Improvement of Routing Protocol of Wireless Sensor Networks

Based on Power Control

陳雪冬　陳碩紅

(中物院電子工程研究所，四川 綿陽　621000)

無線傳感器網(wǎng)絡功率控制的路由協(xié)議改進

Improvement of Routing Protocol of Wireless Sensor Networks

Based on Power Control

陳雪冬陳碩紅

(中物院電子工程研究所，四川 綿陽621000)

摘要：路由技術是傳感器網(wǎng)絡的核心技術之一。針對無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點能量有限、節(jié)能至關重要的特點，提出基于功率控制的無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議。結合自由空間傳播損耗模型和雙徑傳播模型，導出了節(jié)點最優(yōu)發(fā)送功率。考慮網(wǎng)絡層路由選擇與物理層功率控制，在AODV協(xié)議幀中附加了一個字段，即在路由請求與回答報文中加入了最優(yōu)發(fā)送功率。仿真結果表明，在保證低延遲和高吞吐量的前提下，該方法降低了網(wǎng)絡能量消耗，延長了網(wǎng)絡生存時間。

第一作者陳雪冬(1967-)，男，1997年畢業(yè)于電子科技大學自動控制專業(yè)，獲碩士學位，副研究員；主要從事傳感器技術研究。

關鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)絡性能功率控制AODV 路由協(xié)議最優(yōu)發(fā)送功率

Abstract：Routing technology is one of the core technologies of wireless sensor network. Due to the energy of the node is limited, and energy saving is significant, the wireless sensor network routing protocol based on power control is proposed. By combining the free space propagation loss model with the dual path propagation model, the calculation formula for optimal transmit power is derived. Considering the routing selection in network layer and the power control in physical layer, one field is added in AODV protocol frame, i.e., the optimal transmit power is added between routing request and reply message. The results of simulation show that in ensuring the promise of low latency and high throughput, the proposed method reduces the network energy consumption, prolongs the survival time of network.

Keywords：Wireless sensor networkNetwork performancePower controlAODV routing protocolOptimal transmission power

0引言

在無線傳感器網(wǎng)絡研究技術中，減少能量消耗，延長網(wǎng)絡生存時間是重要研究課題。目前采用功率控制協(xié)議[1-2]或采用族功率(cluster power)協(xié)議[3]的主要思想是控制發(fā)送功率。跨層設計可以實現(xiàn)不同層之間信息的共享[4-6]，減小層間通信與開銷。利用無線傳輸中多跳節(jié)能特征，構造節(jié)點有效功率拓撲結構，從而建立高效能量路徑[7-9]。改進AODV協(xié)議[10]，聯(lián)合鏈路層和路由層共同為節(jié)點和數(shù)據(jù)包選擇最優(yōu)發(fā)送功率，從而節(jié)省網(wǎng)絡能耗。本文基于AODV[9]協(xié)議進行跨層功率控制研究，在網(wǎng)絡層依據(jù)能量相關度量構造路由表，在物理層依據(jù)路由表動態(tài)調整發(fā)送功率，從而達到降低節(jié)點能量消耗、延長網(wǎng)絡生命周期的目的。

1最優(yōu)發(fā)送功率

在無線傳感器網(wǎng)絡中，信號接收功率的衰減與傳輸距離呈冪函數(shù)關系，且與傳播模型相關。使用傳播模型預測接收端所收到的信號強度，從而判斷傳送的數(shù)據(jù)能否成功被接收。在研究中，往往會選擇使用傳輸模型估計接收端所收到的信號強度，從而判斷傳送的數(shù)據(jù)能否成功被接收。

根據(jù)傳送端和接收端之間干擾情況的不同，存在幾種常用的傳輸模型。常用傳播模型分為自由空間模型、雙徑傳播模型和陰影模型三種[10]。自由空間模型是最理想的模型，只考慮從傳送端到接收端直線距離的路徑損耗。雙徑傳播模型是自由空間模型的改進，除了考慮傳送端到接收端直線距離的路徑損耗外，還考慮了地面反射因素。當收發(fā)節(jié)點間距離小于距離閾值時，傳播模型等同于自由空間模型。當收發(fā)節(jié)點間距大于距離閾值時，采用雙徑傳播模型。陰影模型是最復雜的模型，不僅考慮節(jié)點間直線距離路徑損耗和地面反射因素，而且考慮了傳送端和接收端之間有障礙物時對傳送信號的影響。雙徑傳播模型是最逼近真實環(huán)境的模型，本文采用該模型。

節(jié)點的傳輸功率決定著能量的消耗水平。當傳輸功率較大時，會產(chǎn)生額外的消耗；當傳輸功率較小時，節(jié)點之間無法實現(xiàn)通信。由此可見，在滿足節(jié)點可以正常通信的前提下，設置最優(yōu)功率作為節(jié)點傳輸功率，可以有效降低節(jié)點能量消耗，改善網(wǎng)絡性能。因此首先通過功率控制策略，對AODV協(xié)議中節(jié)點的發(fā)送功率進行動態(tài)調整。

