基于傳輸半徑倍數的無線傳感器網絡交替路由

基于傳輸半徑倍數的無線傳感器網絡交替路由

　　論文關鍵詞:無線傳感器網絡;交替轉發;能量有效性:網絡壽命

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

    作為一種新型的自組織無線網絡，無線傳感器網絡(wireless sensor networks, WSN)以其無需基礎設施，自組織，節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在目標跟蹤、環境監測、居室監控、野外探測，以及人員不可進入的危險區域和難以組建網絡的環境中有著廣泛的應用前景。然而，WSN網絡節點由電池供電，不具備持續的能量供應，因此設計實現WSN路由算法時，能量有效性成為首要問題.

    針對WSN網絡能量有效性問題，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，利用數據的優先級，提出了沖突感知路由協議CAR;將貪婪轉發和平面路由方法結合在一起，通過限制搜尋區域和計數方法，提出了GOAFR+路由算法.另一類是基于分簇的路由算法，通過收集鄰居節點信息，根據網絡局部拓撲信息進行分簇，提出了RDCA算法;根據用戶要求的誤差門限及節點數據的空間相關性馬爾可夫模型，將事件感知區域劃分成虛擬極坐標等價層，然后在等價層中選取剩余能量最大的節點作為簇頭，提出了EDCA算法.

    然而己有的算法存在以下缺點:一是利用網絡局部信息，需要收集、等待鄰居信息，無形中增加了網絡傳輸的代價和時延;二是需要先驗知識，如數據的優先級、誤差閩值或搜尋區域等，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.

    節點可以通過安裝定位系統或定位算法獲得位置信息.由于位置的路由算法無需建立、維護和存儲路由表，無需網絡拓撲信息，算法實現簡單，控制開銷小等特點，在WSN網絡中得到了廣泛的關注和研究.提出的(optimized broadcast pro-tocol for sensor networks, BPS)算法，采用正六邊形劃分網絡覆蓋區域，根據節點的位置信息選取距離正六邊形頂點較近的節點轉發數據.但是BPS算法只抑制了與發送節點距離較近的節點轉發數據，并采用延遲措施，這樣既不能有效地減少轉發節點數，又不能提高網絡能量有效性，還增加了數據傳輸時延.

    因此，本文假設節點己知其自身和信宿的位置信息，提出基于傳輸半徑倍數的交替路由算法(alternant routing algorithm based on transport semi-diameter multiple, TSMAR).算法計算出節點與信宿之間的距離，確定距離與傳輸半徑的下整數倍數，然后根據倍數的奇偶性交替轉發數據，同時抑制遠離信宿或與發送節點距離較近的節點轉發數據，從而減少轉發節點數，提高網絡能量有效性，延長網絡壽命.

　　1、TSMAR算法

　　1.1網絡模型

    無線傳感器網絡模型假設如下:

    1)節點同構，隨機部署在檢測區域.節點隨機產生數據，并將數據傳輸到信宿((sink);

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

    3)節點用全向天線，最大傳輸距離為R，單位米.

    4)節點的初始能量相等.能量消耗模型如下:發送k位數據消耗的能量Et由電路能耗Eelec和發射功放能耗兩部分組成，如式(2)所示.接收k位數據消耗的能量Er，如式(3)所示:

　　1.2  TSMAR算法描述

    TSMAR算法的核心是將網絡視為以信宿為中心、R/2(傳輸半徑)為半徑的環形帶狀結構，信宿位于網絡中心，當信宿位于網絡其他位置時，該方法仍然適用，只是將網絡劃分為帶狀結構.在數據傳輸過程中，交替選取陰影區(或黑色區)內的節點作為轉發節點.若數據包的序號為奇數，則選取距離信宿R/2下下整數奇數倍的節點轉發數據;否則，選取距離信宿R/2整數偶數倍的節點轉發數據.同時抑制遠離信宿或與發送節點距離較近的節點轉發數據.根據節點與信宿之間的距離是R/2下整數倍數的奇偶性來選取轉發節點，則在一次數據傳輸過程中，至多只有一半的節點參與數據的傳輸.

    TSMAR算法的具體步驟如下:

    TSMAR算法采用的數據包結構如圖2所示.目的是接收節點只需要保存其自身和信宿的位置信息，發送節點的位置信息可以通過數據包獲得，從而節省節點的存儲資源.

    步驟1　若節點m接收過該數據包，則丟棄數據包，否則執行步驟2.

    步驟2　計算節點二與發送節點n之間的距離dm.若dmn(0.358，則丟棄數據包[fill;否則執行步驟3.

