無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量有效性網(wǎng)絡(luò)層路由算法

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量有效性網(wǎng)絡(luò)層路由算法 摘 要 本文提出了一個(gè)能量有效性的適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層路由算法最小跳數(shù)路由算法(MHRA )。MHRA算法分為兩個(gè)階段；在感知任務(wù)交付階段，節(jié)點(diǎn)通過洪泛感知任務(wù)建立路由；在感知數(shù)據(jù)交付階段將感知數(shù)據(jù)沿該路由返回收發(fā)器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明MHRA路由算法通過采用多通信工作方式、按需驅(qū)動(dòng)的路由策略、使用傳感器節(jié)點(diǎn)到Sink節(jié)點(diǎn)的最佳路徑和次最佳路徑、數(shù)據(jù)融合等方案，減少了路由的建立和維持開銷，有效地實(shí)現(xiàn)了能量節(jié)省，實(shí)現(xiàn)了算法的簡單性、正確性、能量有效性和健壯性。 關(guān)鍵詞 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、路由協(xié)議、能量有效性、能管理策略 1 算法概述 MHRA路由算法采用

2、按需求驅(qū)動(dòng)的路由策略，采用多跳路由通信模式，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用者通過Sink節(jié)點(diǎn)洪泛查詢，激活一個(gè)工作節(jié)點(diǎn)子集，并在洪泛過程中建立路由。算法可分為兩個(gè)階段：感知任務(wù)交付和感知數(shù)據(jù)交付階段。 在感知任務(wù)交付階段，Sink節(jié)點(diǎn)向與其相鄰的傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送感知任務(wù)查詢包，傳感器節(jié)點(diǎn)收到查詢包后，確定自己是否有Sink節(jié)點(diǎn)需要的感知數(shù)據(jù)，如果沒有就繼續(xù)向其相鄰節(jié)點(diǎn)洪泛查詢包，在洪泛查詢過程中，收到查詢包的各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)查詢包的信息確定其距離Sink最近的上一跳節(jié)點(diǎn)，完成路由建立。在感知任務(wù)交付階段，由于查詢包是通過洪泛傳播到網(wǎng)絡(luò)中去的，所以要解決洪泛的信息“爆炸”和“重疊”問題，以減少不必要的能量損失。路由的

3、建立是通過每次洪泛查詢的過程中完成的，因此，MHRA路由算法屬于反應(yīng)路由策略。當(dāng)收到查詢包的傳感器節(jié)點(diǎn)有Sink節(jié)點(diǎn)需要的感知數(shù)據(jù)時(shí)，進(jìn)入感知數(shù)據(jù)交付階段，這時(shí)傳感器節(jié)點(diǎn)不再洪泛查詢包，并利用感知任務(wù)交付階段建立的路由信息，將感知數(shù)據(jù)返回給其距離Sink的上一跳節(jié)點(diǎn)，使感知數(shù)據(jù)沿著一條最佳路由返回Sink。為了解決洪泛的信息爆炸問題，Sink節(jié)點(diǎn)發(fā)送的查詢包中，包含跳點(diǎn)計(jì)數(shù)器(即最大跳點(diǎn)數(shù)限制，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)尺寸、節(jié)點(diǎn)密度等因素確定最大跳點(diǎn)數(shù))，每個(gè)收到查詢包的節(jié)點(diǎn)將跳點(diǎn)計(jì)數(shù)器的值減1，如果為0則不再洪泛該查詢包，同時(shí)擁有匹配感知數(shù)據(jù)的傳感器節(jié)點(diǎn)也不再繼續(xù)洪泛查詢包，因此，查詢包不是洪泛到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，

4、MHRA路由算法只激活了一個(gè)工作節(jié)點(diǎn)的子集，能量消耗只集中在這個(gè)節(jié)點(diǎn)子集上，有效地降低了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量損耗。另外，在感知數(shù)據(jù)交付階段，通過采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)，消除冗余的感知數(shù)據(jù)，雖然產(chǎn)生一定的數(shù)據(jù)處理的能量開銷和網(wǎng)絡(luò)延遲，但可以有效地降低通信量，降低了無線通信的能量損耗。 能量有效性的主要目的是延長網(wǎng)絡(luò)生命期，MHRA路由算法可以通過激活一個(gè)有限的節(jié)點(diǎn)子集、建立傳感器節(jié)點(diǎn)到Sink節(jié)點(diǎn)的最佳路徑、采用多跳通信模式和數(shù)據(jù)融合技術(shù)，有效地實(shí)現(xiàn)能量節(jié)省。 2 MHRA路由算法的工作原理與描述 MHRA路由算法是基于多跳路由通信模式的以數(shù)據(jù)為中心的路由選擇算法。MHRA算法通過在查詢洪泛中建立數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)

