面向智慧園區(qū)的WSN路由優(yōu)化算法
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丁偉1，李樹泉2，李思維3，唐良瑞1，孫丹丹3
（1．華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102206；2．國家電網(wǎng)公司客戶服務(wù)中心，天津300012；3．北京國電通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司，北京100070)
摘要：為解決智慧園區(qū)中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)的能耗不均衡問題，構(gòu)建了路由代價(jià)函數(shù)，并提出了一種新的能耗均衡路由算法。該算法結(jié)合智慧園區(qū)中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，綜合考慮節(jié)點(diǎn)地理位置和剩余能量米構(gòu)建路由代價(jià)函數(shù)。傳感器節(jié)點(diǎn)通過選擇其鄰居節(jié)點(diǎn)中路由代價(jià)最小的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。仿真結(jié)果表明，該算法可以有效節(jié)約網(wǎng)絡(luò)能耗，同時(shí)延長了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。
關(guān)鍵詞：智慧園區(qū)；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；路由代價(jià)；網(wǎng)絡(luò)生命周期
中圖分類號：TN 915.853 doi: 10.11959/j.issn.1000-0801.2016070
1 引言
隨著國家電網(wǎng)公司提出將國家電網(wǎng)公司客戶服務(wù)中心（以下簡稱國網(wǎng)客服中心）南北園區(qū)建設(shè)為“國家電網(wǎng)能源技術(shù)與服務(wù)創(chuàng)新同區(qū)”的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對園區(qū)各種信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測，廣泛集成能量、環(huán)境等信息變得刻不容緩。在這種情況下，以低功耗、低成本為優(yōu)勢的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)( wireless sensor network，WSN)作為其他組網(wǎng)方式的有效補(bǔ)充，逐漸獲得了廣泛應(yīng)用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由多個(gè)采集節(jié)點(diǎn)和匯聚( sink)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的自組織網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而通過多跳轉(zhuǎn)發(fā)的方式將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到sink節(jié)點(diǎn)，由sink節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)向上傳送和數(shù)據(jù)存儲。而路由算法是WSN網(wǎng)絡(luò)層的核心，它直接決定數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的路徑，從而直接影響網(wǎng)絡(luò)的功耗。因此，對智慧園區(qū)中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由問題進(jìn)行研究是十分必要的。
由于傳感器節(jié)點(diǎn)主要依靠電池供電，節(jié)點(diǎn)能量受限，因此需要充分實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)能耗的有效性。最小能耗（mlmmum energy consumption，MEC）路由單純追求節(jié)點(diǎn)傳輸能耗的有效性，但常常導(dǎo)致處于最小能耗路徑上的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)重，能量消耗過快而過早死亡，最終引起網(wǎng)絡(luò)癱瘓。為了實(shí)現(xiàn)能耗的均衡性，在進(jìn)行路由選擇時(shí)必須充分考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量因素。但是，過多選擇剩余能量較多的節(jié)點(diǎn)作為下一跳會導(dǎo)致數(shù)據(jù)分組的傳輸路徑過長，不能充分實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)能量的有效性。因此，在進(jìn)行路由算法設(shè)計(jì)時(shí)，兼顧網(wǎng)絡(luò)能耗的有效性和均衡性，是目前主要的研究方向。ECBR算法綜合考慮下兩跳節(jié)點(diǎn)的信息，構(gòu)建了一種新的能量代價(jià)函數(shù)，較好地實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)能耗的有效性和均衡性；ELACO路由算法綜合考慮了節(jié)點(diǎn)的能量和地
