韓義波，呂星宇，楊新鋒

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗均衡研究

韓義波，呂星宇，楊新鋒

針對基于事件監(jiān)測應(yīng)用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過引入模糊綜合評判思想提出了一種基于事件區(qū)域的模糊綜合評判選路模型，并基于此模型設(shè)計(jì)了一種能量優(yōu)化路由算法（EORA Energy-optimization Routing Algorithm），EORA包括基于事件區(qū)域的數(shù)據(jù)融合樹子算法和基于模糊綜合評判的路由選擇子算法。分析和仿真結(jié)果表明，這種基于事件區(qū)域的模糊綜合評判路由能夠均衡網(wǎng)絡(luò)能耗，延長網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)能量的優(yōu)化使用。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；節(jié)能組網(wǎng)；模糊綜合評判；能量均衡

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量廉價(jià)的具有通信、計(jì)算能力的微小傳感器節(jié)點(diǎn)，通過無線方式連接形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[1-3]，綜合了現(xiàn)代傳感技術(shù)、微電子技術(shù)、通信技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)和分布式信息處理技術(shù)等多個(gè)學(xué)科，是一個(gè)新興的交叉研究領(lǐng)域。

以數(shù)據(jù)為中心是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)別于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)最為顯著的特征。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)以地址為中心，數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收和路由都依賴網(wǎng)絡(luò)地址進(jìn)行處理。而在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，往往不適合采用全局惟一的網(wǎng)絡(luò)地址標(biāo)識符，網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收和路由則主要根據(jù)語義來進(jìn)行處理[4]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常是任務(wù)型網(wǎng)絡(luò)，脫離無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來討論傳感器節(jié)點(diǎn)并沒有意義。在大多數(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，用戶通常更關(guān)心的是數(shù)據(jù)，并不關(guān)心這些數(shù)據(jù)是由哪個(gè)節(jié)點(diǎn)采集得到的。另外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還具有大規(guī)模、自組織、高動態(tài)、資源有限、可靠網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用相關(guān)等主要特征[5-7]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常集成了無線通信、監(jiān)測和控制的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它具有節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大且分布密集；由于節(jié)點(diǎn)能量消耗和受環(huán)境的影響，節(jié)點(diǎn)容易出現(xiàn)故障；周圍環(huán)境干擾和節(jié)點(diǎn)故障易造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化；同時(shí)節(jié)點(diǎn)能量有限，存儲能力、計(jì)算能力、通信能力等都受限。因而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的首要設(shè)計(jì)目的是保證網(wǎng)絡(luò)的能量被高效利用，延長網(wǎng)絡(luò)的生命期。

1 基于事件區(qū)域的模糊綜合評判選路模型

當(dāng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中沒有監(jiān)測事件發(fā)生時(shí)節(jié)點(diǎn)只周期性產(chǎn)生少量數(shù)據(jù)，而當(dāng)監(jiān)測事件出現(xiàn)時(shí)，一般都以區(qū)域形式出現(xiàn)（例如某時(shí)段下雨導(dǎo)致某一區(qū)域內(nèi)濕度增大，火災(zāi)導(dǎo)致某一區(qū)域內(nèi)溫度升高），因此，產(chǎn)生的這些數(shù)據(jù)在時(shí)間和空間上都具有較大相似性。在現(xiàn)有平面路由協(xié)議中往往沒有考慮這種傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的事件區(qū)域特性，不同源節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)間的傳輸路徑是獨(dú)立選定，隨機(jī)相交的，因此數(shù)據(jù)融合也是隨機(jī)進(jìn)行的。以比較典型的定向擴(kuò)散（DD，Directed Diffusion）為例，運(yùn)行DD的傳感器節(jié)點(diǎn)使用基于屬性的命名機(jī)制來描述數(shù)據(jù)，Sink節(jié)點(diǎn)通過發(fā)送興趣來完成數(shù)據(jù)收集，在興趣傳播的過程中建立起指向信息源的梯度矢量，并利用加強(qiáng)算法建立一條到達(dá)Sink節(jié)點(diǎn)的最佳路徑。在DD中，Sink分別加強(qiáng)每一個(gè)向它發(fā)送數(shù)據(jù)的源節(jié)點(diǎn)，這樣它分別與每個(gè)源節(jié)點(diǎn)之間建立一條最小延時(shí)的路徑，這些路徑選擇是相互獨(dú)立的。在這種情形下數(shù)據(jù)傳輸路徑的建立都只考慮到單個(gè)源節(jié)點(diǎn)，沒有考慮到整個(gè)事件區(qū)域。這樣位于同一事件區(qū)域內(nèi)的不同源節(jié)點(diǎn)將會沿著多條相互獨(dú)立的路徑傳輸數(shù)據(jù)，這些路徑是隨機(jī)相交的。由于數(shù)據(jù)融合發(fā)生在路徑的交點(diǎn)上，因此數(shù)據(jù)融合是隨機(jī)進(jìn)行的。

