无线传感网数据采集路由算法研究.pdf

物联网技术 2023年/第8期 可靠传输 Reliable Transmission680 引 言随着物联网及 5G 技术的发展，无线传感网的规模日益增大，网络产生海量数据需要汇聚到云端处理，节点的能量受限成为阻碍无线传感网进一步发展的最主要的问题1。在无线传感网中，与感知数据和数据处理所需的能耗相比，数据的无线传输消耗的传感器节点能量占据更大部分。因此，设计高能效的数据汇聚方案，进而提高网络能效、延长网络寿命，是目前无线传感网面临的主要挑战。1 无线传感网概述无线传感网是当前在国际上备受关注的、多学科高度交叉的、知识高度集成的前沿热点研究领域。传感器技术、微机电系统、现代网络和无线通信等技术的进步，推动了现代无线传感网的产生和发展。无线传感网扩展了人们的信息获取能力，将客观世界的物理信息同传输网络连接在一起，在下一代网络中将为人们提供最直接、最有效、最真实的 信息2。无线传感网的体系结构通常包括传感器节点、基站节点和监控中心，如图 1 所示。图 1 无线传感网体系结构大量的传感器节点随机密集分布于整个被观测区域中，通过自组织的方式构成网络3。传感器节点在对所感知到的信息进行初步处理之后，通过路由将其传送给 Sink 节点，然后经卫星、互联网或是移动通信网络等途径到达监控中心。传感器节点通常是一个嵌入式系统，由于受到体积、价格和电源供给等因素的限制，它的处理能力、存储能力相对较弱，通信距离也很有限，通常只与自身通信范围内的相邻节点交换数据4。要访问通信范围以外的节点，必须使用多跳路由。从网络功能上看，每个传感器节点都具有信息采集和路由的双重功能，除了进行本地信息采集和数据出口外，还要存储、管理和融合其他节点转发过来的数据，同时与其他节点协作完成一些特定任务。传统的无线网络都是以传输数据、完成通信为目的的，中间节点仅负责分组数据的转发，通常中间节点具有持续的能量供给5。它们注重在高度移动的环境中通过优化路由和资源管理策略，最大化带宽利用率，同时提供高性能的服务质量。而无线传感网则是以数据为中心，以获取信息为目的，中间节点不仅要转发数据，还要进行与具体应用相关的数据处理、融合和缓存，除了少数节点可以移动外，大部分节点都是静止的；当运行在恶劣甚至危险的远程环境中时，传感器节点的电池无法补充更新。因此无线传感网的首要设计目标是高效使用能源，设计有效的策略，延长网络生命周期。能量效率的设计准则贯彻在无线传感网中硬件、软件、算法和协议等各个层面。2 数据路由能量分析模型2.1 问题描述本文重点考虑随机分布在感兴趣区域的无线传感器网无线传感网数据采集路由算法研究李晓丽（无锡南洋职业技术学院，江苏 无锡 214081）摘 要：近年来，针对无线传感网中的节点能耗问题，许多研究者已经提出了不同的路由算法进行数据采集，从而使得传感器网络寿命最大化。然而这些路由算法在平均能量耗散和网络寿命方面并非最优方案。本文在现有研究的基础上提出了两种基于最小生成树的路由方案：低功耗数据采集路由算法（PEDAP）和基于能量感知的数据采集路由算法（PEDAP-PA），并与典型的路由方案一同进行了仿真对比分析。仿真结果表明，本文的两种路由方案通过为每一个循环通信构建最小能耗路由，在性能上优于先前方法。关键词：无线传感器；数据采集；路由算法；能量感知；最小生成树；无线传输中图分类号：TP212；TN91 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2023）08-0068-04收稿日期：2022-09-18 修回日期：2022-10-14DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2023.08.0172023年/第8期 物联网技术可靠传输 Reliable Transmission69络。图2显示了一个100 m100 m的100个节点传感器网络。传感器的位置是固定的，基站优先知道所有传感器。传感器位于彼此的直接通信范围内，可以向基站发送信号和从基站接收信号。节点周期性地感测环境，并且在每一个通信周期中始终有数据要发送6。节点将从其他节点接收的数据与自己的数据进行聚合或融合，并且无论接收到多少数据包，都只生成一个数据包。