基于路燈單燈狀態(tài)監(jiān)控的無線鏈狀網(wǎng)絡路由算法的研究

1、基于路燈單燈狀態(tài)監(jiān)控的無線鏈狀網(wǎng)絡路由算法的研究文章編號：1003-6199(2011)04-0085-04?摘要：基于路燈單燈狀態(tài)監(jiān)控的無線傳感器網(wǎng) 絡應用，針對鏈狀網(wǎng)絡節(jié)點負載不均衡和網(wǎng)絡節(jié)點能 量有限的問題進行分析和研究，提出一種適合該應用 的新型路由算法，這種新型路由算法根據(jù)網(wǎng)絡節(jié)點可 通過功率控制來調(diào)整通信距離的前提下，合適的數(shù)據(jù) 傳輸路徑被每個傳感器節(jié)點選擇，使整個網(wǎng)絡達到能 耗節(jié)省，負載均衡的目的。通過仿真驗證這種新型路 由算法有效地平衡了網(wǎng)絡負載，使網(wǎng)絡能量節(jié)省，網(wǎng) 絡生命周期提高。?關鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡；新型路由算法；網(wǎng)絡 負載？中圖分類號：tp301.6文獻標識碼：a w

2、ireless chain network routing algorithm based on ?street light single lamp state monitoring ? sun feng?jie, zhen wang?(north china electric power university,electrical and electronics enineering college,beijing 102206,china)abstract:!n this paper, based on the wireless chain network for street light

3、 single lamp state monitoring, consider the problem of limited energy and the non-bala need en ergy con sumption in chain network, proposed a new routing algorithm which is propitious to our application. the algorithm based on the assumption that the transmissi on power of sen sor no des is adjustab

4、le, selecting the best transmitting routes of data for every network node to attain the goal of saving total energy and balancing energy consumption. the simulation experiment indicates that the algorithm can balanee energy consumption effectively and saving the total energy, prolong the lifetime of

5、 the networkkey words:wireless sensor networks； new routingalgorithm； network load1前言？無線傳感器網(wǎng)絡廣泛地應用于以監(jiān)控為目的的自 組織網(wǎng)絡。采用自組織方式來配置傳感器節(jié)點，由各 類傳感器感知并采集覆蓋網(wǎng)絡區(qū)域中被監(jiān)測對象的信 息，將感知信息傳送到外部網(wǎng)絡是通過節(jié)點的協(xié)同工 作以多跳的中繼方式。在路燈單燈的狀態(tài)監(jiān)測中，我 們采用鏈狀的無線網(wǎng)絡，每條線路都會設置基站（sink 節(jié)點），在每個路燈柱上配置傳感器節(jié)點，將采集到的 各類數(shù)據(jù)信息傳送給基站，因為該網(wǎng)絡以鏈狀方式組 網(wǎng)，使路由協(xié)議的選擇存在諸多問題：如果采

6、用傳統(tǒng) 的逐級多跳的方式，因為路由路徑單一，靠近基站的 節(jié)點會因為頻繁轉(zhuǎn)發(fā)其后的節(jié)點信息而容易過早耗進 能量進入“死亡”狀態(tài)，產(chǎn)生傳輸死角；如果采用各 個節(jié)點直接將數(shù)據(jù)傳送給基站，那么離基站越遠的節(jié) 點會消耗更多的發(fā)送能量而產(chǎn)生能量耗盡。所以，采 取一種盡可能優(yōu)化各節(jié)點能量消耗，使整個鏈狀網(wǎng)絡 中各節(jié)點負載趨于均衡的路由協(xié)議，它對提高系統(tǒng)穩(wěn) 定性、延長網(wǎng)絡生命周期等都有著很重要的意義。2路燈單燈狀態(tài)的能耗模型與多跳路徑選擇？ 傳感器節(jié)點主要由處理器模塊、傳感器模塊和無 線傳輸模塊組成，但傳感器模塊和處理器模塊跟無線 通信模塊相比能耗是非常低的，因此，這里我們討論 的能耗節(jié)省主要是指節(jié)點的無線通