雙徑傳播模型發(fā)送功率為：

(1)

式中：Pt為節(jié)點發(fā)送功率；Pr為節(jié)點接收功率；Gt、Gr分別為發(fā)送天線和接收天線的增益，對固定的節(jié)點，這兩個值為常量；d為傳送節(jié)點到接收節(jié)點直線距離；L與傳播無關的系統(tǒng)損耗因子(L≥1)；ht、hr為兩極傳輸模型中收發(fā)兩端的天線高度；dTh為收發(fā)兩端的距離閾值，當實際通信距離小于dTh時，傳輸模型將退化為自由空間模型，用P0表示此時節(jié)點接收功率，dTh=4πhthr/λ，其中λ為無線電波波長。

當某節(jié)點向其他節(jié)點發(fā)送信息時，如果發(fā)送功率較小，會導致信息無法正常傳輸；如果發(fā)射功率太大時，會帶來不必要的能量浪費。因此選擇能夠保證節(jié)點正常通信的最優(yōu)功率傳輸數(shù)據(jù)信息，是一種增加節(jié)點生存時間的可行方案。

根據(jù)雙徑傳播模型，并結合電磁波傳播損耗，可以得到接收節(jié)點的接收功率為：

(2)

假設接收節(jié)點能夠正確檢測并解碼信號的功率門限閾值為Pth，如果接收到的信息強度大于門限閾值，則此信息會被成功接收；否則信息傳輸失敗。

接收節(jié)點想要正確檢測并接收數(shù)據(jù)包，應該滿足Pr≥Pth，從而有：

(3)

將節(jié)點最優(yōu)發(fā)射功率記作Pm，并取式(3)中的最小值，則有：

(4)

結合所取的傳播模型，得到最優(yōu)發(fā)送功率Pm為：

[2]American Journal of Bioethics依然是2016年SSCI社會科學1區(qū)的重要刊物，鑒于該刊物的學術影響力，本論文將其保留作為參照。

(5)

由上式可知，任意兩節(jié)點間的最優(yōu)發(fā)送功率Pm可由節(jié)點發(fā)送功率Pt、節(jié)點接收功率Pr以及節(jié)點接收功率閾值Pth計算得到。通過計算得到最優(yōu)功率后，將其寫入AODV協(xié)議幀參與廣播，從而確定節(jié)點之間的最優(yōu)發(fā)射功率。

2AODV協(xié)議及改進方案

2.1　AODV協(xié)議

AODV是具有代表性的按需距離矢量路由協(xié)議，只有需要相互通信的兩個節(jié)點，才會進行路由查找與維護，中間節(jié)點提供轉發(fā)業(yè)務。AODV協(xié)議假設無線鏈路是雙向的，其路由機制包括路由發(fā)現(xiàn)和路由維護兩個階段。

當源節(jié)點有數(shù)據(jù)發(fā)送且無到達目的節(jié)點的有效路由時，AODV啟動路由發(fā)現(xiàn)過程，向網(wǎng)絡廣播路由請求報文。收到路由請求報文的節(jié)點首先判斷是否收到過相同報文，如果是，則丟棄；如果不是，則根據(jù)路由請求報文中的信息建立源節(jié)點的反向路由。如果中間節(jié)點含有到達目的節(jié)點的路由，會向源節(jié)點發(fā)送路由應答報文，否則廣播該路由請求報文。當目的節(jié)點收到路由請求報文后，同樣建立反向路由并回復路由應答報文。

在路由維護階段，節(jié)點定期發(fā)送消息進行鏈路連通性管理。源節(jié)點得到鏈路中斷消息后會重啟路由發(fā)現(xiàn)過程[10]。

2.2　AODV的改進

本文采用雙徑傳播模型，依據(jù)最優(yōu)發(fā)送功率計算公式，將網(wǎng)絡層路由過程與物理層功率控制策略相結合，得到經(jīng)過改進的協(xié)議AODV協(xié)議。

傳統(tǒng)的AODV協(xié)議以“最小跳數(shù)”為參數(shù)，在源節(jié)點與目的節(jié)點之間總是選擇跳數(shù)最小的路徑傳輸數(shù)據(jù)，因此隨著網(wǎng)絡負載的增加，會引起網(wǎng)絡中一些節(jié)點過多的發(fā)送數(shù)據(jù)信息，導致最終能量急劇消耗而死亡，從而影響網(wǎng)絡性能。根據(jù)式(5)可知，在節(jié)點發(fā)送功率Pt、節(jié)點接收功率Pr以及節(jié)點接收功率閾值Pth已知的情況下，計算節(jié)點的最優(yōu)傳輸功率Pm，并自動將節(jié)點的傳輸功率調整為Pm。

首先對AODV協(xié)議幀進行擴展，在路由請求報文中添加一個字段，用于記錄當前節(jié)點的發(fā)送功率，在路由應答報文中同樣添加用于記錄計算所得的最優(yōu)發(fā)送功率字段，同時在路由表中，添加用于調整節(jié)點功率的兩項信息：分別記錄節(jié)點自己的最優(yōu)傳輸功率和其他節(jié)點的最優(yōu)傳輸功率。算法描述如下。