图 2 100 m100 m 的 100 个随机节点传感器网络因此，本研究的核心问题在于找到一种路由方案，将从传感器节点收集的数据包传送到基站，从而最大化延长传感器网络的寿命。在某些应用中，所有节点同时运行，由于第一个节点死亡后系统质量将显著降低，因此寿命定义为第一个传感器耗尽能量之前的循环次数7。另外，在节点密集部署的情况下，由于相邻节点记录相同或相关的数据，因此在大量节点死亡之前，系统质量不会受到影响。在这种情况下，网络的寿命是直到一半节点或某些特定部分节点死亡为止所经过的时间。通常最后一个节点耗尽其所有能量的时间决定了整个传感器网络的寿命。2.2 数据路由能量分析模型为了使无线传感网数据路由能量耗散最低，以尽可能延长网络寿命，研究者曾提出诸如基于两层分簇结构的路由方案等各类算法8。当基站远离目标区域时，该算法运行良好，在这种情况下向基站发送数据的成本几乎与所有节点相同。此时无论是谁向基站发送数据，对于每一循环通信，这些算法都试图最小化每个节点消耗的能量，从而最大化节点的寿命。然而，当基站逐渐靠近目标区域时，这些算法的性能都不太理想，主要是因为他们没有考虑到向基站发送数据的确切成本，并据此做出决策。到目前为止，这些方法还没有考虑最小化系统中每个循环消耗的总能量9。为了最大化网络寿命，主要思想应该是在平衡节点之间的能量消耗的同时，使系统在一个循环通信中消耗的总能量最小化。这一算法思想可以通过计算传感器网络上的最小生成树来优化实现，其中节点之间的链路成本 Cij(k)以及节点与基站之间的链路成本 Ci(k)分别如下：CkEkEkdijij()elecamp=+22 （1）CkEkEkdiib=+()elecamp2 （2）然后，通过计算最小生成树的边缘将数据分组通过路由发送到基站。为了在节点之间实现更好的负载平衡，可以使用关于每个节点的剩余能量信息。当基站远离节点时，最先死亡的节点通常是向基站发送聚合和融合数据的节点10。因此，具有低剩余能量的节点不希望发送到基站。该节点希望通过发送到相邻节点来消耗其剩余能量，从而尝试最大化其寿命。此外，低能量节点不希望从其他节点接收许多数据包，因为接收也是高成本操作。它的倾向是只发送数据，而不从其他节点接收任何数据。为了实现这些目标，对链路成本函数进行了微小的改动，具体如下：CkEkEkdeijiji()elecamp=+22 （3）CkEkEkdeiibi=+()elecamp2 （4）式中，ei是节点 i 的剩余能量，它与电源中的最大可能能量相关（0 ei 1）。可以注意到，当前节点之间的通信成本是不对称的。根据式（3），从节点 i 向其相邻节点发送消息的成本随着节点i 的剩余能量减少而增加11。虽然这个新公式通常不会改变节点发送的相邻节点的选择，但它延迟了在生成树中包含该节点。生成树中包含的节点越晚，它接收的消息数量就越少。根据式（4），对于低能量节点，发送到基站的成本增加，从而降低了向该节点的基站发送的意愿。因此，如果最小生成树算法将每隔一定数量的循环（例如 100 次）周期性地执行，则根据当前活动的节点及其能量水平，下一个周期将找到更高效的路由方案。这就是基于能量感知的数据采集路由方案。3 数据路由算法详细设计本文假设所有节点和基站都在彼此的直接通信范围内，这意味着对于任何节点都没有最大传输距离的界限，也不考虑一个循环的时间长度。这对于不经常进行测量的应用是合理的，例如定期测量感兴趣区域的平均温度。PEDAP 算法可分为 2 个阶段：启动阶段和通信阶段。以下分别给出这 2 个阶段的算法详细设计。3.1 启动阶段PEDAP 属于集中式算法，其中基站负责计算路由信息。这是由于在系统中，某些元素是资源有限的，而一个或多个元素是功能强大的，因此需要将计算负载赋予系统中功能更强大的元素。在启动阶段，处理多个任务：一个任务是收集有关节点的信息；另一个任务是集中计算有效路线12；必须完成的最物联网技术 2023年/第8期 可靠传输 Reliable Transmission70后一项任务是向节点通知路线。（1）信息收集由于 PEDAP 协议是集中式算法，基站必须收集有关节点的一些信息，以便计算路由。最重要的信息是每个传感器节点对的传输成本。