基于傳輸半徑倍數(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)交替路由

　　論文關(guān)鍵詞:無線傳感器網(wǎng)絡(luò);交替轉(zhuǎn)發(fā);能量有效性:網(wǎng)絡(luò)壽命

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    論文摘要:針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量有效性問題，提出一種基于傳輸半徑倍數(shù)的交替路由算法(TSMAR).算法計算出節(jié)點與信宿之間的距離，確定距離與傳輸半徑的下整數(shù)倍數(shù)，然后根據(jù)倍數(shù)的奇偶性交替轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，同時抑制遠(yuǎn)離信宿或與發(fā)送節(jié)點距離較近的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù).NS仿真驗證表明，與BPS算法相比，TSMAR算法減少了轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點數(shù)，提高了網(wǎng)絡(luò)能量有效性，延長了網(wǎng)絡(luò)壽命。

    作為一種新型的自組織無線網(wǎng)絡(luò)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks, WSN)以其無需基礎(chǔ)設(shè)施，自組織，節(jié)點眾多等特點成為溝通“物理世界和信息世界Internet之間的橋梁”.WSN在目標(biāo)跟蹤、環(huán)境監(jiān)測、居室監(jiān)控、野外探測，以及人員不可進(jìn)入的危險區(qū)域和難以組建網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境中有著廣泛的應(yīng)用前景。然而，WSN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點由電池供電，不具備持續(xù)的能量供應(yīng)，因此設(shè)計實現(xiàn)WSN路由算法時，能量有效性成為首要問題.

    針對WSN網(wǎng)絡(luò)能量有效性問題，研究者們提出了許多路由算法，主要分為兩類.一類是平面路由算法，利用數(shù)據(jù)的優(yōu)先級，提出了沖突感知路由協(xié)議CAR;將貪婪轉(zhuǎn)發(fā)和平面路由方法結(jié)合在一起，通過限制搜尋區(qū)域和計數(shù)方法，提出了GOAFR+路由算法.另一類是基于分簇的路由算法，通過收集鄰居節(jié)點信息，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)局部拓?fù)湫畔⑦M(jìn)行分簇，提出了RDCA算法;根據(jù)用戶要求的誤差門限及節(jié)點數(shù)據(jù)的空間相關(guān)性馬爾可夫模型，將事件感知區(qū)域劃分成虛擬極坐標(biāo)等價層，然后在等價層中選取剩余能量最大的節(jié)點作為簇頭，提出了EDCA算法.

    然而己有的算法存在以下缺點:一是利用網(wǎng)絡(luò)局部信息，需要收集、等待鄰居信息，無形中增加了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)拇鷥r和時延;二是需要先驗知識，如數(shù)據(jù)的優(yōu)先級、誤差閩值或搜尋區(qū)域等，這在WSN實際使用過程中往往很難確定，從而限制了算法的適用性.

    節(jié)點可以通過安裝定位系統(tǒng)或定位算法獲得位置信息.由于位置的路由算法無需建立、維護(hù)和存儲路由表，無需網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔�，算法實現(xiàn)簡單，控制開銷小等特點，在WSN網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛的關(guān)注和研究.提出的(optimized broadcast pro-tocol for sensor networks, BPS)算法，采用正六邊形劃分網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域，根據(jù)節(jié)點的位置信息選取距離正六邊形頂點較近的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù).但是BPS算法只抑制了與發(fā)送節(jié)點距離較近的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，并采用延遲措施，這樣既不能有效地減少轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點數(shù)，又不能提高網(wǎng)絡(luò)能量有效性，還增加了數(shù)據(jù)傳輸時延.

    因此，本文假設(shè)節(jié)點己知其自身和信宿的位置信息，提出基于傳輸半徑倍數(shù)的交替路由算法(alternant routing algorithm based on transport semi-diameter multiple, TSMAR).算法計算出節(jié)點與信宿之間的距離，確定距離與傳輸半徑的下整數(shù)倍數(shù)，然后根據(jù)倍數(shù)的奇偶性交替轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，同時抑制遠(yuǎn)離信宿或與發(fā)送節(jié)點距離較近的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，從而減少轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點數(shù)，提高網(wǎng)絡(luò)能量有效性，延長網(wǎng)絡(luò)壽命.

　　1、TSMAR算法

　　1.1網(wǎng)絡(luò)模型

    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型假設(shè)如下:

    1)節(jié)點同構(gòu)，隨機部署在檢測區(qū)域.節(jié)點隨機產(chǎn)生數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫潘?(sink);

    2)所有節(jié)點都是靜止的，節(jié)點自身和信宿的位置信息己知‘任意兩節(jié)點。,n之間的距離定義為
  
  　式中，x和y表示節(jié)點的橫、縱坐標(biāo)值.