理位置信息，進(jìn)而智能地搜索從source節(jié)點(diǎn)到sink節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)路徑，因而有效地延長了網(wǎng)絡(luò)的生命周期，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)能量的均衡消耗；UCPC算法采取如下策略：將網(wǎng)絡(luò)分成不均勻的虛擬塊，并且在簇頭路由時(shí)考慮節(jié)點(diǎn)位置和剩余能量的影響，構(gòu)建基于節(jié)點(diǎn)位置和剩余能量的隸屬度函數(shù)，并將二者進(jìn)行融合判決，并根據(jù)最大隸屬度原則選擇父節(jié)點(diǎn)，優(yōu)化路由選擇。EETMO算法以節(jié)點(diǎn)剩余能量和節(jié)點(diǎn)到基站的距離兩個(gè)特征參量建立隸屬度函數(shù)，利用三角模融合算子進(jìn)行判決。UCRA算法是一種基于權(quán)值機(jī)制的非均勻分簇路由算法，其采用基于權(quán)值的局部競選簇首策略，改善了熱區(qū)問題，有效均衡了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗，延長了網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。MECT算法基于最小能耗樹，并在構(gòu)造樹的過程中考慮到節(jié)點(diǎn)的剩余能量，在減少能耗的同時(shí)保證了能耗均衡。但以上算法或計(jì)算復(fù)雜度較大，或更多關(guān)注節(jié)點(diǎn)能耗的均衡性，并不適合應(yīng)用于智慧園區(qū)中的WSN。
基于以上分析，針對智慧園區(qū)中WSN的特點(diǎn)，本文提出一種基于路由代價(jià)的WSN路由優(yōu)化算法(optimizedrouting algorithm based on routing cost，RCOR)。該算法綜合考慮節(jié)點(diǎn)的地理位置信息和剩余能量，構(gòu)建節(jié)點(diǎn)的路由代價(jià)函數(shù)。傳感器節(jié)點(diǎn)通過計(jì)算其鄰居節(jié)點(diǎn)的路由代價(jià)，進(jìn)而選取路由代價(jià)最小的鄰居節(jié)點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。仿真結(jié)果表明，該算法有效節(jié)約了網(wǎng)絡(luò)能耗，同時(shí)延長了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。
2 系統(tǒng)模型與定義
2.1 網(wǎng)絡(luò)模型
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用于南北園區(qū)內(nèi)各種信息的監(jiān)測采集，將各種信息采集終端視為傳感器網(wǎng)絡(luò)的普通節(jié)點(diǎn)，將就地控制中心視為sink節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)中大量的普通節(jié)點(diǎn)和sink節(jié)點(diǎn)則構(gòu)成了智慧園區(qū)的信息采集網(wǎng)。
本文所研究的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)均假設(shè)具有以下特點(diǎn)：
·某個(gè)區(qū)域內(nèi)隨機(jī)部署了多個(gè)完全相同的傳感器節(jié) 點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有功率控制能力，并調(diào)節(jié)至某一固定發(fā)送半徑R;
·唯一的sink節(jié)點(diǎn)部署在固定位置，且能量不受限制：
·所有的傳感器節(jié)點(diǎn)初始能量有限且相同，并且能實(shí)時(shí)獲取自己的剩余能量：
·每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)可通過接收信號的強(qiáng)度估算自己到相鄰節(jié)點(diǎn)的距離。
2.2能耗模型
本文采用如下的無線通信能量消耗模型，當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)在傳輸f bit數(shù)據(jù)且傳送距離為d時(shí)，發(fā)送端所消耗的能量為：
該節(jié)點(diǎn)集包含了與節(jié)點(diǎn)i直接通信的所有鄰居節(jié)點(diǎn)，而且排除了節(jié)點(diǎn)i后向傳輸?shù)目赡�，從而保證了不會有環(huán)路出現(xiàn)。
3路由代價(jià)
在進(jìn)行WSN路由算法設(shè)計(jì)時(shí)，只關(guān)注節(jié)點(diǎn)能耗的有效性，極易導(dǎo)致最小能耗路徑上的節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生擁塞，進(jìn)而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)生命周期降低。反之，只追求節(jié)點(diǎn)能量的均衡消耗，將導(dǎo)致數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)路徑過長，降低節(jié)點(diǎn)能耗的有效性。因此，為節(jié)約網(wǎng)絡(luò)能耗并實(shí)現(xiàn)能耗的均衡性，必須合理匹配節(jié)點(diǎn)能耗的有效性和均衡性。基于以上需求，本文提出了前向傳輸節(jié)點(diǎn)這一概念，并在該條件下定義了一種新的路由代價(jià)函數(shù)，綜合考慮了節(jié)點(diǎn)位置和剩余能量兩個(gè)因素，從而保證了能量的高效利用，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能耗的均衡。
3.1 節(jié)點(diǎn)靠近最短路徑程度
