基于路灯单灯状态监控的无线链状网络路由算法的研究

　　文章编号：1003-6199(2011)04-0085-04� 中国论文网 http://www.xzbu.com/8/view-45422.htm　　 　　� 　　 摘 要：基于路灯单灯状态监控的无线传感器网络应用，针对链状网络节点负载不均衡和网络节点能量有限的问题进行分析和研究，提出一种适合该应用的新型路由算法，这种新型路由算法根据网络节点可通过功率控制来调整通信距离的前提下，合适的数据传输路径被每个传感器节点选择，使整个网络达到能耗节省，负载均衡的目的。通过仿真验证这种新型路由算法有效地平衡了网络负载，使网络能量节省，网络生命周期提高。 　　� 　　关键词：无线传感器网络；新型路由算法；网络负载� 　　中图分类号： TP301.6 文献标识码：A 　　�� 　　Wireless 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:In this paper, based on the wireless chain network for street light single lamp state monitoring, consider the problem of limited energy and the non-balanced energy consumption in chain network, proposed a new routing algorithm which is propitious to our application. The algorithm based on the assumption that the transmission power of sensor nodes is adjustable, 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 balance energy consumption effectively and saving the total energy, prolong the lifetime of the network. 　　� 　　Key words:wireless sensor networks；new routing algorithm；network Load 　　 　　1 前 言� 　　无线传感器网络广泛地应用于以监控为目的的自组织网络。采用自组织方式来配置传感器节点，由各类传感器感知并采集覆盖网络区域中被监测对象的信息，将感知信息传送到外部网络是通过节点的协同工作以多跳的中继方式。在路灯单灯的状态监测中，我们采用链状的无线网络，每条线路都会设置基站（sink节点），在每个路灯柱上配置传感器节点，将采集到的各类数据信息传送给基站，因为该网络以链状方式组网，使路由协议的选择存在诸多问题：如果采用传统的逐级多跳的方式，因为路由路径单一，靠近基站的节点会因为频繁转发其后的节点信息而容易过早耗进能量进入“死亡”状态，产生传输死角；如果采用各个节点直接将数据传送给基站，那么离基站越远的节点会消耗更多的发送能量而产生能量耗尽。所以，采取一种尽可能优化各节点能量消耗，使整个链状网络中各节点负载趋于均衡的路由协议，它对提高系统稳定性、延长网络生命周期等都有着很重要的意义。 　　2 路灯单灯状态的能耗模型与多跳路径选择� 　　传感器节点主要由处理器模块、传感器模块和无线传输模块组成，但传感器模块和处理器模块跟无线通信模块相比能耗是非常低的，因此，这里我们讨论的能耗节省主要是指节点的无线通信能耗，根据无线网络能量传输消耗模型可知：� 　　�发送�k�位数据传输距离为r的传输能量消�耗为：�� 　　E��Tx�(k,r)=E��Tx－elec�(k)+E��Tx－amp�(k,r)� 　　 　　=E��elec�k+ε��amp�kr�α (1)� 　　接收�k�位数据的能量消耗为：� 　　E��Rx�(k)=E��Rx－elec�(k)=E��elec�k (2)� 　　E��Tx�表示发送电路所消耗的能量，E��Rx�表示接收电路所消耗的能量，E��elec�表示接收电路与发送电路每bit数据消耗的能量（该值与系统硬件相关，是常数）。