孫海霞，胡 永，張 環(huán)

(西藏民族大學 信息工程學院, 西藏光信息處理與可視化技術重點實驗室, 陜西 咸陽 712082)

基于傳輸距離和Sink移動的擴延網(wǎng)絡壽命算法

孫海霞，胡 永，張 環(huán)

(西藏民族大學 信息工程學院, 西藏光信息處理與可視化技術重點實驗室, 陜西 咸陽 712082)

在無線傳感網(wǎng)絡WSN(Wireless Sensor Network)中，傳感節(jié)點通常以多跳方式向信宿Sink傳輸感測數(shù)據(jù)。由于鄰近信宿Sink的傳感節(jié)點需要承擔數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的任務，比其他節(jié)點消耗更多的能量，縮短了網(wǎng)絡壽命。為此，提出一種擴延網(wǎng)絡壽命的新算法，記為NLTA(Network LifeTime Augmentation)。NLTA算法采用了節(jié)點傳輸距離自適應調(diào)整和信宿Sink移動兩個策略。節(jié)點依據(jù)能量情況，調(diào)整傳輸距離，減少能量消耗，然后根據(jù)路徑容量值，調(diào)整Sink的位置，平衡網(wǎng)內(nèi)的節(jié)點能量消耗，避免信宿Sink的周圍節(jié)點能量過度消耗。仿真結(jié)果表明，提出的NLTA方案能夠有效地提高網(wǎng)絡壽命。

無線傳感網(wǎng)絡；信宿；能量；網(wǎng)絡壽命；傳輸距離

1 WSN及Sink簡介

為了實時探測目標區(qū)域的異常情況或周期地收集環(huán)境數(shù)據(jù)，通常在目標區(qū)域部署大量的具有感測數(shù)據(jù)、通信能力、微型傳感節(jié)點[1-3]。由這些節(jié)點組成的網(wǎng)絡稱為無線傳感網(wǎng)絡WSN(Wireless Sensor Network)。一旦感測到外界環(huán)境數(shù)據(jù)，就將數(shù)據(jù)傳輸至信宿(Sink)。目前，WSN廣泛應用于健康醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、森林火災預警[4]。

由于WSN內(nèi)的節(jié)點屬微型節(jié)點，能量供應受限，并且由于WSN應用于野外環(huán)境，即使節(jié)點能量耗盡，也不便于替換。因此，節(jié)點能量利用率問題成為WSN研究熱點。一旦節(jié)點能量耗盡，就無法工作，可能會形成覆蓋盲區(qū)，降低了對環(huán)境的監(jiān)測能力，縮短了網(wǎng)絡壽命[5-8]。

目前，調(diào)整信宿Sink位置，即信宿Sink進行移動成為延長網(wǎng)絡壽命的有效方案，如圖1所示，由于位于信宿Sink鄰近節(jié)點(節(jié)點a)需要頻繁轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，增加了這些節(jié)點的任務，加快了這些節(jié)點的能量消耗。而遠離信宿Sink的節(jié)點只需要感測自己覆蓋區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)[9]，相應地，它們的能量消耗較慢。因此，為了平衡能量消耗，對信宿Sink位置進行調(diào)整，避免鄰近信宿Sink的節(jié)點能量過早殆盡的情況，最終提高網(wǎng)絡壽命。

文獻[10]提出了JMR(Joint Sink Mobility and Routing Strategy)算法。 JMR引用了外圍圓形軌跡，然而該軌跡屬于預設的，且具有固定、單一性。文獻[11]提出基于多條六邊形軌跡移動方案，Sink節(jié)點沿著預定的六邊形移動。當Sink節(jié)點經(jīng)過某傳感節(jié)點時，傳感節(jié)點將數(shù)據(jù)傳遞至Sink節(jié)點。這些預定移動軌跡方案[12-13]，實施簡單，然而，這些方案沒有考慮傳感節(jié)點的電量情況，而僅是依據(jù)預設的路徑移動，沒能最大化地提高網(wǎng)絡壽命。

文獻[14]考慮了自適應Sink節(jié)點移動算法ASM(Adaptive Sink Mobility)。首先利用傳感節(jié)點的電量情況計算移動的目的地，一旦確定目的地，Sink節(jié)點就反復地沿著中間轉(zhuǎn)接節(jié)點進行移動，移動距離小于Sink節(jié)點的傳輸范圍。如圖2所示[14]，Sink節(jié)點選定目的地后，就沿著P6→P5→P4→P3→P2移動。