考慮節(jié)點(diǎn)傳輸范圍有限等原因，大多數(shù)節(jié)點(diǎn)通常不能 直接與sink節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，而需要依靠其余節(jié)點(diǎn)采用多跳轉(zhuǎn)發(fā)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。為此，從降低節(jié)點(diǎn)能耗的角度出發(fā)，建立數(shù)據(jù)分組在WSN中的發(fā)送路徑，保證了當(dāng)前節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組給下一跳節(jié)點(diǎn)時(shí)所消耗的能量較少。
由最小能耗模型知，如果數(shù)據(jù)分組的每一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)都在源節(jié)點(diǎn)到sink節(jié)點(diǎn)的連線上，則數(shù)據(jù)分組在傳輸過程中消耗的總能量最少。然而實(shí)際上各節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)并不都是在該連線上，因此節(jié)點(diǎn)靠近最短路徑的程度可作為衡量節(jié)點(diǎn)能耗的重要指標(biāo)。節(jié)點(diǎn)位置示意如圖1所示，源節(jié)點(diǎn)i的數(shù)據(jù)分組要想到達(dá)sink節(jié)點(diǎn)，需要被轉(zhuǎn)發(fā)至i的鄰居節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)靠近最短路徑程度的定義如下：
3.2前進(jìn)距離
在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)分組在向前傳輸時(shí)始終是向sink節(jié)點(diǎn)靠近的，也即每一跳向sink節(jié)點(diǎn)靠近的距離越大，越有利于節(jié)約網(wǎng)絡(luò)能耗。由于各節(jié)點(diǎn)到sink節(jié)點(diǎn)距離大不相同，因此需對其進(jìn)行統(tǒng)一處理，進(jìn)而在進(jìn)行下一跳節(jié)點(diǎn)的選擇時(shí)，定義數(shù)據(jù)分組的前進(jìn)距離如下：
由式(6)可知，節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)分組單跳前進(jìn)距離越大，越有利于降低網(wǎng)絡(luò)能耗。
3.3節(jié)點(diǎn)剩余能量
在式(5)和式(6)的作用下，數(shù)據(jù)分組總是沿著能耗近似最小的路徑進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，這會導(dǎo)致處于轉(zhuǎn)發(fā)路徑上的某些節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)過重，節(jié)點(diǎn)能量消耗過快，甚至節(jié)點(diǎn)死亡。為此，本文從能量均衡的角度出發(fā)，基于節(jié)點(diǎn)剩余能量構(gòu)建節(jié)點(diǎn)剩余能量函數(shù)，以均衡網(wǎng)絡(luò)的能耗，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能耗的均衡性。
根據(jù)式(7)，節(jié)點(diǎn)j的剩余能量越多，其被選作下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的可能性越大，越有助于均衡網(wǎng)絡(luò)的能耗，據(jù)此可以為節(jié)點(diǎn)i進(jìn)行路由選擇提供依據(jù)。
3.4路由代價(jià)函數(shù)
式(5)和式(6)從降低傳輸能耗的角度出發(fā)，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)越靠近最短路徑，數(shù)據(jù)分組單跳前進(jìn)距離越大，到下一跳可選節(jié)點(diǎn)傳輸能耗越低，說明其越適合承擔(dān)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。式(7)從均衡網(wǎng)絡(luò)能耗的角度出發(fā)，考慮轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的剩余能量，其更直接地反映了該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的能力，可以直接用來選擇下一跳節(jié)點(diǎn)。為此，合理地將以上3個(gè)因素進(jìn)行融合，可作為數(shù)據(jù)分組路由的依據(jù)。為此定義如下的路由代價(jià)函數(shù)：
由式(8)可知，路由代價(jià)不僅保證數(shù)據(jù)分組選擇鄰居節(jié)點(diǎn)中向sink節(jié)點(diǎn)最短路徑方向上的節(jié)點(diǎn)作為下一跳，而且保證在避免路由回傳、環(huán)路的情況下繞過低能量節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，既有效地節(jié)約了網(wǎng)絡(luò)能量，又充分實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)能耗的均衡性。
4算法實(shí)現(xiàn)
面向智慧園區(qū)的WSN路由優(yōu)化算法主要包括以下幾個(gè)步驟。
(1)鄰居發(fā)現(xiàn)：在網(wǎng)絡(luò)初始階段，所有傳感器節(jié)點(diǎn)首先估算自身到sink節(jié)點(diǎn)的距離，然后傳感器節(jié)點(diǎn)以最大通信半徑R為通信半徑，確定其鄰居節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而根據(jù)式(4)確定前向鄰居節(jié)點(diǎn)。
(2)能量代價(jià)計(jì)算：基于鄰居節(jié)點(diǎn)信息表（包括節(jié)點(diǎn)的前進(jìn)距離、節(jié)點(diǎn)靠近最短路徑程度、節(jié)點(diǎn)的剩余能量），根據(jù)式(8)計(jì)算每個(gè)前向鄰居節(jié)點(diǎn)的路由代價(jià)。