5、到Sink節(jié)點(diǎn)間的最佳路徑，并在感知數(shù)據(jù)沿著路徑返回Sink節(jié)點(diǎn)時(shí)利用了簡單的數(shù)據(jù)融合技術(shù)，有效地實(shí)現(xiàn)能量節(jié)省。 2.1 路由算法工作過程的兩個(gè)階段 如前文所述，MHRA路由算法的工作過程可以分為兩個(gè)階段：感知任務(wù)交付階段和感知數(shù)據(jù)交付階段。在感知任務(wù)交付階段，應(yīng)用者通過Sink節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)洪泛一個(gè)查詢包，收到查詢包的傳感器節(jié)點(diǎn)利用查詢包中的內(nèi)容建立到Sink節(jié)點(diǎn)的反向路徑；在感知數(shù)據(jù)交付階段，擁有匹配數(shù)據(jù)的傳感器節(jié)點(diǎn)通過在感知任務(wù)交付階段建立的路徑，向Sink節(jié)點(diǎn)返回感知數(shù)據(jù)。 2.1.1 感知任務(wù)交付階段 感知任務(wù)交付階段的主要任務(wù)是向洪泛查詢包，并在洪泛查詢包的過程中建立數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)到Sin

6、k節(jié)點(diǎn)的最佳路由。為了實(shí)現(xiàn)能量有效性，在感知任務(wù)交付階段MHRA路由算法要解決的主要問題是：查詢包在洪泛過程中的信息爆炸和重疊；如何通過查詢包洪泛建立最佳路由。 在網(wǎng)絡(luò)的初始階段，所有的傳感器節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用者通過Sink節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送一個(gè)查詢，這里的“查詢”在MBA路由算法中被理解為一次數(shù)據(jù)請(qǐng)求，查詢是對(duì)一個(gè)物理目標(biāo)的物理屬性進(jìn)行的數(shù)據(jù)采集請(qǐng)求，如某個(gè)目標(biāo)或?qū)ο蟮奈恢?、溫度等?Sink節(jié)點(diǎn)首先根據(jù)應(yīng)用者的數(shù)據(jù)請(qǐng)求內(nèi)容建立查詢包，設(shè)置QueryID(查詢編號(hào))；設(shè)置QueryData(數(shù)據(jù)請(qǐng)求內(nèi)容)字段；將HopCount(跳點(diǎn)計(jì)數(shù)器)字段設(shè)置為MHRA路由算法要求的最大跳點(diǎn)數(shù)(即

7、允許的最大路徑長度)：將SourceNodeID(發(fā)送節(jié)點(diǎn)ID)設(shè)置為Sink：將MinHopToSink(距離Sink節(jié)點(diǎn)最小跳數(shù))字段設(shè)置為O。Sink節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)中與其相鄰的傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)出查詢包后，進(jìn)入感知任務(wù)交付階段。 (1)查詢包洪泛 傳感器節(jié)點(diǎn)收到查詢包后，如果滿足以下條件則向其相鄰節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)查詢包：查詢包HopCount(跳點(diǎn)計(jì)數(shù)器)字段的值大于0；根據(jù)節(jié)點(diǎn)的Que行Buffer(查詢緩沖一)確認(rèn)該查詢包沒有收到或轉(zhuǎn)發(fā)過：根據(jù)查詢包的QueryData(數(shù)據(jù)請(qǐng)求內(nèi)容)字段的內(nèi)容確認(rèn)沒有匹配數(shù)據(jù)。洪泛查詢包的傳感器節(jié)點(diǎn)修改查詢包中的SourceNodeID(發(fā)送節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí))和MnHopT

8、oSink(距離Sink最小跳數(shù))字段，然后將查詢包發(fā)送到它的相鄰節(jié)點(diǎn)。 在查詢洪泛過程中，算法需要解決洪泛的信息爆炸問題，解決的辦法是每一個(gè)收到查詢包的傳感器節(jié)點(diǎn)，將查詢包中的HopCount(跳點(diǎn)計(jì)數(shù)器)字段中的值減1，當(dāng)其值為0時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)丟棄該包。在查詢洪泛時(shí)，還要解決信息重疊問題，即當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到重復(fù)的查詢包時(shí)，應(yīng)丟棄該包，解決的辦法是在節(jié)點(diǎn)中維持一個(gè)QueryBuffer(查詢緩沖)，每個(gè)查詢包中都包含有該次查詢的編號(hào)，利用這兩個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以確定該查詢是否己經(jīng)接收、響應(yīng)或轉(zhuǎn)發(fā)過。 (2)路由建立 建立數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)到Sink節(jié)點(diǎn)的最佳路由，是MHRA路由算法的核心問題。最佳路由的建立是通

