能量感知路由协议的改进算法

能量感知路由协议的改进算法
修龙亭、李光、梁晓
计算机学院
摘要：本文主要探讨了无线传感器网络中路由协议的设计，对无线传感器网络中的能量感知路由协议进行了分析研究，讨论了其优点以及不足，提出了带有能量门限的感知路由协议。

在该协议中，汇聚节点通过对邻居节点能量情况的探测生成能量门限，通过广播路径建立消息，利用能量门限和最少跳数方法生成路由树，并通过周期性的广播来进行路径的维护。

关键字：无线传感器网络 路由协议 汇聚节点
1、能量路由
能量路由是最早提出的传感器网络路由机制之一，它根据节点的可用能量或传输路径上的能量需求，选择数据的转发路径，节点的可用能量就是节点的当前剩余能量。

能量路由算法示意图如下：
能量路由策略主要有以下几种：
（1） 最大PA 路由：从数据源到汇聚节点的所有路径中选取节点PA 之和最大的
路径。

在上图中选择路径：源节点-F-E-汇聚节点。

（2） 最小能量消耗路由：从数据源到汇聚节点的所有路径中选取节点耗能之和
最少的路径。

（3） 最少跳数路由：选取冲数据源到汇聚节点的所有路径中跳数最少的路径。

（4） 最大最小PA 节点路由：每条路径上有多个节点，且节点的可用能量（PA ）
不同，从中选取每条路径中可用能量最小的节点表示这条路径的可用能
量。

最大最小PA节点路由策略就是选择路径可用能量最大的路径。

上述能量路由算法需要节点知道整个网络的全局信息。

由于传感器网络存在资源约束，节点只能获取局部信息，因此能量路由算法只是理想情况下的路由策略。

其中的最少跳数路由是比较容易实现的路由策略。

最少跳数路由的优点显而易见，它构建路由的过程迅速，数据传输过程中能量消耗小，然而它的缺陷是数据传送往往走单一路径，容易使路径上的节点能量耗尽，当大部分节点还处在活动状态时，个别关键节点能量耗尽，从而影响网络的连通性，限制了整个网络的生存期。

特别是初始状态时，加入各个节点的初始能量随机分布，该算法没有考虑到对初始能量较低节点的保护，从而加大了某些关键位置节点能量耗尽的可能。

2、能量多路径路由
能量多路径路协议包括路径建立，数据传播，路由维护三个过程。

路径建立过程是该协议的重点内容。

每个节点需要知道到达汇聚节点的所有下一跳节点，并计算选择每个下一跳节点传输数据的概率。

概率的选择是根据节点到汇聚节点的通信代价来计算的。

因为每个节点到达汇聚节点的路径很多，所以这个代价值是各路径的加权平均值。

能量多路径路由的主要过程描述如下：
(1)汇聚节点向邻居节点广播路径建立消息，路径建立消息中包含一个代价
域，表示发出该消息的节点到汇聚节点的代价，初始值设为0；
(2)当节点收到邻居节点转发的路径建立消息时，相对发送该消息的邻居节
点，只有当距离源节点更近，距离汇聚节点更远才转发该消息，否则丢弃。

(3)如果节点决定转发路径建立消息，需要重新计算代价值来替换原来的代
价值。

当路径建立消息从节点Ni发送到节点Nj时，该路径的通信代价为节点Ni的代价加上这两个节点的通信消耗，具体如公式所示：
其中，C N
j ，Ni 表示节点N
j
到达汇聚节点的代价，其中Metric（Nj，Ni）表示
节点Nj到节点Ni的通信能量消耗，计算公式如下：
这里e
ij
表示Nj和节点Ni直接通信的能量消耗，Ri表示节点Nj的剩余能量。

(4)节点要放弃代价太大的路径，节点Nj将节点Ni加入本地路由表FTj中的条件如公式所示：
(5)节点将为路由表中的每个下一跳节点计算选择概率，该概率与下一跳节点的代价成反比。

计算下一跳节点选择概率公式如下：
(6)节点根据路由表中没想的代价和转发概率，计算出该节点到达汇聚节点
的代价Cost（Nj）。

Cost（Nj）定义为经过路由表中节点到达汇聚节点代价的平均值，计算公式如下：
节点Nj将用Cost（Nj）值替换消息中原有的代价值，然后向邻居节点广播该路由建立消息。