    步驟3　計算節點二與信宿s之間的距離elms、發送節點n與信宿s之間的距離dns.若elms > dns，則丟棄數據包，否則執行步驟4.

    步驟4　若數據包序號為奇數，則根據式(4)計算dodd，如果doaa~1，則轉發數據，否則丟棄數據包:若數據包序號為偶數，則根據式(5)計算eleven，如果deven=1，則轉發數據，否則丟棄數據包.

式中，R表示傳輸距離，d表示節點與信宿之間的距離.TSMAR算法通過步驟1，避免了數據的冗余傳輸;通過步驟2，避免了與發送節點距離較近的節點轉發數據:通過步驟3.避免了遠離信宿的節點轉發數據;通過步驟4，根據節點與信宿之間的距離確定距離與R/2的下整數倍數，再根據倍數的奇偶性來選取轉發節點.從而大大地減少了數據轉發節點數，提高網絡能量有效性，延長網絡壽命.

　　2、NS2仿真驗證

    為了驗證TSMAR算法的有效性，在NS-2.29仿真環境中設計了兩種網絡場景，并分析比較TSMAR和BPS算法在轉發節點數、能量有效性和網絡壽命上的性能.節點隨機部署在100 m x 100 m的平面監測區域，MAC層協議采用IEEE 802.11，數據包大小為512 bits(針對區域溫度一時間等數據的測量)，初始能量為100)，仿真時間為100 s.

    網絡場景1節點最大傳輸距離為40 m.網絡節點數為10. 20.40，對應于低密度網絡:網絡節點數為50. 60，80. 100，對應于中等密度網絡;網絡節點數為120. 150.200，對應于高密度網絡.

    網絡場景2隨機部署100個網絡節點，節點的傳輸距離以5m的增量在!20 m,65 m}范圍之內變化.定義網絡壽命為網絡中出現第1個死亡節點(即耗盡能量的節點)的網絡生存時間.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(網絡沖突、信道競爭、控制開銷等)消耗的總能量.

　　2.1轉發節點數

    轉發節點數是指網絡中發送數據的總節點數，包括產生數據的源節點.

    圖3表示轉發節點數隨著網絡節點數的變化情況.由圖3可知，BPS算法的轉發節點數多于TSMAR算法，尤其在高密度網絡中，BPS算法的轉發節點數遠多于TSMAR算法.這是由于BPS算法只抑制了與發送節點距離較近的節點轉發數據，TSMAR算法則抑制了遠離信宿或與發送節點距離較近的節點轉發數據，并根據節點與信宿之間的距離確定距離與R/2的下整數倍數，再根據倍數的奇偶性來選取轉發節點，從而減少了轉發節點數.

    圖4表示轉發節點數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算法依據傳輸距離計算節點偏離策略位置的程度.TSMAR算法則有明顯的變化，這是因為對節點數固定、傳輸距離不同的網絡，TSMAR算法選取轉發節點的范圍不同.與圖3分析類似，BPS算法的轉發節點數遠多于TSMAR算法.

　　2.2能量有效性

    圖5是能量效率隨網絡節點數的變化情況.由圖5可知，與BPS算法相比，TSMAR算法的能量效率約提高15% ～40%.隨著節點數的增加，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網絡壽命

    圖7是網絡節點數為150、傳輸距離為40 m的仿真結果.由圖7可知，與BPS算法相比，TSMAR算法的網絡壽命延長了約30%. TSMAR算法出現死亡節點的時間和全部節點死亡的時間都很晚，兩個時間差也較短，表明TSMAR算法不僅延長了網絡壽命，而且均衡了能量消耗.

　　3、結語

    在資源受限WSN網絡中，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，無需網絡拓撲信息，算法實現簡單，控制開銷小等特點，在WSN網絡中得到了廣泛的關注和研究.本文在假設節點位置信息已知的基礎上，提出基于傳輸半徑倍數的交替路由算法TSMAR.根據節點與信宿之間的距離確定距離與R/2的下整數倍數，根據倍數的奇偶性來選取轉發節點，節點交替轉發數據，使得至多只有一半的節點轉發數據;同時抑制遠離信宿或與發送節點距離較近的節點轉發數據，以進一步減少轉發節點數.NS2仿真驗證表明，與BPS算法相比，TSMAR算法減少了轉發節點數，提高了網絡能量有效性，延長了網絡壽命.如何避免TSMAR算法中的沖突節點，并將TSMAR算法與睡眠喚醒機制結合在一起，同時考慮有效的數據融合算法，是下一步研究要解決的問題.

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