① 源節(jié)點有數(shù)據(jù)向目的節(jié)點發(fā)送，且沒有到達目的節(jié)點的有效路由時，啟動路由發(fā)現(xiàn)過程，向網(wǎng)絡廣播路由請求報文。與AODV協(xié)議不同，在路由請求報文數(shù)據(jù)幀中加入最優(yōu)發(fā)送功率一項并將節(jié)點最大發(fā)送功率Pt寫入，其他節(jié)點也以最大功率轉發(fā)路由請求報文包。

③ 路由回復過程中，在路由應答報文中添加最優(yōu)發(fā)送功率Pm這一項，并將計算得到的最優(yōu)發(fā)送功率寫入。

④ 源節(jié)點收到路由應答報文后，建立兩節(jié)點間路由，且以最優(yōu)發(fā)送功率Pm作為發(fā)送功率發(fā)送數(shù)據(jù)。

通過上述措施，將網(wǎng)絡層的路由過程與物理層的功率控制策略相結合，從而動態(tài)調整節(jié)點的發(fā)送功率，在保證網(wǎng)絡性能前提下，降低節(jié)點能量消耗，延長網(wǎng)絡生命周期。

3仿真與性能分析

3.1　仿真場景與參數(shù)

仿真工具采用NS2平臺，分別對AODV協(xié)議和Im-AODV協(xié)議進行仿真及性能分析。

仿真場景為300 m×300 m的正方形區(qū)域，49個節(jié)點分布其中，指定右上角節(jié)點為sink節(jié)點，如圖1所示。無線節(jié)點仿真參數(shù)如表1所示。

圖1　節(jié)點分布狀態(tài)圖

參數(shù)數(shù)值傳播模型 雙徑傳播模型帶寬 2bit/s初始能量 50J電波傳輸距離50m接收功率閾值7.69113e-08發(fā)送頻率 9.14e+08接收功率 0.395W監(jiān)聽功率 0.0W

隨機選擇5個節(jié)點為數(shù)據(jù)源節(jié)點，以恒定比特數(shù)向sink節(jié)點發(fā)送恒比特率(constants bit rate，CBR)數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包大小為512 B，每秒分別發(fā)送1、2、4、8、15個數(shù)據(jù)包，仿真時間為300 s。

在不同發(fā)送速率下分別進行5次仿真，最終數(shù)據(jù)采用5次仿真數(shù)據(jù)的平均值。

3.2　仿真結果與分析

端到端延遲與吞吐量是衡量網(wǎng)絡性能的重要指標。本文在不同CBR發(fā)送速率下，比較AODV協(xié)議與Im-AODV協(xié)議的平均端到端延遲、網(wǎng)絡吞吐量，并對兩種協(xié)議的能量消耗進行比較，分析采用功率控制對網(wǎng)絡性能帶來的提升。

在不同CBR發(fā)送速率下，兩種協(xié)議的平均端到端延遲如圖2所示。隨著數(shù)據(jù)包發(fā)送速率的增大，兩者的平均延遲都隨之增大，然而與傳統(tǒng)AODV相比，改進后的協(xié)議擁有更小的平均端到端延遲。

圖2　平均延遲曲線

不同CBR發(fā)送速率下，兩種協(xié)議的平均吞吐率曲線如圖3所示。在較小發(fā)送速率時，兩種協(xié)議吞吐量相同，在較大發(fā)送速率時，改進后的AODV協(xié)議可以增大網(wǎng)絡吞吐量，提高網(wǎng)絡性能。

圖3　平均吞吐率曲線

不同CBR發(fā)送速率下，兩種協(xié)議的能量消耗如圖4所示。隨著發(fā)送速率的增大，兩種協(xié)議的能量消耗都隨之增大。與傳統(tǒng)AODV協(xié)議相比，改進后的協(xié)議擁有更小的能量消耗，在較大發(fā)送速率下能量消耗更低。

圖4　能量消耗曲線

由此可見，改進后的協(xié)議，節(jié)點剩余能量有較大提升，可以有效延長網(wǎng)絡生命周期，達到降低能量消耗的目的。

4結束語

本文依據(jù)功率控制的思想，將網(wǎng)絡層的路由過程與物理層的功率控制相結合，對AODV協(xié)議進行改進，擴展AODV協(xié)議幀;并依據(jù)最優(yōu)發(fā)送功率，動態(tài)調整節(jié)點的功率，從而達到降低節(jié)點能耗的目的。

通過NS2仿真驗證，改進后的AODV協(xié)議，在保證網(wǎng)絡較低延遲和較高吞吐量的前提下，可以有效減小節(jié)點能量消耗，從而達到延長網(wǎng)絡生命周期的目的。

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中圖分類號：TP393

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201501018

修改稿收到日期：2014-07-15。