(3)路由選擇：當(dāng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，若sink節(jié)點(diǎn)位于轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的通信半徑范圍外，則選擇前向鄰居節(jié)點(diǎn)中路由代價(jià)最小的節(jié)點(diǎn)作為下一跳；若sink節(jié)點(diǎn)位于節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)范圍內(nèi)，則直接將數(shù)據(jù)發(fā)送給sink節(jié)點(diǎn)。
由本文的路由算法可知，傳感器節(jié)點(diǎn)無需掌握整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與狀態(tài)參數(shù)，僅需要鄰居節(jié)點(diǎn)的信息即可做出路由決策，路由算法具有較小的實(shí)現(xiàn)開銷和更好的可擴(kuò)展性，適用于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)。
5仿真實(shí)驗(yàn)
為了驗(yàn)證算法的有效性，本文采用MATLAB對RCOR算法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)仿真，同時(shí)將RCOR算法與最小能耗(MEC)路由算法和最大剩余能量(MREBR)算法進(jìn)行了對比。仿真中，節(jié)點(diǎn)隨機(jī)均勻分布在正方形區(qū)域中，所有節(jié)點(diǎn)一旦放置就不再移動。仿真參數(shù)設(shè)置見表1。
表2是不同節(jié)點(diǎn)死亡率下3種算法所經(jīng)過輪數(shù)的對比情況。可以看出，RCOR算法在不同節(jié)點(diǎn)死亡率的情況下，其運(yùn)行的輪數(shù)都高于另外2種算法，有效地延長了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。這是因?yàn)镸EC算法只考慮從源節(jié)點(diǎn)構(gòu)建到sink節(jié)點(diǎn)的最短路徑，導(dǎo)致某些節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)重，能量消耗過快，節(jié)點(diǎn)過早死亡，因而經(jīng)過輪數(shù)最短。MREBR算法只是單純考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量因素進(jìn)行路由選擇，導(dǎo)致路由路徑過長，因此其經(jīng)過的輪數(shù)較長。RCOR算法綜合考慮節(jié)點(diǎn)位置和剩余能量，有效地實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)能耗有效性和均衡性的結(jié)合，因此其網(wǎng)絡(luò)生命周期最長。
圖2為MEC、RCOR和MREBR 3種算法節(jié)點(diǎn)的端到端平均能耗隨網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的變化情況對比。不難看出，MEC算法的端到端平均能耗在不同節(jié)點(diǎn)數(shù)量下始終最低。MREBR算法因單純考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量以均衡網(wǎng)絡(luò)的能耗，故其路由路徑較長，最終導(dǎo)致其端到端平均能耗最高。而本文算法實(shí)現(xiàn)了能耗有效性和均衡性的平衡，故端到端平均能耗介于MEC算法和MREBR算法之間。
圖3對網(wǎng)絡(luò)中最開始有節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)傳感器節(jié)點(diǎn)的平均剩余能量進(jìn)行了對比。由圖3可知．MEC算法平均剩余能量最高，RCOR算法次之，而MREBR算法最低。這是因?yàn)镸REBR算法以節(jié)點(diǎn)剩余能量最多為依據(jù)來確定轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，以均衡網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，故其平均剩余能量最低。而RCOR算法除了考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量外，還將節(jié)點(diǎn)位置考慮在內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)能耗有效性和均衡性的結(jié)合，故性能次優(yōu)。MEC算法只考慮建立最短路徑，使得最短路徑上的節(jié)點(diǎn)過早死亡，因此其平均剩余能量指標(biāo)最高。
6 結(jié)束語
結(jié)合智慧園區(qū)中WSN的特點(diǎn)，針對現(xiàn)有路由算法的不足，提出了一種新的基于路由代價(jià)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法。該算法以降低和均衡網(wǎng)絡(luò)能耗為目標(biāo)，綜合考慮節(jié)點(diǎn)地理位置和剩余能量，并構(gòu)建了路南代價(jià)函數(shù)。傳感器節(jié)點(diǎn)依據(jù)路由代價(jià)最小原則，從前向鄰居節(jié)點(diǎn)中選擇下一跳節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。仿真結(jié)果表明，該路由算法能夠有效節(jié)約網(wǎng)絡(luò)的能耗，延長網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。