9、過洪泛查詢包的過程中完成的。在特定的網(wǎng)絡(luò)拓樸和節(jié)點(diǎn)密度環(huán)境下，一個(gè)數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)到Sink節(jié)點(diǎn)會(huì)有存在很多可以交付數(shù)據(jù)的路徑。 為了建立最佳路由，傳感器節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個(gè)MinHopBuffer(最小跳數(shù)相鄰節(jié)點(diǎn)緩沖)，初始時(shí)，該緩沖中的最小跳數(shù)字段為一個(gè)極大值或無窮大，上一跳節(jié)點(diǎn)字段為空。每一個(gè)收到查詢包的節(jié)點(diǎn)，如果滿足洪泛該查詢包的條件，則修改查詢包中的SourceNodeID和MinHopToSink字段，然后向相鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送該查詢包。它的相鄰節(jié)點(diǎn)在接收到這個(gè)查詢包后，會(huì)檢查MinHopToSink字段，并與MinHopBuffer中的Minhop(最小跳數(shù))字段進(jìn)行比較，如果查詢包中的MinHop

10、ToSink字段的值小于MinHopBuffer中MitiHop字段的值，則將查詢包中的SourceNodeID和MinHopToSink兩個(gè)字段內(nèi)容記錄在MinHopBuffer的PrepNodeID和MinHop字段，并修改查詢包中的SourceNodeID為自己的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)，修改查詢包中的MinHopTo$ink字段為最小跳數(shù)相鄰節(jié)點(diǎn)緩沖中的MinHop字段值加1。 根據(jù)上面的描述，MHRA路由算法確定最佳路徑的標(biāo)準(zhǔn)是跳點(diǎn)數(shù)最短的路徑，顯然，可能在數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)到Sink節(jié)點(diǎn)之間存在著多條跳點(diǎn)數(shù)相同且最短的路徑，這些路徑可能交叉也可能互不交叉。如果只選擇其中一條路徑作為感知數(shù)據(jù)交付路徑，由于傳

11、感器網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性強(qiáng)，因?yàn)閭鞲衅鞴?jié)點(diǎn)的不斷移動(dòng)和節(jié)點(diǎn)的能量損耗，路徑可能在感知數(shù)據(jù)返回前成為失敗路徑。為了保證路由算法的健壯性，可能考慮在增加傳感器節(jié)點(diǎn)最小跳數(shù)節(jié)點(diǎn)緩沖的緩沖深度，形成健壯的多路徑交付。 2.1.2 感知數(shù)據(jù)交付階段 感知數(shù)據(jù)交付階段的主要任務(wù)是將匹配數(shù)據(jù)請(qǐng)求的感知數(shù)據(jù)沿著感知任務(wù)交付階段建立的路由交付給Sink節(jié)點(diǎn)，如果是多路徑交付，在感知數(shù)據(jù)交付階段還要通過數(shù)據(jù)融合消除冗余的匹配感知數(shù)據(jù)，以減少通信量，降低通信能量消耗。 當(dāng)收到查詢包的傳感器節(jié)點(diǎn)有Sink節(jié)點(diǎn)需要的感知數(shù)據(jù)時(shí)，進(jìn)入感知數(shù)據(jù)交付階段，這時(shí)傳感器節(jié)點(diǎn)不再洪泛查詢包，并利用感知任務(wù)交付階段建立的路由信息，即數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)緩沖中記錄的MinHop和PrepNodeID，將感知數(shù)據(jù)返回給其返回Sink節(jié)點(diǎn)路徑的上一跳節(jié)點(diǎn)，使感知數(shù)據(jù)沿著該路徑返回Sink節(jié)點(diǎn)。 如果在感知任務(wù)交付階段建立的是一個(gè)多路徑交付的路由，如果這是一個(gè)交叉多路徑，在路徑交叉的節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)融合，消除冗余數(shù)據(jù)。根據(jù)前面的假設(shè)，對(duì)于同一個(gè)查詢來說，可能存在多