基于能量感知的无线传感器网络层次型路由协议

Ｋ ｅ ｒ ｓ ｗｉ ｌ ｓ ｅ ｓ ｒ ｅ ｏ ｋ ｅ ｅ ｇ － ｗａ ｅ ｒ ｕ ｉｇ ｐ ｏ ｏ ｏ ； ｅ ｅ ｇ － ｆ ｃｅ ； ｃ ｍｍ ｕ ｉａ ｉｎ ｙ ｗｏ ｄ ： ｒ ｅ ｓｓ ｎ ｏ ｔ ｒ ； ｎ ｒ ｙ ａ ｒ ； ｏ ｔ ｒ ｔ ｃ ｌ ｎ ｒ ｙ ｅ ｉｎ ｅ ｎｗ ｎ ｉ ｔ ｏ ｎｃ ｔ ｏ
Ｋ Ｎ Ｇ ． ｅ ＺＨＡＯ ｉ Ａ Ｙｉ ｍ ｉ 。 Ｌｅ ＨＵ ｉｎ 。 ＨＵＡＮＧ ｉ 。 Ｊａ ｇ ， Ｊｎ
（．Ｓ ｆ ａｅ ｃｏ ｌ ｅ ｉ ｎｖｒｉ ｆ ｒｎ ｕｉ ｄ ｓ ｏ ａｔ ｓ ｅ ｉ ０ ０ ７ ｈｎ ； １ ｏ ｗ ｒ Ｓ ｈ ｏ，Ｂ ｉｎ Ｕ ｉｅｓｙｏ ｏ ａｔ ｓ ｎ ｔ ｎｕｉ ，Ｂ ｉｎ １０ ３ ，Ｃ ｉ ｔ ｊｇ ｔ Ａｅ ｃａ Ａ ｒ ｃ ｊｇ ａ ２ Ｂ ｉｎ ｓｔｔ ｏ ｏ ｕｅ Ｔ ｃｎ ｌｇ ｄ ｐ ｌ ｍ ｏ ，Ｂ ｉｎ ０ ０ ９ ｈ ａ ． ｅ ｉｇ ｎｔｕｅ ｆ ｍｐ ｔ ｅｈ ｏｏｙａ ｐｉ ｉ ｊ Ｉ ｉ Ｃ ｒ ｎＡ ｃ ｎ ｅ ｉｇ１０ ８ ，Ｃ ｉ ） ｊ ｎ
所有 节点 数据 的汇聚 节点 。 汇聚 节点 的数据 逐层转 发和 聚合 ， 最后传 送到剩 余 能量较 大的一个 汇聚节 点一一超节 点， 由其将
数据发 送 到基站 。汇 聚节 点变迁 、 节点 变迁机 制用 于均衡 节点 能量消耗 ， 长 网络 生命周 期。ＮＳ 超 延 ２仿真 结果表 明 ， 协议 该 可 以有 效 节省 能量 ， 长 网络 生存 时间 。 延 关键 词： 线传 感 器 网络 ； 能量感知 ；路 由协 议 ；节 能；通信 无
中图法 分类号 ：Ｐ ９ Ｔ ３３
文献标识 码 ： Ａ
文章编 号 ：００ ０４２ １ １． ４— １０． ２ （０１ ２ ９７ ５ ７ ） ３ ０
Ｅｎ ｒ ｙ ａ ｒ ｉｒ ｒ ｈ ｃ ｌ ｏ ｔ ｇｐ ｏ ｏ ｏ ｏ ｒ ｌｓ ｅ ｓ ｒ ｅｗｏ ｋ ｅｇ — ｗａ ｅｈ ｅ ａ ｃ ｉａ ｕ ｉ ｒ ｔ ｃ ｌ ｒ ｒ ｎ ｆ ｗｉｅｅ ｓｓ ｎ ｏ ｔ ｒ ｎ
领 域 有 广 阔 的 应 用 前 景 “ 能 耗 是 影 响 ＷＳ 生 命 周 期 的 一 个 。 Ｎ
好 的可扩展性 ， 有利于分布式算 法的应用 ， 适合大规模部署 的
网 络 。近 年 来 ， 究 人 员 提 出 了 多 种 Ｗ Ｓ 层 次 型 路 由协 议 。 研 Ｎ
典 型 的层 次 型 路 由协 议 有 Ｌ ＡＣ ］ Ｅ Ｎｔ ＨＥ Ｄｔ Ｐ — Ｅ Ｈ￣ Ｔ Ｅ Ｓ Ｅ ６ Ｅ ， ］ ， ］ ，
选 择 簇 首 、一 跳 通 信 等 缺 陷 扩 展 性 差 ，不 适 合 大 规 模 网 络 。