7、信能耗，根據(jù)無線 網(wǎng)絡能量傳輸消耗模型可知：？?發(fā)送?k?位數(shù)據(jù)傳輸距離為r的傳輸能量消?耗 為：？e?tx?(kzr)=e?txelec?(k)+e?txamp?(k,r)?=e?elec?k+ £ ?amp?kr? a (1)?接收?k?位數(shù)據(jù)的能量消耗為：？e?rx?(k)=e?rx-elec?(k)=e?elec?k(2)?e?tx?表示發(fā)送電路所消耗的能量，e?rx?表示 接收電路所消耗的能量，e?elec?表示接收電路與發(fā)送 電路每bit數(shù)據(jù)消耗的能量(該值與系統(tǒng)硬件相關， 是常數(shù))。e ?amp?表示系統(tǒng)功率放大器的能量消耗 系數(shù)(與硬件相關)，k表示數(shù)據(jù)的長度；r表示

8、收發(fā) 節(jié)點之間的距離，無線通信模型采用的是自由空間模 型？ (free space) ?, a =2。?如圖一所示，d=nr, n是等分的跳數(shù)，r是等分的 距離。？網(wǎng)絡節(jié)點直接與基站或簇頭通信時消耗的能量為？e?direct?=e?tx?(l,d=n*r)=e?elec?*l+?£ ?amp?*n?2r?2*l (3)?網(wǎng)絡節(jié)點采用逐級多跳的方式與基站或簇頭通信 時消耗的能量為？e?multi-hop?=n*e?tx?(l,d=r)+(n-l)*e?rx?(l)? =n*l*(e?elec?+ e ?amp?*r?2)+(n-l)*e?elec?*l? =l(2n-l)*e?elec

9、?+ e ?amp?*n*r?2)(4)?要使單跳比多跳更節(jié)省能量，必須滿足下式：？e?multi-hop?>e?direct? (5)?將(3)、(4)式代入(5)式整理得：？n<2e?elec?/r?2* e ?amp?(6)?在本文所討論的路燈單燈模型中，取每個路燈的 間距長度 r=12 m, e?elec?=50 ?nj/bi?t, e ?amp?=100? pj/bit/m?2?將以上各參數(shù)代入(6)式可得：當nw6.94時， 單跳比多跳更節(jié)省能量，即當傳輸距離不超過6個路 燈時，選擇單跳比選擇多跳更節(jié)省能量。？由圖1可知，當n=l時，多跳即單跳，即n=l和 n=6.94

10、是單跳和多跳能耗的兩個臨界點。我們定義：？? a ?e=e?direct?-e?multi-hop? (7)? 因為？ a?e在l<n<6.94區(qū)間存在極值，通過式（7）對n求導可得：？? a ?ez =2e?elec?+r?2 e ?amp?-2r?2 e ?amp?n ？令?a?ez =0,把參數(shù)代入可得n=3.97,所以，當 n取4時，單跳比多跳時節(jié)省的能量最多。？在路燈的單燈監(jiān)控中，每條線路作為基站（？sink? 節(jié)點），每個路燈柱既作為數(shù)據(jù)源節(jié)點，也作為多跳路 由傳輸形式的中轉(zhuǎn)節(jié)點。在大多數(shù)情況下，各數(shù)據(jù)源 節(jié)點、中轉(zhuǎn)節(jié)點以及基站之間是等分且直線方式，這 時逐級多跳比單跳