針對這種事件區(qū)域性特征，提出了基于事件區(qū)域的模糊綜合評判路由選擇模型。該模型首先在一個(gè)事件區(qū)域邊緣根據(jù)一定條件選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為該事件區(qū)域內(nèi)的根節(jié)點(diǎn)，其它源節(jié)點(diǎn)以這個(gè)節(jié)點(diǎn)為根，在事件區(qū)域內(nèi)建立一個(gè)樹形結(jié)構(gòu)，區(qū)域內(nèi)所有源節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)沿著這棵樹傳送到根節(jié)點(diǎn)，并且由根節(jié)點(diǎn)對數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。

2 能量優(yōu)化路由算法

EORA算法包括兩個(gè)部分：第一部分是針對事件區(qū)域的數(shù)據(jù)融合樹算法。該子算法通過興趣信息的擴(kuò)散，在事件區(qū)域內(nèi)選取根節(jié)點(diǎn)并建立數(shù)據(jù)融合樹，對區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和融合，減少最終傳給Sink節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)量。EORA另外一部分是基于模糊綜合評判的路由選擇算法用于傳輸事件區(qū)域內(nèi)根節(jié)點(diǎn)發(fā)往Sink節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，該子算法中Sink節(jié)點(diǎn)根據(jù)需求確定路由請求的擴(kuò)散方向，通過反向查詢方式構(gòu)建多條路徑，Sink節(jié)點(diǎn)采用多參數(shù)模糊綜合評判進(jìn)行路由選擇。

2.1 基于事件區(qū)域的數(shù)據(jù)融合樹算法

基于事件區(qū)域的融合樹構(gòu)建算法采用基于興趣包擴(kuò)散進(jìn)行數(shù)據(jù)收集的機(jī)制以及基于屬性的命名方式，算法中定義了兩種類型的興趣包：

定義1 全局興趣包：由Sink節(jié)點(diǎn)發(fā)出的興趣包，包含要查詢的信息類型、范圍、數(shù)據(jù)速率、興趣持續(xù)時(shí)間。全局興趣包可以在全網(wǎng)擴(kuò)散進(jìn)行數(shù)據(jù)的查找。

定義2 區(qū)域興趣包：由具有與全局興趣包匹配數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的一種興趣包，該興趣包是由節(jié)點(diǎn)在全局興趣包的基礎(chǔ)上增加兩個(gè)字段（RootID、Energy）和（Hop，Penergy），分別用來標(biāo)識根節(jié)點(diǎn)的ID號、其剩余能量以及興趣包的擴(kuò)散跳數(shù)和上一跳節(jié)點(diǎn)的剩余能量。

如果節(jié)點(diǎn)上沒有與全局興趣包相匹配數(shù)據(jù)，則不轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域興趣包，因此，區(qū)域興趣包的擴(kuò)散范圍被限制在特定事件區(qū)域內(nèi)。事件區(qū)域內(nèi)根節(jié)點(diǎn)選擇的原則是選擇事件區(qū)域邊緣具有能量較大的節(jié)點(diǎn)作為根節(jié)點(diǎn)，根節(jié)點(diǎn)通過擴(kuò)散區(qū)域興趣包建立該事件區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)融合樹。在事件區(qū)域內(nèi)的源節(jié)點(diǎn)第一次收到針對自身數(shù)據(jù)的全局興趣包查詢后，將本身ID信息加入該興趣包，并將興趣包類型轉(zhuǎn)換為區(qū)域興趣包繼續(xù)進(jìn)行擴(kuò)散，節(jié)點(diǎn)丟棄重復(fù)收到的全局興趣包。當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到區(qū)域興趣包后，檢查自身是否是符合該興趣要求的源節(jié)點(diǎn)，即自己是否在該事件區(qū)域內(nèi)，如果節(jié)點(diǎn)不在該事件區(qū)域，則丟棄該區(qū)域興趣包。當(dāng)節(jié)點(diǎn)滿足興趣要求，檢查自身保存的根節(jié)點(diǎn)信息，如果有能量更高的根節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)，節(jié)點(diǎn)將興趣包內(nèi)的根節(jié)點(diǎn)信息更新自身保存的根節(jié)點(diǎn)信息，并轉(zhuǎn)發(fā)該區(qū)域興趣包；反之，如果收到區(qū)域興趣包內(nèi)的根節(jié)點(diǎn)能量不夠高、不夠“優(yōu)秀”，則丟棄該區(qū)域興趣包，阻止該區(qū)域興趣包的繼續(xù)擴(kuò)散。通過以上興趣擴(kuò)散過程，事件區(qū)域邊緣一個(gè)能量較高的節(jié)點(diǎn)被設(shè)置為該事件區(qū)域的根節(jié)點(diǎn)，根節(jié)點(diǎn)選定后，負(fù)責(zé)事件區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)收集任務(wù)，并建立與Sink節(jié)點(diǎn)的傳輸路徑。