ε��amp�表示系统功率放大器的能量消耗系数（与硬件相关），k表示数据的长度；r表示收发节点之间的距离，无线通信模型采用的是自由空间模型�（free space）�，α=2。� 　　 　　如图一所示，D=nr，n是等分的跳数，r是等分的距离。� 　　 　　网络节点直接与基站或簇头通信时消耗的能量为� 　　E��direct�=E��Tx�(l,d=n*r)=E��elec�*l+� 　　 ε��amp�*n�2r�2*l (3)� 　　网络节点采用逐级多跳的方式与基站或簇头通信时消耗的能量为� 　　E��multi-hop�=n*E��Tx�(l,d=r)+(n-1)*E��Rx�(l)� 　　=n*l*(E��elec�+ε��amp�*r�2)+(n-1)*E��elec�*l� 　　=1((2n-1)*E��elec�+ε��amp�*n*r�2)(4)� 　　要使单跳比多跳更节省能量，必须满足下式：� 　　E��multi-hop�＞E��direct� (5)� 　　将（3）、（4）式代入（5）式整理得：� 　　n＜2E��elec�/r�2*ε��amp�(6)� 　　在本文所讨论的路灯单灯模型中，取每个路灯的间距长度r=12 m，e��elec�=50 �nj/bi�t，ε��amp�=100� pj/bit/m��2��� 　　将以上各参数代入（6）式可得：当n≤6.94时，单跳比多跳更节省能量，即当传输距离不超过6个路灯时，选择单跳比选择多跳更节省能量。� 　　由图1可知，当n=1时，多跳即单跳，即n=1和n=6.94是单跳和多跳能耗的两个临界点。我们定义：� 　　�Δ�E=E��direct�-E��multi-hop� (7)� 　　因为�Δ�E在1＜n＜6.94区间存在极值，通过式（7）对n求导可得：� 　　�Δ�E′=2E��elec�+r�2ε��amp�-2r�2ε��amp�n (8)� 　　令�Δ�E′=0，把参数代入可得n=3.97，所以，当n取4时，单跳比多跳时节省的能量最多。� 　　在路灯的单灯监控中，每条线路作为基站（�sink�节点），每个路灯柱既作为数据源节点，也作为多跳路由传输形式的中转节点。在大多数情况下，各数据源节点、中转节点以及基站之间是等分且直线方式，这时逐级多跳比单跳的路径要长，此时单跳的能耗要相对减少。

　　3 新路由算法设计及分析 　　3.1 初始化网络� 　　�初始化网络对于路灯单灯无线网络来说意义重大，由于路灯单灯频繁的编解组，使得每次重新编组后必须对整个网络进行信息更新配置，这是传感器网络能否正常工作的重要前提。� 　　初始化的主要任务是识别各节点ID，sink向各节点发送路灯信息，任务信息等，其过程称为：� 　　1）使用各网络节点的无线定位引擎，从sink节点往后依次作为信号发射节点根据信号衰减值寻找紧邻其后的网络节点，从而依次确定整个线路的ID；� 　　2）通过洪泛算法由sink节点向各网络节点发布初始化信息。� 　　下面是LEACH算法流程图和新路由算法的流程图如图2、图3所示。3.2 数据的传输� 　　通过前面介绍无线链状网络采用简单的单跳或多跳传输数据存在能耗高、负载不均衡的弊端。常见是使用LEACH算法来改进，把传感器节点分簇，每个簇内的每一轮通过选举公式选举一个簇头节点，然后每个簇成员节点发送分组给簇头，簇头就融合接收到的分组和自己采集的数据形成新的分组再传给汇聚节点，接着下一轮再从簇内选举一个节点作为新的簇头，以此类推。簇头选举的随机性确保了簇头与汇聚节点之间数据传输的高能耗成本均匀地分摊到所有传感器节点。然而簇头会把采集到的数据重新进行融合，通过减小传送分组的大小降低发送能量消耗，从而延长了网络生命周期。但该算法的不足之处在于：� 　　 �� 　　1）簇头节点的选举开销太大；� 　　2）簇头节点选定后须通过广播的形式来通知簇内各节点，然而节点必须根据各个簇头广播的信号强度选择加入哪个簇；这增加了网络的开销；� 　　3）很难避免多个簇头节点直接发送分组到汇聚节点。在分簇路由算法中，由于簇头节点的能耗比非簇头节点的要大很多，因此节点要轮流担当这一角色来达到网络中平均能耗的结果。� 　　本文基于对LEACH算法的改进，根据路灯链状网络的特点，采用集中式分簇法，通过sink节点根据分簇算法统一分簇，并且为每一个分组确定簇头和簇内成员。