    3)節(jié)點用全向天線，最大傳輸距離為R，單位米.

    4)節(jié)點的初始能量相等.能量消耗模型如下:發(fā)送k位數(shù)據(jù)消耗的能量Et由電路能耗Eelec和發(fā)射功放能耗兩部分組成，如式(2)所示.接收k位數(shù)據(jù)消耗的能量Er，如式(3)所示:

　　1.2  TSMAR算法描述

    TSMAR算法的核心是將網(wǎng)絡(luò)視為以信宿為中心、R/2(傳輸半徑)為半徑的環(huán)形帶狀結(jié)構(gòu)，信宿位于網(wǎng)絡(luò)中心，當(dāng)信宿位于網(wǎng)絡(luò)其他位置時，該方法仍然適用，只是將網(wǎng)絡(luò)劃分為帶狀結(jié)構(gòu).在數(shù)據(jù)傳輸過程中，交替選取陰影區(qū)(或黑色區(qū))內(nèi)的節(jié)點作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點.若數(shù)據(jù)包的序號為奇數(shù)，則選取距離信宿R/2下下整數(shù)奇數(shù)倍的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù);否則，選取距離信宿R/2整數(shù)偶數(shù)倍的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù).同時抑制遠(yuǎn)離信宿或與發(fā)送節(jié)點距離較近的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù).根據(jù)節(jié)點與信宿之間的距離是R/2下整數(shù)倍數(shù)的奇偶性來選取轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，則在一次數(shù)據(jù)傳輸過程中，至多只有一半的節(jié)點參與數(shù)據(jù)的傳輸.

    TSMAR算法的具體步驟如下:

    TSMAR算法采用的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)如圖2所示.目的是接收節(jié)點只需要保存其自身和信宿的位置信息，發(fā)送節(jié)點的位置信息可以通過數(shù)據(jù)包獲得，從而節(jié)省節(jié)點的存儲資源.

    步驟1　若節(jié)點m接收過該數(shù)據(jù)包，則丟棄數(shù)據(jù)包，否則執(zhí)行步驟2.

    步驟2　計算節(jié)點二與發(fā)送節(jié)點n之間的距離dm.若dmn(0.358，則丟棄數(shù)據(jù)包[fill;否則執(zhí)行步驟3.

    步驟3　計算節(jié)點二與信宿s之間的距離elms、發(fā)送節(jié)點n與信宿s之間的距離dns.若elms > dns，則丟棄數(shù)據(jù)包，否則執(zhí)行步驟4.

    步驟4　若數(shù)據(jù)包序號為奇數(shù)，則根據(jù)式(4)計算dodd，如果doaa~1，則轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，否則丟棄數(shù)據(jù)包:若數(shù)據(jù)包序號為偶數(shù)，則根據(jù)式(5)計算eleven，如果deven=1，則轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，否則丟棄數(shù)據(jù)包.

式中，R表示傳輸距離，d表示節(jié)點與信宿之間的距離.TSMAR算法通過步驟1，避免了數(shù)據(jù)的冗余傳輸;通過步驟2，避免了與發(fā)送節(jié)點距離較近的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù):通過步驟3.避免了遠(yuǎn)離信宿的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù);通過步驟4，根據(jù)節(jié)點與信宿之間的距離確定距離與R/2的下整數(shù)倍數(shù)，再根據(jù)倍數(shù)的奇偶性來選取轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點.從而大大地減少了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點數(shù)，提高網(wǎng)絡(luò)能量有效性，延長網(wǎng)絡(luò)壽命.

　　2、NS2仿真驗證

    為了驗證TSMAR算法的有效性，在NS-2.29仿真環(huán)境中設(shè)計了兩種網(wǎng)絡(luò)場景，并分析比較TSMAR和BPS算法在轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點數(shù)、能量有效性和網(wǎng)絡(luò)壽命上的性能.節(jié)點隨機部署在100 m x 100 m的平面監(jiān)測區(qū)域，MAC層協(xié)議采用IEEE 802.11，數(shù)據(jù)包大小為512 bits(針對區(qū)域溫度一時間等數(shù)據(jù)的測量)，初始能量為100)，仿真時間為100 s.

    網(wǎng)絡(luò)場景1節(jié)點最大傳輸距離為40 m.網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)為10. 20.40，對應(yīng)于低密度網(wǎng)絡(luò):網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)為50. 60，80. 100，對應(yīng)于中等密度網(wǎng)絡(luò);網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)為120. 150.200，對應(yīng)于高密度網(wǎng)絡(luò).