然而，收集这些数据是不可行的。在某些系统中，传感器节点的位置是预先确定的，在这种情况下，节点的位置可以通过硬件或软件加载到基站。此外，若节点配备了 GPS 定位系统，可采用询问节点位置的方法来确定。（2）有效路由计算一旦以某种方式检索到节点的位置，则使用最小生成树算法计算路由信息，其中基站是根。该算法的工作原理为：首先，在树中放置一个节点，在本例中是基站；之后，在每次迭代中，从树中的顶点到树中的非顶点选择最小加权边，并将该边添加到树中，此例中意味着树中包含的顶点将通过该边发送数据。重复这个过程，直到所有节点都添加到树中。图 3 显示了示例网络的路由路径。图 3 示例网络的路由路径然后，根据式（3）和式（4）的成本函数计算最小生成树，并根据该生成树路由数据包，实现了最小能量消耗系统。（3）通知节点完成有效路由计算后，必须将其通知回传感器节点。为了做到这一点，基站向每个节点发送关于该节点的必要信息，例如树中节点的父节点，以便访问基站；节点将在一个循环中向其父节点发送数据的时隙号。3.2 通信阶段将每一个周期划分阶段，其长度等于发送消息的时间乘以最小生成树的最大度数，阶段的数量由树的深度决定13。在第一阶段，最大深度处的所有叶节点将其数据发送给其父节点，父母在子女中采用时分多址（TDMA）方案。每个节点使用其父 CDMA（码分多址）码发送消息，以防止与同时发送到不同节点的其他节点消息发生冲突。在接下来的阶段中，该过程向上爬升一级，直到到达根基站。在预定数量的此类循环之后，所有节点停止发送数据，并打开它们的接收器以获得由基站计算的新路由路径的信息。这个数字是协议的一个重要参数。如果该数字较小，则路由路径对系统中的变化（节点死亡、剩余能量水平）更敏感。然而，如果这个数字保持较小，则建立阶段的时间将主导通信阶段。因此将循环周期设置为 100 次。协议还可以在所有节点和基站不在彼此直接通信范围内的环境中工作。在这种情况下，分布式最小生成树算法可以工作。然而，这种方法大大增加了设置成本。另一方面，如果基站仍然可以直接向所有节点发送，并且具有关于所有节点的位置信息，则在给定可见性图的情况下，可以在基站有效地计算该方案。对于本文提出的 2 种协议，路由计算算法是相同的。唯一必须改变的是成本函数。因此，在两个提议的协议之间切换只需要基站中的小变化，而不需要传感器节点中的变化。这使得协议更适合在同一传感器网络中不时执行具有不同寿命要求的不同应用。4 仿真分析为了评估算法的性能，模拟了 5 种不同的路由方案：直接传输（Direct）路由、低能量自适应聚类层次结构（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy,LEACH）路由14、传感器信息系统中的功率效率收集（Power Efficient Gathering in Sensor Information Systems,PEGASIS）路由、低功耗数据采集协议（Power Efficient Data Gathering and Aggregation Protocol,PEDAP）路由及基于能量感知的数据采集（PEDAP-PA）路由，其中后两种是本文提出的路由方案。随机生成直径为 100 m 的网络，每个网络有 100 个节点。对同一网络进行了 2 次模拟：一次是远程基站，另一次是中心基站。将基站定位到点（0，-100）。针对不同的网络大小和不同的初始能级进行了模拟，目的是确定节点死亡的时间，直到最后一个节点死亡。一旦一个节点死亡，将在模拟的其余部分将其视为死亡。对于所有算法，每 100 次循环计算一次路由信息。该参数对于实际系统性能非常重要。对于所有算法，一个较小的值会导致更好的结果15。图 4 显示了直径为 100 m 且基站远离现场的网络的所有节点死亡时间。如图 4 所示，LEACH 和直接传输的性能远远不理想，相比之下 PEGASIS 使得算法性能得到了良好的改善。然而，与 PEGASIS 相比，PEDAP-PA 进一步提高了第一个节点的寿命约 400%，同时为最后一个节点提供了几乎相同的寿命。另外，与 PEGASIS 相比，PEDAP 将最后一个节点的寿命提高了 25%，同时为第一个节点提供了几乎相同的寿命。