一种能量均衡的无线传感器网络协议
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【摘要】提出了一种能量均衡的无线传感器网络协议。在此协议中，用以基站为圆心一定距离为半径的环状带将目标网络覆盖区域分为三部分，靠近圆心的节点和环状带内节点采用单跳方式直接跟基站通信，环状带以外的节点采用多跳方式跟环状带内节点通信；节点保存多条到基站的最短路由，采用轮循机制选择一条路由传输数据，从而将数据传输任务均衡的分配到多条线路上；当环状带内节点的能量值达到一个阀值时修改环状带的半径和宽度，重新组网，从而将即将形成的“热区”转移到其他区域，达到延长无线传感器网络的生命周期。
【关键词】无线传感器网络；路由协议；热区问题
Research and Design of an Energy balance routing protocol for wireless sensor networks
Li fa-fei，Peng gang，Lan shen
Guilin University of Electric Technology
Abstract：This paper proposed an efficient and energy-saving routing protocol for wireless sensor networks.In the protocol，The area is divided into three parts by two concentric circles and nodes translate data by single hop and multi hop.Each sensor node stored multiple shortest routing paths and employed the round robin mechanism to select one routing path.When the energy of nodes inner two concentric circles decreased to a threshold，modify the radius and width of the two concentric circles and refresh wireless sensor networks so that shift Hot Spot to the other area，and the life of wireless sensor networks is extended.
Keywords：wireless sensor network；routing protocol；Hot Spot Problem
1.引言
无线传感器网络(wireless sensor networks，WSN)已成为国际上备受关注的前沿热点研究领域，由于无线传感器节点能量的有限及无法添加，传感器网络中节能的路由算法作为通信协议的重要组成部分，已经成为国内外的一个研究热点。
文献[1]提出了一中高效节能的无限传感器网络协议，传感器节点保存多条到基站（Base Station）的路由，采取轮循机制让数据传输任务分布在多条路由路径上，节省了某些节点能量的消耗，从而达到能量均衡的目的；但是靠近基站的圆形区域很容易成为“热区（Hot Spot）”，容易导致基站附近的节点因为能量耗尽很快的“死亡”。
在这种情况下，本文提出的改进的无线传感器路由协议，应具有一下特点：1）将无限传感器网络分层，靠近基站一定距离范围d内的节点直接与基站通信，即采用单跳通信；与基站有距离d之外的节点仍然与基站进行多跳通信；2）传感器节点保存多条到网关节点的路由，每次通信时，采用轮循机制选择一条路径，从而将数据传输的负载均衡的分配到多条路径上，达到均衡能耗的目的；3）引入能量控制机制，当与基站距离d的圆周上的节点能量消耗到一定值时，修改d的值重新组网，从而进一步均衡能量的消耗，解决“热区”问题，延长无线传感器网络的生命周期。
2.协议概述
假设节点被任意分布在某区域上，节点可以根据其所接收到的信号强弱程度计算出与发送节点的距离，d表示基站与节点的距离，Φ表示节点的剩余能量；基站BS在该区域的中心位置。本协议完成以下基本功能：1）区域内传感器节点建立一个无线传感器网络，并向最近基站传输感知到的信息；2）当传感器节点失效或者能量不足时，传感器网络能够修复路由或者重新组建到达网关的路由；3）当区域内新加入节点时，节点可以加入到传感器网络并进行数据传输；4）当与BS距离半径d的圆周上的节点的剩余能量Φ达到某一零界值时，修改d的值，重新组网。
3.路由协议
3.1 初始化路由骨干网
路由骨干网具体定义如下： 路由骨干网包括一个基站节点及多个中间节点。其中基站节点用于连接外部网络和传感器网络，基站没有父节点，可以有多个子节点；中间节点为传感器，可以有多个父节点和多个子节点。