2.2 基于模糊綜合評判的路由選擇算法

在Sink節(jié)點(diǎn)與事件區(qū)域之間使用基于模糊綜合評判的路由選擇算法，該算法主要由3部分組成：網(wǎng)絡(luò)初始化、路由發(fā)現(xiàn)以及路由維護(hù)。

（1）網(wǎng)絡(luò)初始化

在自由空間中電波傳輸損耗只與工作頻率f和傳播距離d有關(guān)，如式：

式中Los是傳播損耗，單位為dB；d是距離，單位是km；f是工作頻率，單位是MHz。

根據(jù)以上損耗模型，在頻率固定下節(jié)點(diǎn)的廣播信息隨著擴(kuò)散距離增加，信號強(qiáng)度逐漸減弱。同時(shí)考慮傳感器網(wǎng)絡(luò)中Sink節(jié)點(diǎn)通常具有以下特點(diǎn)：Sink基本靜止；Sink節(jié)點(diǎn)具有較大發(fā)射功率，通信范圍能夠覆蓋全網(wǎng)；Sink電池可更換，不受能量限制；Sink節(jié)點(diǎn)相對于普通節(jié)點(diǎn)具有較高計(jì)算能力。利用Sink節(jié)點(diǎn)的這些特點(diǎn)，算法在網(wǎng)絡(luò)初始化階段由Sink節(jié)點(diǎn)以最大功率廣播一個(gè)初始化信息，向網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)通告自己的狀態(tài)信息。節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)包并計(jì)算其平均RSSI強(qiáng)度，計(jì)算出信號的傳播損耗，估算出節(jié)點(diǎn)與Sink節(jié)點(diǎn)的大致相對距離。網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)可以通過比較鄰居節(jié)點(diǎn)到Sink節(jié)點(diǎn)的距離即可判斷得出Sink節(jié)點(diǎn)的大致方向，從而控制路由發(fā)現(xiàn)過程中探測包的擴(kuò)散方向。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)靜止，因此通告只在初始化過程中廣播一次即可?？紤]到自由空間傳輸模型的特殊性，因此在算法實(shí)際應(yīng)用過程中，需要結(jié)合實(shí)際應(yīng)用環(huán)境信號傳輸模型對初始化過程進(jìn)行調(diào)整。

（2）路由發(fā)現(xiàn)

網(wǎng)絡(luò)初始化后，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)s有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，啟動路由發(fā)現(xiàn)過程。EORA算法為了充分利用Sink節(jié)點(diǎn)的能量優(yōu)勢，采用反向能量查詢，由源節(jié)點(diǎn)s發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)過程，向Sink節(jié)點(diǎn)發(fā)出路由探測信息RPRO（Route Probe）以建立多條可用路徑。Sink依據(jù)在模糊綜合評判路由選擇模型中描述的流程從多條路徑中選擇一條發(fā)出路由加強(qiáng)報(bào)文RREI（Route Reinforcement），通知源節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂健?/p>

（3）路由維護(hù)

由于傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜，導(dǎo)致路由斷路時(shí)常發(fā)生，在EORA中為了減少路由重構(gòu)所帶來的開銷，設(shè)定了3個(gè)級別進(jìn)行路由維護(hù)：

1）本地維護(hù)

鏈路在傳輸過程中出現(xiàn)斷裂，如果某節(jié)點(diǎn)確認(rèn)下一跳節(jié)點(diǎn)失效，則發(fā)出帶跳數(shù)限制的RPRO在局部重新尋找一個(gè)過渡節(jié)點(diǎn)，替代失效節(jié)點(diǎn)。

2）Sink維護(hù)