11、的路徑要長，此時單跳的能耗要相 對減少。3新路由算法設計及分析3.1初始化網(wǎng)絡？?初始化網(wǎng)絡對于路燈單燈無線網(wǎng)絡來說意義重 大，由于路燈單燈頻繁的編解組，使得每次重新編組 后必須對整個網(wǎng)絡進行信息更新配置，這是傳感器網(wǎng) 絡能否正常工作的重要前提。？初始化的主要任務是識別各節(jié)點id, sink向各節(jié) 點發(fā)送路燈信息，任務信息等，其過程稱為：？1）使用各網(wǎng)絡節(jié)點的無線定位引擎，從sink節(jié) 點往后依次作為信號發(fā)射節(jié)點根據(jù)信號衰減值尋找緊 鄰其后的網(wǎng)絡節(jié)點，從而依次確定整個線路的id； ?2）通過洪泛算法由sink節(jié)點向各網(wǎng)絡節(jié)點發(fā)布 初始化信息。？下面是leach算法流程圖和新路由算法的流程圖如圖

12、2、圖3所示。3.2數(shù)據(jù)的傳輸？通過前面介紹無線鏈狀網(wǎng)絡采用簡單的單跳或多 跳傳輸數(shù)據(jù)存在能耗高、負載不均衡的弊端。常見是 使用leach算法來改進，把傳感器節(jié)點分簇，每個簇 內(nèi)的每一輪通過選舉公式選舉一個簇頭節(jié)點，然后每 個簇成員節(jié)點發(fā)送分組給簇頭，簇頭就融合接收到的 分組和自己采集的數(shù)據(jù)形成新的分組再傳給匯聚節(jié)點, 接著下一輪再從簇內(nèi)選舉一個節(jié)點作為新的簇頭，以 此類推。簇頭選舉的隨機性確保了簇頭與匯聚節(jié)點之 間數(shù)據(jù)傳輸?shù)母吣芎某杀揪鶆虻胤謹偟剿袀鞲衅鞴?jié) 點。然而簇頭會把采集到的數(shù)據(jù)重新進行融合，通過 減小傳送分組的大小降低發(fā)送能量消耗，從而延長了 網(wǎng)絡生命周期。但該算法的不足之處在于：

13、？ 1）簇頭節(jié)點的選舉開銷太大；？2）簇頭節(jié)點選定后須通過廣播的形式來通知簇內(nèi) 各節(jié)點，然而節(jié)點必須根據(jù)各個簇頭廣播的信號強度 選擇加入哪個簇；這增加了網(wǎng)絡的開銷；？3) 很難避免多個簇頭節(jié)點直接發(fā)送分組到匯聚節(jié) 點。在分簇路由算法中，由于簇頭節(jié)點的能耗比非簇 頭節(jié)點的要大很多，因此節(jié)點要輪流擔當這一角色來 達到網(wǎng)絡中平均能耗的結果。？本文基于對leach算法的改進，根據(jù)路燈鏈狀網(wǎng) 絡的特點，采用集中式分簇法，通過sink節(jié)點根據(jù)分 簇算法統(tǒng)一分簇，并且為每一個分組確定簇頭和簇內(nèi) 成員。？假設總數(shù)為n的網(wǎng)絡節(jié)點直線分布，并將這些節(jié) 點分為若干個帶狀區(qū)域，根據(jù)前面無線傳輸能耗模型 所得出的結論，

14、設每個帶狀區(qū)域的長度為h(單位:m,?h 等于4個路燈之間的距離)則總共分為n/4個帶狀區(qū)域。 設每個帶狀區(qū)域中分布有m個節(jié)點，這m個節(jié)點就 形成形成鏈狀拓撲，算法分成兩個階段，鏈狀拓撲傳 遞和分簇拓撲傳遞。？鏈狀拓撲傳遞階段：首先將整個鏈上的節(jié)點標號 n?i=?lz乙4,這4個點作為首簇頭選擇范圍，其中 nl是整個網(wǎng)絡的基站節(jié)點？ (sink) ?,在第i (iw4) 輪選擇第i個節(jié)點作為該鏈的首簇頭節(jié)點m。，首簇頭 確定后，其后各簇的簇頭n=m+4*j (j=l> 2、3), 即每個簇頭和其后的3個節(jié)點作為一個簇，簇內(nèi)的成 員將數(shù)據(jù)信息通過直接單跳的方式發(fā)送給簇頭在功率 控制發(fā)射范圍