初始状态下，基站节点已经存在，传感器节点随机分布在指定区域。路由骨干网按照如下步骤初始化：
1）网关节点广播Adv消息。
2）在预定时间段内，如果孤立节点（没有加入到路由骨干网的节点）收到此Adv消息，计算出到基站的实际距离d，d小于D-D0的孤立节点将（如图1中的节点S1）基站作为父节点，直接与基站通信，不再转发消息，记录到基站距离为0跳；d大于D+D0的孤立节点（如图1中的节点S3）丢弃此消息，仍被视为孤立节点；d大于D-D0且小于D+D0的孤立节点（如图1中的节点S2）将基站作为父节点，记录到基站的距离为1跳，并且广播Adv消息，此Adv消息包含一个以跳为单位的距离参数。
3）孤立节点查看消息中的距离参数，将距离参数最小的节点作为父节点，将父节点加入到父节点集合，记录自己到基站的距离，并将距离参数值加1然后继续广播此Adv消息；如果已经加入到骨干网的节点接收到Adv消息，则比较Adv消息中的距离参数，选择距离参数较小的节点加入到父节点集合，记录自己到基站的距离，将距离参数加1然后继续广播此Adv消息。
4）如果处于孤立状态下的节点在预定时间段内没有收到任何Adv消息，则节点继续等待下一个时间段，直到接收到Adv消息。
如图2，在初始状态下，网关广播Adv消息，S0接收到消息，将基站作为父节点；节点S1、S2、S3、S4接收到消息，将基站加入到父节点集合，置距离为1跳，并且继续转发Adv消息；S5在特定时间段内收到S1、S2、S3和S6转发来的Adv消息，比较三个消息的距离参数之后将参数距离较小的S1、S2、和S3、S4节点作为其父节点，并将将之加入到父节点集合中；S9收到S6、S7、S8发送来的消息，比较其距离参数，将S6和S7加入到父节点集合中。
3.2 新节点的加入
当一个新节点S加入到传感器网络后，它会按照以下步骤加入到路由骨干网：1）节点S向一跳之内的邻居节点广播一条Req消息；2）接收到此Req消息的节点如果已经加入到骨干网，它返回一个Res消息，此消息中包含它到网关节点的距离参数；3）节点S等待特定时间后，查看接收到的Res消息中的距离参数值，选择距离较近的节点作为自己的父节点，把父节点保存到父节点集合，记录自己到网关节点的距离参数值（即父节点到网关的距离加1）；4）节点S向其邻居节点广播Res消息，此消息的内容为节点S的距离参数值，表示节点S已经加入到骨干网。至此，新节点加入到骨干网。
3.3 节点失效处理
由于传感器节点的能量是有限的，所以当能量耗尽之后节点会变成失效节点。当传感器节点S检测到父节点F失效后，节点S将父节点从父节点集合在删除。此时，如果父节点不为空，则节点S仍在骨干网中，可以继续传输信息；如果父节点为空，那么节点S进行一下操作：1）节点S向邻居节点广播一条Req消息；2）收到此Req消息的节点如果已经加入到骨干网中，而且节点S不在它的父节点集合中，它向节点S返回一个Res消息，包括它的距离参数；3）节点S等待特定时间段后，查看接收到的Res消息的距离参数，然后选择距离较小的节点作为父节点，将父节点加入到父节点集合中，记录自己到网关节点的距离（即父节点到网关的距离加1）；4）节点S向其邻居节点广播Res消息，此消息的内容为节点S的距离参数值，表示节点S已经加入到骨干网。至此，节点失效处理过程结束。
3.4 路由过程
当节点要把感知到的数据信息传输到基站时，首先查看自己的父节点集合，采用轮循机制选择一个父节点F，将数据信息传输到节点F后，F节点查看自己的父节点集合，再用轮循机制选择一个父节点F,并向F,传输数据信息，依次类推，直到发送到网关节点为止。当环状带内节点的能量值下降到一定阀值时，修改环状带的半径和宽度，重复过程2.1，初始化路由骨干网。
4.性能分析
为了解决“热区”问题，协议采用了两种方法来均衡能量消耗。首先节点保存多个最短路由，采用轮循机制选择一条路径将数据信息传输到基站，从而将数据传输的任务均衡地分布于多条路由路径上，节省了节点的能量消耗；由于划分了环状带，环状带内的节点成为能量消耗比较多的节点，因此当环状带内节点的能量消耗到一定阀值时，减小环状带的半径，转移了热点问题，同时扩大环状带的宽度，环状带外的节点有更多的父节点可以供选择，从而把能量消耗均衡到更多路径上，进一步均衡了能量消耗，达到解决“热区”问题的目的。
参考文献
[1]王晓喃,高德民,徐江.高效节能的无线传感器网络路由协议设计与实现[J].2010.8.
[2]王平,黎峰.无线传感器网络基于梯度的分簇路由算法[C].全国计算机网络与通信学术会议论文集,2011.
[3]秦岭,胡荣强.无线传感器网络节点的有效能耗最小化策略[J].武汉理工大学学报,2010.
[4]李树华,刘振宇,李迎秋.能量自适应的无线传感器网络分簇路由协议[J].计算机工程与设计,2010.
作者简介：李发飞（1985—），男，桂林电子科技大学硕士研究生，主要从事无线传感器网络和嵌入式软件开发研究。