當(dāng)Sink節(jié)點(diǎn)在固定時(shí)間內(nèi)仍然沒有收到源節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)，則認(rèn)為該條路徑失效并局部修復(fù)失敗，此時(shí)Sink節(jié)點(diǎn)在備用路徑中選擇較優(yōu)的路徑發(fā)出加強(qiáng)報(bào)文。如果Sink節(jié)點(diǎn)只存儲到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的唯一一條路徑，則直接向該節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息告知重新發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)過程。

3）源節(jié)點(diǎn)維護(hù)

當(dāng)源節(jié)點(diǎn)保存的路由信息生存時(shí)間超時(shí)或者收到Sink發(fā)出的重新尋路通知，源節(jié)點(diǎn)重新發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)過程，尋找新的路由。

3 仿真測試

使用能量仿真平臺PowerTOSSIM模擬目前傳感器網(wǎng)絡(luò)中廣泛采用的Mica2+Tinyos傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對所設(shè)計(jì)算法進(jìn)行仿真分析。實(shí)驗(yàn)中采用TTinyViz與PowerTOSSIM相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)對算法的性能分析。出于算法的需要，仿真中采用如下方法使節(jié)點(diǎn)獲得Sink節(jié)點(diǎn)信號強(qiáng)度：首先利用Tinyviz中l(wèi)ayout選項(xiàng)保存網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為mps文件，然后使用awk腳本程序根據(jù)mps文件中節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)信息計(jì)算出到Sink節(jié)點(diǎn)距離，再根據(jù)信號衰減模型轉(zhuǎn)換為信號強(qiáng)度值。在網(wǎng)絡(luò)初始化過程中讀取文件中的數(shù)據(jù)，設(shè)置節(jié)點(diǎn)保存的Sink節(jié)點(diǎn)的信號強(qiáng)度值。

實(shí)驗(yàn)將提出的能量優(yōu)化路由算法EORA與經(jīng)典的定向擴(kuò)散路由DD進(jìn)行能耗均衡能力上的比較分析。通過計(jì)算截至第一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡前網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)剩余能量的標(biāo)準(zhǔn)差來衡量網(wǎng)絡(luò)的能耗均衡性。分別為能量優(yōu)化路由EORA和定向擴(kuò)散路由DD如圖1所示：

圖1 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)剩余能量均衡性

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)剩余能量標(biāo)準(zhǔn)偏差平均降低了約30%，可見采用能量優(yōu)化的EORA算法的能耗均衡性明顯優(yōu)于后者。仿真50s時(shí)EORA算法與DD算法路由總能耗的對比如圖2所示：

圖2 網(wǎng)絡(luò)總能量消耗

隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大，EORA算法的能耗增幅小于DD。

4 總結(jié)

本文主要針對基于事件監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)區(qū)域性特征，通過引入模糊綜合評判思想，提出了一種基于事件區(qū)域的模糊綜合評判選路模型，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量優(yōu)化路由算法EORA。首先，針對事件區(qū)域性特征設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)融合樹算法，通過興趣信息的擴(kuò)散在事件區(qū)域內(nèi)選取根節(jié)點(diǎn)，建立數(shù)據(jù)融合樹進(jìn)行事件區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)收集。這種方式減少網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，降低中間轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的能耗。事件區(qū)域內(nèi)根節(jié)點(diǎn)使用基于模糊綜合評判的路由選擇算法建立自身到Sink節(jié)點(diǎn)的傳輸路徑，該算法中Sink節(jié)點(diǎn)根據(jù)需求確定路由請求的擴(kuò)散方向，通過反向查詢方式構(gòu)建多條路徑，采用多參數(shù)模糊綜合評判進(jìn)行路由選擇。最后，分析和仿真結(jié)果表明采用基于事件區(qū)域的模糊綜合評判選路模型的能量優(yōu)化路由算法EORA能夠均衡網(wǎng)絡(luò)能耗，延長網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)能量的優(yōu)化使用。同時(shí)EORA具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性，可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要動態(tài)改變路由選擇參數(shù)，實(shí)現(xiàn)路由策略的可控性。

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TP301

A

2015.04.05）

1007-757X(2015)07-0012-02

河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目（112102210500）

韓義波（1977-），男，南陽理工學(xué)院，計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，講師，博士研究生，研究方向：地圖制圖與地理信息、并行計(jì)算以及數(shù)據(jù)庫研究與應(yīng)用，南陽，473004

呂星宇（1984-），男，南陽理工學(xué)院，助教，研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，南陽，473004

楊新鋒（1979-），男，南陽理工學(xué)院，計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，副教授，碩士，研究方向：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、圖像處理，南陽，473004