)點(diǎn)死亡能量閾值為5J，最大通信距離為25m，最大通信距離通信時(shí)，每次消耗1J能量。對于GPEAR算法，通信能耗與通信距離的關(guān)系由表1給出。仿真環(huán)境假設(shè)會聚節(jié)點(diǎn)(Sink)在整個(gè)區(qū)域的中心(50，50)處，四個(gè)事件區(qū)域在整個(gè)區(qū)域的四個(gè)角上(0，0)、(0，100)、(100，0)和(100，100)，每個(gè)事件區(qū)域做100次查詢后，輪流轉(zhuǎn)換。

3 測試標(biāo)準(zhǔn)

(1)查詢成功次數(shù)：只有成功的查詢對用戶才是有用的，所以網(wǎng)絡(luò)能夠進(jìn)行的成功查詢次數(shù)可以體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的生存周期和傳輸可靠性。

(2)每次成功查詢平均消耗的能量：該標(biāo)準(zhǔn)體現(xiàn)了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能量的利用效率。

每次查詢的平均消耗能量為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)消耗能量除以成功查詢的次數(shù)，如式(4)所示。

仿真結(jié)果

圖1 衰減指數(shù)對算法性能的影響

圖1的結(jié)果表明，隨著衰減指數(shù)(衰減指數(shù)為2表示發(fā)射能量和通信半徑的二次方成正比，依次類推)的增長， GPEAR算法的性能則改善非常明顯。

圖2最大允許跳數(shù)對算法性能的影響