如图 5 所示，当基站处于区域中心时，与其他协议相比，两种 PEDAP 协议都有改善，并且 PEDAP-PA 实现了比PEDAP 大约两倍的改进。因此，可以得出结论：对于基站2023年/第8期 物联网技术可靠传输 Reliable Transmission71位于区域中心的系统，PEDAP-PA 是性能最佳的算法，它为第一个节点提供了最佳寿命，同时为最后一个节点提供最佳寿命。图 4 100 m100 m 网络中节点死亡时间（基站远离区域中心）图 5 100 m100 m 网络中节点死亡时间（基站位于区域中心）5 结 语本文针对如何优化数据采集路由算法以提高无线传感网络寿命，提出了 PEDAP 和 PEDAP-PA 两种基于最小生成树的路由算法。通过仿真分析表明，本文算法性能良好。PEDAP 通过为每一循环通信构建最小能耗路由，优于先前的 LEACH 和 PEGASIS 方法，PEDAP-PA 将其进一步扩展，并尝试平衡节点之间的负载。在将负载均匀分布到节点的同时最小化系统的总能量，对系统寿命有很大影响。值得注意的是，当基站位于场地内时，我们的协议也表现良好。除直接传输外，目前还没有针对这种情况的方法。另外，仿真结果表明，基站的位置对网络寿命有很大影响，并且可以直观看到基站的数量也会影响寿命。未来可以全面研究这些参数对系统寿命的影响。参考文献1 张其远.支持网络融合的无线传感网低功耗路由协议设计与实现D.太原：中北大学，2021.2 刘泽凡.无线传感网中使用无速率码的路由算法的研究 D.合肥：中国科学技术大学，2021.3 周颖.无线传感网中高能效数据汇聚关键算法研究 D.南京：南京邮电大学，2020.4 崔忠伟.无线传感网节能分簇路由协议研究 D.贵阳：贵州大学，2020.5 谭松鹤，覃琪.无线传感网中反馈的分簇路由和网络覆盖优化路径分析 J.质量与市场，2020，40（10）：63-65.6 陶洋，王进，潘蕾娜，等.能量获取无线传感网能耗均衡分簇路由算法 J.微电子学与计算机，2019，36（10）：83-90.7 任秀丽，陈洋.无线传感网中数据传输延时优化的路由协议 J.计算机应用，2020，40（1）：196-201.8 李亚君.基于局域控制的软件定义无线传感网路由技术研究 D.北京：北京邮电大学，2019.9 王一搏.无线传感网的节点调度和路由技术研究 D.北京：北京邮电大学，2019.10 潘玉兰，刘广聪.一种能量高效的无线传感网分簇路由算法 J.计算机应用研究，2020，37（9）：2827-2830.11 卢允伟，程杰，万锦昊，等.一种移动无线传感网的移动感知数据路由算法 J.现代信息科技，2019，3（15）：172-175.12 刘洋，姜海波，王峥，等.节能感知的无线传感网接入控制与路由优化策略 J.计算机工程，2020，46（5）：230-239.13 王凯.基于划分聚类的无线传感网分簇路由算法研究 D.扬州：扬州大学，2019.14 张雅琼，张慧，林基艳.基于 K-Means 聚类的无线传感网分层路由算法研究 J.榆林学院学报，2018，28（6）：101-104.15 李新炜.基于簇状结构的无线传感网多径路由协议研究 J.计算机仿真，2018，35（3）：205-209.7 张晨光，黄兆波，范世达，等.基于嵌入式 LoRa 集成网关的温室测控系统的设计与实现 J.现代电子技术，2022，45（4）：61-67.8 中国信息通信研究院.物联网白皮书（2020 年）EB/OL.2023-08-20.http：/ 文渊博，牛澳，毛夏煜，等.基于 LoRa 的分布式火灾监测报警系统的设计与实现 J.物联网技术，2020，10（8）：18-22.10 陶智，献霞，邵慧莹，等.基于混合 LoRa 和 ZigBee 技术的校园火情监控系统设计研究 J.河南科技，2020，39（31）：9-11.作者简介：郭晓玲（1985），女，河北张家口人，硕士，讲师，主要研究领域为无线传感器网络及物联网。李 玲（1987），女，湖北恩施人，硕士，讲师，主要研究领域为嵌入式设计及计算机应用。邹 昕（2001），男，河北张家口人，本科生，研究方向为计算机科学与技术。（上接第 67页）