ＴＥ Ｅ Ｎ采用类似 Ｌ ＡＣ Ｅ Ｈ的分 簇算法 ， 只是在数据传 送阶段对
传 感 器 设 立 了 软 、硬 两 个 阈值 以减 少 数 据 的 发 送 。 Ｈ Ｅ 分 ＥＤ
簇速度 很快 ， 产生的簇头也较 为合 理， 但要 求簇头间可 以相互 通信 ， 以保证 每个簇相 互连通 ， 限制 了簇 的规模 ， 这 要求大规
（．北京航 空航 天 大学 软 件 学 院 ，北京 １０３ ；２ 京计 算机 技 术与应 用研 究所 ，北京 １０８） １ ００７ ．北 ００９
摘 要 ： 了有 效平衡 负载 ， 为 满足 大规 模 网络 的需要 ， 出了一种基 于 能量感知 的无线 传感 器 网络层 次型路 由协议 该协议 提 基 于能量 消耗模 型 ， 据 节点 与基站 的距 离将 网络 中的节点 划分 为不 同的层 次 。每层 次 内的 节点轮 流 当选 负责收 集该层 内 根
Ａ ｓｒ ｃ： Ｔ ａ ｎ ｅ ｎｒｙｃｎｕ ｔ ｎａ ｄ ｅ ｒｅｓａ ｅ ｒ ｅｄ ｎ ｎ ｒｙａ ｒｅ ｉ ａｃ ｉ ｌｏ ｔ ｇｐｏｏ ｏ （ＨＲ ） ｂ ｔａｔ ｏｂ ｌ ｃ ｅ ｏ ｓｍｐｉ ｔａｇ－ｃｌｎｔ ｋｎｅ ， ｅｇ — ａ ｅ ｇ ｏ ｎ ｍｅ ｌ ｅ ｗｏ ａ ｅ ｗａ ｅｒ ｈｃ ｕｉ ｒｔｃｌ Ｅ Ｐ ｈｒ ａｒ ｎ
在 监 测 区 域 内大 量 的 廉 价 微 型传 感 器 节 点 组 成 ， 过 无 线 通 通 信 方 式 形 成 的 一 个 多跳 自组 织 网 络 。 其 优 点 是 监 测 精 度 高 、 容 错 性 高 、 盖 区 域 大 ， 军 事 、 疗 、 境 监 测 和 智 能探 测 等 覆 在 医 环
计 算 机 工程 与设 计 Ｃ ｍ ｕ ｒ ｎ ｉ ｅｎ ｄ ｅ ｇ ２ １， ｏ ３， ｏ ２ ９７ ｏ ｐｔ Ｅ ｇ ｅｒ ｇ ｎ Ｄ ｓ ｎ ０ １ Ｖ １ ２ Ｎ ． ３４ ｅ ｎ ｉ ａ ｉ ． １
基于能量感知的无线传感器网络层次型路 由协议
康 一梅 赵 ， 磊 胡 江 黄 ， ， 金
Ｅ ｍａｌ ｒｚｂ ｙ ｈｏｅ＠ｙ ｈ ｏｃｒ． － ｉ ａｙ ｏ ｚ ａｌｉ ａ ｏ ． ｎ ｃ ：ｃ ｏ ｎ
３ ４ ２ １， ｏ．２ Ｎｏ１ ９８ ０１ Ｖ １ ， ． ３ ２
计算机 工程 与设计 Ｃ ｍ ｕｅ ｎ ｉｅｒ ｇ ｎ ｅｉ ｏ ｐ ｔ Ｅ ｇｎｅｉ ｄ ｓ ｎ ｒ ｎａ Ｄ ｇ