圖2 Sink節(jié)點自適應移動方案

注意到上述的Sink節(jié)點移動機制通?？紤]附近傳感節(jié)點的電量，然后向電量較大的區(qū)域移動。然而，這些方案僅單獨考慮Sink節(jié)點移動方案，并沒有與路由協(xié)議相結(jié)合。實際上，路由協(xié)議對網(wǎng)絡壽命有很大的影響。為此，本文提出了網(wǎng)絡壽命的新算法，記為NLTA算法。首先，傳感節(jié)點依據(jù)節(jié)點能量調(diào)整自己的傳輸距離，然后依據(jù)路徑容量值設置Sink移動條件，若滿足條件，則觸發(fā)移動。仿真結(jié)果表明，提出的NLTA算法能夠有效地提高網(wǎng)絡壽命。

2 能量消耗模型

NLTA算法采用圖3所示的能量消耗模型[15-16]。發(fā)送節(jié)點的能量主要消耗于發(fā)射器元件、功率放大器，而接收節(jié)點能量消耗于發(fā)射器元件。

圖3 無線電能量消耗模型

假定相距為d的兩節(jié)點傳輸k(單位：bit)長度消息所需的總能量為

(1)

相應地，從距離為d的鄰居傳感節(jié)點接收k長度消息所需的總能量為

(2)

式中：Eelec表示驅(qū)動發(fā)射機所消耗的能量；Eamp表示發(fā)射放大器上所需的能量。應注意到，本文假定n=2，Eelec=50n/bit，Eamp=100(PJ·bit-1·m-2)。

3 NLTA算法

3.1 傳輸距離調(diào)整策略

圖4 依據(jù)節(jié)點剩余能量的分類

節(jié)點依據(jù)自己的剩余能量調(diào)整自己的傳輸范圍。當電量較足時，可以增大自己的傳輸距離，進而縮短路由路徑，而當電量不充足時，為了保存能量，縮短傳輸距離。通過自適應地調(diào)整傳輸距離，提高能量效率，最終實現(xiàn)延長網(wǎng)絡壽命。傳輸距離調(diào)整過程偽代碼如下：

/*Energy-aware transmission range adjusting (a sensoru)*/

Input:

γ：initial transmission range

B:initial battery energy

r(u)：current residual battery energy of u

r：transmission range

While(1){

r=γ/4

r=γ/2

End if r=γ

}

3.2 信宿Sink移動機制

信宿Sink移動機制主要含有兩個階段。第一個階段就是檢測是否滿足移動的條件，若滿足，就觸發(fā)；其次，就是設置移動的方向和距離。

3.2.1 移動條件

圖5 路徑有向圖示意圖

(4)

(5)

3.2.2 移動距離和方向

圖6 Sink節(jié)點移動的可能方向

Sink節(jié)點如何選擇移動方向呢?步驟如下：

步驟2，計算4個方向的權值系數(shù)εh，定義為

(6)

步驟3，選擇具有最大εh的方向進行移動

(7)

3.3 數(shù)據(jù)傳輸路徑

一旦傳感節(jié)點檢測異常事件或感應到了數(shù)據(jù)，就需向信宿傳輸。在傳輸時，選擇最大容量路徑作為數(shù)據(jù)傳輸通道。仍以圖5為例，各節(jié)點分別選擇最大容量路徑傳輸數(shù)據(jù)。圖7顯示了各節(jié)點向信宿傳輸數(shù)據(jù)的方向。例如從節(jié)點g至信宿s的路徑為：g→e→c→a→s。

圖7 數(shù)據(jù)傳輸路徑示意圖

4 性能仿真

本節(jié)分析NLTA算法的網(wǎng)絡壽命隨傳感節(jié)點數(shù)和節(jié)點初始能量的變化情況。同時，選擇JMR[10]和ASM[14]進行比較。仿真區(qū)域面積為100 m×100 m，節(jié)點的最大傳輸范圍R=25。

4.1 傳感節(jié)點數(shù)

本次實驗測試傳感節(jié)點數(shù)N從50，75，125，150變化對網(wǎng)絡壽命的影響，并且節(jié)點的初始能量B=1 000 J。圖8顯示了網(wǎng)絡壽命隨節(jié)點數(shù)的變化曲線。從圖可知，提出的NLTA算法的網(wǎng)絡壽命得到顯著改善。在整個節(jié)點數(shù)變化期間，NLTA算法的網(wǎng)絡壽命均高于JMR和ASM方案。而JMR算法的網(wǎng)絡壽命最低，原因在于JMR算法采用單一的移動軌跡，并沒有依據(jù)節(jié)點的實時情況，調(diào)整信宿的移動位置，存在局限性。

圖8 網(wǎng)絡壽命隨傳感節(jié)點數(shù)的變化情況

4.2 能量

本次實驗測試節(jié)點電量B從500，750，1 250，1 500變化對網(wǎng)絡壽命的影響，且節(jié)點數(shù)N=100。圖9繪制了網(wǎng)絡壽命隨節(jié)點初始能量的變化曲線。網(wǎng)絡壽命隨著節(jié)點的初始能量增加而提升。與JMR和ASM算法相比，提出的NLTA算法的網(wǎng)絡壽命得到極大提高。例如，在B=1 250 J時，NLTA算法的網(wǎng)絡壽命為3 200輪，而JMR算法的網(wǎng)絡壽命為1 100輪。

圖9 網(wǎng)絡壽命隨初始電量的變化情況

4.3 基站所接收的數(shù)據(jù)包

最后，分析了基站成功接收了數(shù)據(jù)包數(shù)量，其中傳感節(jié)點數(shù)N為125，節(jié)點的初始能量B=1 200 J。基站所接收的包個數(shù)如圖10所示。從圖中可知，NLTA算法能夠有效地提高基站所接收的數(shù)據(jù)包個數(shù)，比JMR協(xié)議提高了近3倍。此外，表1列舉了JMR，ASM和NLTA協(xié)議的穩(wěn)定時期、網(wǎng)絡壽命。其中，穩(wěn)定時期表示從網(wǎng)絡最初至第一節(jié)點失效的時間間隔。從表1可知，JMR，ASM和NLTA協(xié)議的穩(wěn)定時期分別為969，1 355和1 717。而網(wǎng)絡壽命分別為5 535，5 673和8 640。這些數(shù)據(jù)表明，提出的NLTA協(xié)議能夠有效地延長穩(wěn)定時期、擴展網(wǎng)絡壽命。

圖11 基站成功接收的數(shù)據(jù)包

測試序號穩(wěn)定時長/sJMRASMNLTA網(wǎng)絡壽命/輪JMRASMMLTA1969135517175536567386382926135517165553567086373970134217185537567386364967135717165532567486435972136517145538567686406945135817205539567586407936135017185530566886388978135517195534567086409976135917165538567386411096913551716553056758641

5 小結(jié)

針對無線傳感網(wǎng)絡的網(wǎng)絡壽命問題，提出新改善網(wǎng)絡壽命算法NLTA。NLTA算法采用了兩個措施提高網(wǎng)絡壽命，首先利用節(jié)點的剩余能量，將節(jié)點分為3類，每一類節(jié)點的傳輸距離不同。若節(jié)點能量較充足，采用長的傳輸距離，可縮短傳輸跳數(shù)，若能量不充足，采用小的傳輸距離。然后，Sink計算路徑容量值，并向具有最大容量的路徑移動。最后，通過數(shù)值仿真，進一步驗證了NLTA算法的性能。與同類方案(JMR和ASM)相比，NLTA算法的網(wǎng)絡壽命提高了23.3%。

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孫海霞(1972— )，女，副教授，主要研究領域為計算機應用技術與網(wǎng)絡技術；

胡 永(1980— )，碩士，副教授，主要研究領域為圖形圖像處理；

張 環(huán)(1982— )，女，碩士，副教授，主要研究領域為計算機應用技術、圖形圖像處理。

責任編輯：許 盈

Network lifetime augmentation algorithm based on transmission range and Sink mobility

SUN Haixia, HU Yong, ZHANG Huan

(XizangMinzuUniversityInformationTechnologyCollege,XizangKeyLaboratoryofInformationProcessingandVisualizationTechnology,ShaanxiXianyang712082，China)

In Wireless Sensor Network (WSN), each sensor node delivers the sensed data to sink by multi-hopping technique. Generally, sensor nodes nearer to the sink will consume more battery power than further nodes. So there nodes will drain out their battery power rapidly and reduce the network lifetime. In this paper, a network lifetime augmentation algorithm for WSN is proposed, which is marked as NLTA. NLTA algorithm has used adaptive transmission range of sensor node and sink relocation mechanism. The transmission range adjusting depends on the residual battery energy of a sensor node, then the sink will relocate to the new position by the capacity path. Finally, numerical simulation verifies the performance of NLTA algorithm. Simulation results show that NLTA algorithm can prolong network lifetime.

wireless sensor network; Sink node; energy; network lifetime; transmission range

孫海霞，胡永，張環(huán). 基于傳輸距離和Sink移動的擴延網(wǎng)絡壽命算法[J].電視技術，2017，41(1)：37-41. SUN H X, HU Y, ZHANG H. Network lifetime augmentation algorithm based on transmission range and Sink mobility[J].Video engineering，2017，41(1)：37-41.

TN914

A

10.16280/j.videoe.2017.01.008

西藏自治區(qū)自然科學基金項目(2015ZR-14-18 )

2016-05-17