� 　　假设总数为n的网络节点直线分布，并将这些节点分为若干个带状区域，根据前面无线传输能耗模型所得出的结论，设每个带状区域的长度为h(单位:m，�h等于4个路灯之间的距离)则总共分为n/4个带状区域。设每个带状区域中分布有m个节点，这m个节点就形成形成链状拓扑，算法分成两个阶段，链状拓扑传递和分簇拓扑传递。� 　　链状拓扑传递阶段：首先将整个链上的节点标号n��i=�1,2,…4，这4个点作为首簇头选择范围，其中n1是整个网络的基站节点�（sink）�，在第i（i≤4）轮选择第i个节点作为该链的首蔟头节点M。，首蔟头确定后，其后各簇的簇头N=M+4*j（j=1、2、3…），即每个簇头和其后的3个节点作为一个簇，簇内的成员将数据信息通过直接单跳的方式发送给簇头在功率控制发射范围内，并设置适当的长度时间片，当时间片用完后网络就会重新分簇，并进入到下一轮以此类推直到分组传递到头节点�为止。�� 　　分簇拓扑传递阶段：当每条链上的头节点完成数据融合之后，每条链上的头节点就形成一个新的簇。假设是到第i轮，则每条链上的第i个节点，该轮的所有头节点就形成一个新的簇，簇内成员通过数据融合后，采用逐级多跳的方式将数据发送给�sink节点。� 　　我们为每一轮设置适当的长度时间片，当时间片用完后网络就会重新分簇，进入到下一轮，以此类推直到完成4轮候后，再重新按照第一轮循环�操作。� 　　4 仿真试验结果� 　　我们使用matlab仿真工具评估该算法的性能，通过模拟一个100个节点的直线链状网络，采用的传输信道数据传输速率为250kbps，出错率是0，数据包的长度是128bit，并且每轮有20个随机节点向sink节点发送数据，所有节点的初始能量是5000个能量单位， 仿真实验结果如图4、图5所示，其中图4反映的是两种路由算法的能耗情况，图5反映的是网络中节点能量过耗的情况，当仿真假定节点的能量值低于初始值的30%时，则认定它处于低能量的状态。在图4、图5中曲线1和曲线2分别表示简单的逐级多跳算法和改进的新算法的仿真实验结果。� 　　 　　5 结 语� 　　针对路灯单灯无线链状网络的特点以及传统路由算法的不足，本文提出了一种改进的LEACH链状网络节点分簇算法，充分考虑到网络的总能量消耗和负载均衡问题，使得该算法能很好的应用到路灯链状网络应用中，由仿真结果可知，该新型路由算法在总能耗和能量均衡方面有着优良的性能。 　　参考文献� 　　［1］ 余勇昌,韦岗,武娟. WSN中负载均衡能量有效的路由算法研究［J］.通信技术2007,(11):216-219.� 　　［2］ 刘旭东．无线传感器网络上的攻击［J］．中国科技信息 , 2005,(01) :34-40.� 　　［3］ 徐晨, 周晖, 袁从明, 等．基于蚁群算法的无线传感器网络优化［J］． 苏州大学学报：自然科学版, 2007,(01)：25-27.� 　　［4］ 王娅．无线传感器网络集群路由协议的研究［J］．科技资讯．2010,(33):18-19.� 　　［5］ 朱忠芳,宋爱平,林涛. 基于ZigBee技术的单灯节能监控系统［J］.现代电子技术．2008,(21):130-132.� 　　［6］ 张艳，赵衍娟，杨眉．基于WSN技术的路灯控制系统的设计与实现［J］．东北电力大学学报．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-zhong. Energy-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 approach［J］.IEEETransactions on Mobile Computing,2004,3(04):366-379.� 　　［10］｀Akyildiz I,Su W,Sankarasubramaniam Y,et al.A Survey on Sensor Networks［J］.IEEE Communications,2002(8):102-114. 　　 　　收稿日期：2011-09-20� 　　 　　作者简介：孙凤杰(1961―），男，北京人，教授，硕士，研究方向：视频监控与图像识别(E-mail：sfj@ncepu.省略)；王 桢（1987―），男，山西永济人，硕士研究生，研究方向：视频监控与图像识别。