    網(wǎng)絡(luò)場景2隨機部署100個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，節(jié)點的傳輸距離以5m的增量在!20 m,65 m}范圍之內(nèi)變化.定義網(wǎng)絡(luò)壽命為網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)第1個死亡節(jié)點(即耗盡能量的節(jié)點)的網(wǎng)絡(luò)生存時間.再定義能量效率叮，如式(6)所示:
   通過能量效率刀來驗證TSMAR算法的能量有效性，其中ETSMAR和Ears分別表示TSMAR算法和BPS算法在綜合情況下(網(wǎng)絡(luò)沖突、信道競爭、控制開銷等)消耗的總能量.

　　2.1轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點數(shù)

    轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點數(shù)是指網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送數(shù)據(jù)的總節(jié)點數(shù)，包括產(chǎn)生數(shù)據(jù)的源節(jié)點.

    圖3表示轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點數(shù)隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)的變化情況.由圖3可知，BPS算法的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點數(shù)多于TSMAR算法，尤其在高密度網(wǎng)絡(luò)中，BPS算法的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點數(shù)遠(yuǎn)多于TSMAR算法.這是由于BPS算法只抑制了與發(fā)送節(jié)點距離較近的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，TSMAR算法則抑制了遠(yuǎn)離信宿或與發(fā)送節(jié)點距離較近的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，并根據(jù)節(jié)點與信宿之間的距離確定距離與R/2的下整數(shù)倍數(shù)，再根據(jù)倍數(shù)的奇偶性來選取轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，從而減少了轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點數(shù).

    圖4表示轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點數(shù)隨著傳輸距離的變化情況.由圖4可知，傳輸距離的變化對BPS算法影響不大，這是因為BPS算法依據(jù)傳輸距離計算節(jié)點偏離策略位置的程度.TSMAR算法則有明顯的變化，這是因為對節(jié)點數(shù)固定、傳輸距離不同的網(wǎng)絡(luò)，TSMAR算法選取轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的范圍不同.與圖3分析類似，BPS算法的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點數(shù)遠(yuǎn)多于TSMAR算法.

　　2.2能量有效性

    圖5是能量效率隨網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)的變化情況.由圖5可知，與BPS算法相比，TSMAR算法的能量效率約提高15% ～40%.隨著節(jié)點數(shù)的增加，TSMAR算法的能量效率提高得更多，表明TSMAR算法比BPS算法消耗的能量更低，提高了能量有效性.

   圖6是能量效率隨傳輸距離的變化情況.由圖6可知，在傳輸距離超過30 m時，TSMAR算法的能量效率約提高了30%;在傳輸距離較小的情況下(如20 m). TSMAR算法的能量效率約提高了70%，表明TSMAR算法的能量有效性比BPS算法更高.

　　2.3網(wǎng)絡(luò)壽命

    圖7是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)為150、傳輸距離為40 m的仿真結(jié)果.由圖7可知，與BPS算法相比，TSMAR算法的網(wǎng)絡(luò)壽命延長了約30%. TSMAR算法出現(xiàn)死亡節(jié)點的時間和全部節(jié)點死亡的時間都很晚，兩個時間差也較短，表明TSMAR算法不僅延長了網(wǎng)絡(luò)壽命，而且均衡了能量消耗.

　　3、結(jié)語

    在資源受限WSN網(wǎng)絡(luò)中，能量有效性是首先要解決的問題.位置路由算法因其無需路由表，無需網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔ⅲ�算法實現(xiàn)簡單，控制開銷小等特點，在WSN網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛的關(guān)注和研究.本文在假設(shè)節(jié)點位置信息已知的基礎(chǔ)上，提出基于傳輸半徑倍數(shù)的交替路由算法TSMAR.根據(jù)節(jié)點與信宿之間的距離確定距離與R/2的下整數(shù)倍數(shù)，根據(jù)倍數(shù)的奇偶性來選取轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，節(jié)點交替轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，使得至多只有一半的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù);同時抑制遠(yuǎn)離信宿或與發(fā)送節(jié)點距離較近的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，以進(jìn)一步減少轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點數(shù).NS2仿真驗證表明，與BPS算法相比，TSMAR算法減少了轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點數(shù)，提高了網(wǎng)絡(luò)能量有效性，延長了網(wǎng)絡(luò)壽命.如何避免TSMAR算法中的沖突節(jié)點，并將TSMAR算法與睡眠喚醒機制結(jié)合在一起，同時考慮有效的數(shù)據(jù)融合算法，是下一步研究要解決的問題.

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