关 键 指 标 。 网络 完 成 组 网 ， 信 是 ＷＳ 的 主 要 能 耗 ， 能 当 通 Ｎ 低 耗 的 Ｗ Ｓ 路 由 算 法 ， 以大 大 延 长 网络 的 生 命 周 期 。 Ｎ 可 从 网 络 拓 扑 结 构 的角 度 ，ＷＳ 路 由协 议 可 以分 为两 类 ： Ｎ 平 面 路 由协 议 和 层 次 型 路 由协 议 。 面 路 由 较 为 简 单 、 维 平 易 护 ， 有 较 好 的健 壮 性 。 平 面 路 由 没 有 中心 管 理 节 点 ， 利 具 但 不 于 临 近 节 点 的 数 据 融 合 ， 面 路 由发 现 及 路 由维 护 的 开 销 很 平 大 ， 展 性 不 好 。 次 型 路 由 协 议 又 称 分 簇 路 由 协 议 ， 用 簇 扩 层 采
收稿 日期 ：２ １ Ｏ 一５ ０ １ １ｌ；修 订 日 ：２ １— —５ － 期 ０ １ ３２ 。 ０ 作者简介 ：康 一梅 （９ ８ ，女，陕西延 安人 ，博士 ，教授 ，硕 士生导师 ，研 究方 向为无线传感 器 网络 、软件架 构设计、嵌入式软件 设计 ； １ ６ 一） 赵磊 （９ ５ ，男，山东淄博人 ， 士，研究方向为无线传感器网络、嵌入式系统： 胡江 （９ ５ ） １８ 一） 硕 １ ６ － ，男，江西鹰潭人，硕士，研 究员 ， 究方 研 向为车辆电子综合 技术 ； 黄金 （９６ ） １ ８ － ，男， 山东潍 坊人，硕士，研究方向为无线 网络、嵌入式系统 。
ｆ ｒ Ｓ ｒ ｓ ｎ ｅ ． Ｔｈ ｅ ｓ ｒ ｏ ｅ ｅｄｖ ｄ ｄｉ ｔ ｉ ｅ ｅ ｔ ｅ ｅｓ ｃ ｏ ｄ ｎ ｅｄ ｓａ ｃ ｅｗｅ ｎｔ ｅ ｏ ｅ ｄｔ ｅｂ ｓ ａｉ ｎ ｏ Ｎｓｉ ｐ ｅ ｅ ｔｄ Ｗ ｓ ｅｓ ｎ ｏ ｄ ｓ ｉ ｉ ｅ ｏｄ ｆ ｒ ｎ ｖ ｌ ａ ｃ ｒ ｉ ｇｔ ｔ ｉｔ ｅｂ ｔ ｅ ｄ ｓ ｎ ｒ ａ ｎ ｌ ｏｈ ｎ ｈ ｎ ｎ ｈ ａ ａ ｅｓ ｔ ， ｔ ｏ ｂ ｓ ｄｏ ａ ｉ ｎ ｒ ｉ ｓ ａｉ ｎ ｍｏ ｅ ． Ｎｏ ｅ ｎ ｅ ｒ ｅｅ ｔ ｄａ ｉ ｋ ｎ ｄ ｙ ｔ ｒ ｓｗｈ ｃ ｅ ｒ ｅ ｐ ｎ ｉ ｉ ｔ ｒｃ ｌ ｃｉ ｇ ｔ ｅ ａ ｅ ｎｒ ｄ ｏｅ ｅ ｇ ｄ ｓ ｉ ｔ ｄ １ ｙ ｐ ｏ ｄ ｓｉ ｏ ｅｔ ｒ ｅｓ ｌｃ ｅ ｓｓｎ ｏ ｅ ｎ ｉｈ ｂ ａ ｓ ｏ ｓｂ ｌ ｙ ｆ ｏ ｌ ｔ ｎ ｉ ａ ｂ ｕ ｒ ｉ ｏ ｅ ｎ ｈ ｄ ｔ ｆｔ ｅｏ ｈ ｒ ｏ ｅ ． Ｔ ｅｄ ｔ ｆ ｉ ｋ ｎ ｄ ｓ ｓａ ｇ ｅ ａｅ ｎ ｒ ｒ ｄ ｄｔ ｉ ｏ ｅｗｉ ｅｍｏ ｔ ｅ ｉ ｕ ｌ ｎ ｒ ｉｈ ｉ ａ ｌｄ ａ ａｏ ｈ ｔ ｅ ｄ ｓ ｎ ｈ ａ ａｏ ｎ ｏ ｅ ｇ ｒ ｇ ｔ ｄａ ｄｆ ｗａ ｅ ａｓｎ ｎ ｄ ｔ ｔ ｓ ｓｄ ａ ｅ ｇ ｗｈ ｃ ｃ ｌ ｓ ｉ ｏ ｏ ｋ ｈ ｈ ｒ ｅ ｙ ｓ ｅ ｈ ｐ ｒ ｄ ； ｕ ｅ ｄ ａ ｍｉ ａ ｔ ｔ ａ ｅｓ ｔ ． ｉ ｋｎ ｄ ｉｔ ｇａ ｄｓ ｅ ｄ ｆ ｎ ｒ ｅ ｒ ｕ ｅａ ａａ ｅ ｔ ｅ ｕ ｅ ｏ ｅ ｓ ｐ ｒ ｏ ｅ ｒ ｓ ｔ ｔ ｅｄ ｔ ｅｂ ｓ ａｉ ｎ Ｓ ｎ ｏ ｅ ｈ ｆ ｎ ｎ ｐ ｒ ｏ ｅｓ ｉ ｉ ｇａ ｅ ｓ ｄｔ ｄ ｃ ｄｂ ｌ ｃ ｓ ｎ ｎ ｔｎ ｓ ｈ ａ ｏｈ ｔ ｏ ｓ ｉ ｕ ｎ ｈｔ ｕ ｏｅ ｎ ｎ ｈ ｎ ｒ ｙｃ ｎ ｕ ｔ ． ｔ ｅｅ ｅ ｇ ｏ ｓ ｍ ｐ ｉ ｎ ＮＳ ｉ ｌｔｏ ｅ ｕ ｔ ｈ ｗ ａ ｎ ｒ ｙ ｃ ｎ ｕ ｔｏ ｅ ｕ ｅ ｎ ｅｎ ｔ ｒ ｆ ｔ ｒ ｌｎ ｅ ． ｏ ２ｓ ｍｕ ａｉ ｎ ｒ ｓ ｌ ｓ ｏ ｔ ｔ ｅ ｇ ｏ ｓ ｍｐ ｉ ｎ ｉ ｒ ｄ ｃ ｄ ａ ｄ ｔ ｅｗｏ ｋ ｌ ｅｉ ｉ ｐ ｏ ｏ ｇ ｄ ｓ ｈ ｅ ｓ ｈ ｉ ｍｅ ｓ
传 感器节点具有 以下的特征 ：
・
目前 在 对 经 典 路 由算 法 研 究 的 基 础 上 ， 出 了许 多 新 的 提 算 法 。 。文 献 【—０ 是 对 Ｌ Ａ Ｈ协 议 的 改 进 ， 要 是 在 簇 头 ８１］ Ｅ Ｃ 主 选 举 方 面 进 行 优 化 。 文 献 【１提 出 一 种 新 的 路 由机 制 。该 机 １］ 制 改 进 原 来 簇 头 选 取 概 率 随机 的 缺 陷 ，引入 了剩 余 能 量 和 局 部 节 点 密 度 因素 ，使 网络 能 耗 更 均 衡 。 为 了 提 高 无 线 传 感 器
０ 引 言
无 线 传 感 器 网 络 （ ｉ ｌ ｓ ｅｓｒ ｅ ｒｓＷ Ｓ ） 由 部 署 ｗ ｒ ｅ ｎｏ ｔ ｋ ，点进 行 层 次 划 分 ，若 干 相 邻 节 点 构 成 一 个 簇 。这 种 分 簇 结 构 把 通 信 局 限在 簇 内 ，减 少 了长 距 离 无 线 通 信 ； 据 融 合 机 制 可 以减 少 网络 中 传 输 的 数 据 量 ； 且 具 有 较 数 而
Ｇ Ｉ 等 。Ｌ ＡＣ 是 一 种 基 于 分 簇 的分 布 式 自组 织 协 议 ， ＡＳＳ Ｅ Ｈ Ｌ Ａ Ｈ算 法 随 机 选 取 簇 首 ， 非 簇 首 节 点 的数 据 传 送 到 簇 首 ＥＣ 将
节 点 ， 过 聚 合 再 由簇 首 发 送 给 基 站 。 是 Ｌ Ａ Ｈ 存 在 随 机 经 但 ＥＣ
表 示 普 通 节 点 到 基 站 的 距 离 ， 表 示 节 点 不 再 担 当汇 聚 节 点 Ｅ
模 网络必须分很多簇 ， 导致每个 节点所融合的数据很小 ， 则 从
而 浪 费 了很 多 不 必 要 的 能 量 。
的 能 量 阈值 ， 表 示节 点 不 再 担 当超 级 点 的 能 量 阈 值 ， 最 当所 有 节 点 的 能 量 均 小 于最 或 某 一 层 内 的 节 点 能 量 均 小 于Ｅ 时 ， … Ｅ 变 为 原 来 的一 半 ， 到 所 有 节 点 能 量 耗 完 。 Ｅ 直