在数据传输阶段，对于接收的每个分组，节点根据概率从多个下一跳节点中选择一个节点转发数据。

路由的维护是通过周期的从汇聚节点到源节点实施洪泛查询来维持所支持的路径活动性。

该算法的优点是均衡了各节点的能量消耗，从而使整个网络的能量平稳降级，最大限度的延长网络生存期。

但是它也有一定的缺陷，路径建立过程要比能量路由的代价大，因为每个节点可能要多次广播路径建立消息，而且转发数据时为了使整个网络能平稳降级，走的路径经常不是最节省能量的路径。

虽然使用了概率来减少某些节点能量耗尽的可能，但是对于那些低能量节点仍然要承担少部分的数据转发任务，从而加重了这些节点的负担，增大了低能量节点能量耗尽的可能。

能量多路径路由对能量路由做了一定的改进，数据传输不再走单一路径，从而减轻了个别关键节点的负担，延长了网络生存期，但是同能量路由相比，能量多路径路由也有一定缺陷，它的路由构建过程相对复杂，数据传输所走的路径也经常不是最佳路径。

和能量路由相似，虽然能量多路径路由构建了多条数据传输路径，减轻了个别节点的负担，但它同样没有考虑到节点初始能量随机分布的情况下对能量较低的节点的保护。

3、能量感知路由的改进思路
综合能量路由和能量多路径路由的思想和优点，通过设立能量门限将网络中的节点分为骨干节点和孤立节点。

首先将网络中的骨干节点组织成路由树，负责网络的数据传输。

汇聚节点对周围邻居节点剩余能量进行探测，利用统计出来的节点剩余能量情况，取平均值生成能量门限。

当根据能量门限判断的骨干节点数量少于总节点数量的50%时，建立骨干树采用能量最小消耗路由算法；当骨干节点的数量大于50%时，建立骨干树采用最小跳数算法。

而孤立节点的数据传输则是通过对周边邻居节点的定时探测，记录周边邻居节点的情况，根据骨干路由树上的最小PA和孤立节点到达这些点的通信代价计算选择下一跳节点的概率。

根据上述描述，骨干节点和孤立节点的表示如图所示：
其中，白色节点表示汇聚节点，蓝色表示骨干节点，红色表示孤立节点。

在数据进行传输的时候，骨干节点按照骨干节点路由树进行数据的传输，孤立节点根据保存的周围邻居节点信息和计算出的概率选择下一跳节点进行数据传输。

由于节点能量的变化，需要重新建立路由，步骤如下：
1.将能量门限、到汇聚节点的跳数、能量消耗以及路径上的最小PA包含在路径建立消息中，由汇聚节点进行洪泛广播。

2.根据剩余能量和能量门限，确定孤立节点和骨干节点，修改跳数和PA。

3.若节点为孤立节点，则进行周期性的周期邻居节点信息的探测，获得下一跳节点的信息，计算下一跳节点的概率。

概率计算的思想：
a.如果孤立节点探测周围邻居节点包含汇聚节点时，则不进行概率计算，并把汇聚节点作为该节点发送或转发数据的下一跳节点。

b.当孤立节点探测到的周围邻居节点包括骨干节点和孤立节点时，只考虑周围的骨干节点，如果有几个骨干节点处于同一条路径上，则只保留到达汇聚节点能量消耗最少的骨干节点。

c.当孤立节点路由探测到周围邻居节点全部为孤立节点时，如果这些节点中包含经过一跳可到达骨干路由树的节点，则只这部分节点进行考虑。

这样可以使数据节点尽快到达汇聚节点并减少整个网络的能量消耗。

d.当孤立节点进行路径探测获得周围邻居节点全部为孤立节点，且这些节点不能经过一跳到达骨干路由树，则根据能量多路径路由的思想来计算概率，选择下一跳节点。

由于能量门限的生成是通过汇聚节点探测周围邻居节点的能量情况生成的，因此每次进行路由维护所生成的能量门限是逐次递减的，这样能量门限才能更近似的估计网络的能量情况，从而确保每次重建路由时都能在网络中建立一颗覆盖度较高的骨干路由树，来负责网络的数据传输工作。

该协议的优点：引入能量门限，保护了低能量节点。

建立骨干路由树是吸取了能量路由的方法，建树过程耗费时间短，减少了能量的损耗，并且由于骨干路由树上的节点都是剩余能量高于能量门限的节点，从而使骨干路由树的运行有了保证。

孤立节点的通信则吸收了能量多路径路由的特点，保存了多个下一跳节点，并利用概率选择下一跳节点，使网络管理更加合理，节点能量消耗更加均衡，从而延长了整个网络正常运行的时间。

该协议的不足：
1、由于不能探测全局信息，所以能量门限的生成带有一定的局限性，可能生成的能量门限偏大或者偏小，造成算法在执行时达不到很好的效果。

2、路径在维护起来比较麻烦。