15、內(nèi)，并設置適當?shù)拈L度時間片，當時間 片用完后網(wǎng)絡就會重新分簇，并進入到下一輪以此類 推直到分組傳遞到頭節(jié)點?為止。？分簇拓撲傳遞階段：當每條鏈上的頭節(jié)點完成數(shù) 據(jù)融合之后，每條鏈上的頭節(jié)點就形成一個新的簇。 假設是到第i輪，則每條鏈上的第i個節(jié)點，該輪的所 有頭節(jié)點就形成一個新的簇，簇內(nèi)成員通過數(shù)據(jù)融合 后，采用逐級多跳的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給?sink節(jié)點。？我們?yōu)槊恳惠喸O置適當?shù)拈L度時間片，當時間片用完后網(wǎng)絡就會重新分簇，進入到下一輪，以此類推 直到完成4輪候后，再重新按照第一輪循環(huán)?操作。？4仿真試驗結果？我們使用matlab仿真工具評估該算法的性能，通過模擬一個200個節(jié)點的直線鏈狀網(wǎng)絡，采

16、用的傳輸 信道數(shù)據(jù)傳輸速率為250kbps,出錯率是0,數(shù)據(jù)包的 長度是128bit,并且每輪有20個隨機節(jié)點向sink節(jié)點 發(fā)送數(shù)據(jù)，所有節(jié)點的初始能量是5000個能量單位, 仿真實驗結果如圖4、圖5所示，其中圖4反映的是 兩種路由算法的能耗情況，圖5反映的是網(wǎng)絡中節(jié)點 能量過耗的情況，當仿真假定節(jié)點的能量值低于初始 值的30%時，則認定它處于低能量的狀態(tài)。在圖4、 圖5中曲線1和曲線2分別表示簡單的逐級多跳算法 和改進的新算法的仿真實驗結果。？5結語？針對路燈單燈無線鏈狀網(wǎng)絡的特點以及傳統(tǒng)路由 算法的不足，本文提出了一種改進的leach鏈狀網(wǎng)絡 節(jié)點分簇算法，充分考慮到網(wǎng)絡的總能量消耗和負

17、載 均衡問題，使得該算法能很好的應用到路燈鏈狀網(wǎng)絡 應用中，由仿真結果可知，該新型路由算法在總能耗 和能量均衡方面有著優(yōu)良的性能。參考文獻？1 余勇昌，韋崗，武娟.wsn中負載均衡能量有 效的路由算法研究j 通信技術2007,(11):216-219.?2 劉旭東.無線傳感器網(wǎng)絡上的攻擊j.中 國科技信息，2005,(01) :34-40.?3 徐晨，周暉，袁從明，等.基于蟻群算法的 無線傳感器網(wǎng)絡優(yōu)化j.蘇州大學學報：自然科學 版，2007,(01)： 25-27.?4 王婭.無線傳感器網(wǎng)絡集群路由協(xié)議的研 究j.科技資訊.2010,(33):18-19.?5 朱忠芳，宋愛平，林濤.基于zi

18、gbee技術的單 燈節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)j 現(xiàn)代電子技術.2008,(21):130-132.?6 張艷，趙衍娟，楊眉.基于wsn技術的路 燈控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)j.東北電力大學學報.2011,(31):84-87.?7 r.ramanathan and r.hain, “topology control of multihop wireless networks using transmit power adjustment” in proceedings infocom,2000.?8 liyan, zhang xi-huang, liyan-zhongenergy-efficient clustering routing algorithm based on leach j journal ofcomputerappli-cations,2007,27(5):1103-1105.?9 5youniso,fahmys.distributed clusteringin adhoc sensornetwork:ahybrid,energy-efficient appr