无线传感器网络的能量有效性网络层路由算法

1、无线传感器网络的能量有效性网络层路由算法 摘 要 本文提出了一个能量有效性的适用于无线传感器网络的网络层路由算法最小跳数路由算法(MHRA )。MHRA算法分为两个阶段；在感知任务交付阶段，节点通过洪泛感知任务建立路由；在感知数据交付阶段将感知数据沿该路由返回收发器。实验结果表明MHRA路由算法通过采用多通信工作方式、按需驱动的路由策略、使用传感器节点到Sink节点的最佳路径和次最佳路径、数据融合等方案，减少了路由的建立和维持开销，有效地实现了能量节省，实现了算法的简单性、正确性、能量有效性和健壮性。 关键词 无线传感器网络、路由协议、能量有效性、能管理策略 1 算法概述 MHRA路由算法采用

2、按需求驱动的路由策略，采用多跳路由通信模式，网络应用者通过Sink节点洪泛查询，激活一个工作节点子集，并在洪泛过程中建立路由。算法可分为两个阶段：感知任务交付和感知数据交付阶段。 在感知任务交付阶段，Sink节点向与其相邻的传感器节点发送感知任务查询包，传感器节点收到查询包后，确定自己是否有Sink节点需要的感知数据，如果没有就继续向其相邻节点洪泛查询包，在洪泛查询过程中，收到查询包的各个传感器节点根据查询包的信息确定其距离Sink最近的上一跳节点，完成路由建立。在感知任务交付阶段，由于查询包是通过洪泛传播到网络中去的，所以要解决洪泛的信息“爆炸”和“重叠”问题，以减少不必要的能量损失。路由的

3、建立是通过每次洪泛查询的过程中完成的，因此，MHRA路由算法属于反应路由策略。当收到查询包的传感器节点有Sink节点需要的感知数据时，进入感知数据交付阶段，这时传感器节点不再洪泛查询包，并利用感知任务交付阶段建立的路由信息，将感知数据返回给其距离Sink的上一跳节点，使感知数据沿着一条最佳路由返回Sink。为了解决洪泛的信息爆炸问题，Sink节点发送的查询包中，包含跳点计数器(即最大跳点数限制，根据网络尺寸、节点密度等因素确定最大跳点数)，每个收到查询包的节点将跳点计数器的值减1，如果为0则不再洪泛该查询包，同时拥有匹配感知数据的传感器节点也不再继续洪泛查询包，因此，查询包不是洪泛到整个网络，

4、MHRA路由算法只激活了一个工作节点的子集，能量消耗只集中在这个节点子集上，有效地降低了整个网络的能量损耗。另外，在感知数据交付阶段，通过采用数据融合技术，消除冗余的感知数据，虽然产生一定的数据处理的能量开销和网络延迟，但可以有效地降低通信量，降低了无线通信的能量损耗。 能量有效性的主要目的是延长网络生命期，MHRA路由算法可以通过激活一个有限的节点子集、建立传感器节点到Sink节点的最佳路径、采用多跳通信模式和数据融合技术，有效地实现能量节省。 2 MHRA路由算法的工作原理与描述 MHRA路由算法是基于多跳路由通信模式的以数据为中心的路由选择算法。MHRA算法通过在查询洪泛中建立数据源节点

5、到Sink节点间的最佳路径，并在感知数据沿着路径返回Sink节点时利用了简单的数据融合技术，有效地实现能量节省。 2.1 路由算法工作过程的两个阶段 如前文所述，MHRA路由算法的工作过程可以分为两个阶段：感知任务交付阶段和感知数据交付阶段。在感知任务交付阶段，应用者通过Sink节点向网络洪泛一个查询包，收到查询包的传感器节点利用查询包中的内容建立到Sink节点的反向路径；在感知数据交付阶段，拥有匹配数据的传感器节点通过在感知任务交付阶段建立的路径，向Sink节点返回感知数据。 2.1.1 感知任务交付阶段 感知任务交付阶段的主要任务是向洪泛查询包，并在洪泛查询包的过程中建立数据源节点到Sin

6、k节点的最佳路由。为了实现能量有效性，在感知任务交付阶段MHRA路由算法要解决的主要问题是：查询包在洪泛过程中的信息爆炸和重叠；如何通过查询包洪泛建立最佳路由。 在网络的初始阶段，所有的传感器节点处于休眠状态，网络应用者通过Sink节点向网络发送一个查询，这里的“查询”在MBA路由算法中被理解为一次数据请求，查询是对一个物理目标的物理属性进行的数据采集请求，如某个目标或对象的位置、温度等。 Sink节点首先根据应用者的数据请求内容建立查询包，设置QueryID(查询编号)；设置QueryData(数据请求内容)字段；将HopCount(跳点计数器)字段设置为MHRA路由算法要求的最大跳点数(即

7、允许的最大路径长度)：将SourceNodeID(发送节点ID)设置为Sink：将MinHopToSink(距离Sink节点最小跳数)字段设置为O。Sink节点向网络中与其相邻的传感器节点发出查询包后，进入感知任务交付阶段。 (1)查询包洪泛 传感器节点收到查询包后，如果满足以下条件则向其相邻节点转发查询包：查询包HopCount(跳点计数器)字段的值大于0；根据节点的Que行Buffer(查询缓冲一)确认该查询包没有收到或转发过：根据查询包的QueryData(数据请求内容)字段的内容确认没有匹配数据。洪泛查询包的传感器节点修改查询包中的SourceNodeID(发送节点标识)和MnHopT

8、oSink(距离Sink最小跳数)字段，然后将查询包发送到它的相邻节点。 在查询洪泛过程中，算法需要解决洪泛的信息爆炸问题，解决的办法是每一个收到查询包的传感器节点，将查询包中的HopCount(跳点计数器)字段中的值减1，当其值为0时，传感器节点丢弃该包。在查询洪泛时，还要解决信息重叠问题，即当节点收到重复的查询包时，应丢弃该包，解决的办法是在节点中维持一个QueryBuffer(查询缓冲)，每个查询包中都包含有该次查询的编号，利用这两个数据结构可以确定该查询是否己经接收、响应或转发过。 (2)路由建立 建立数据源节点到Sink节点的最佳路由，是MHRA路由算法的核心问题。最佳路由的建立是通

9、过洪泛查询包的过程中完成的。在特定的网络拓朴和节点密度环境下，一个数据源节点到Sink节点会有存在很多可以交付数据的路径。 为了建立最佳路由，传感器节点维护一个MinHopBuffer(最小跳数相邻节点缓冲)，初始时，该缓冲中的最小跳数字段为一个极大值或无穷大，上一跳节点字段为空。每一个收到查询包的节点，如果满足洪泛该查询包的条件，则修改查询包中的SourceNodeID和MinHopToSink字段，然后向相邻节点发送该查询包。它的相邻节点在接收到这个查询包后，会检查MinHopToSink字段，并与MinHopBuffer中的Minhop(最小跳数)字段进行比较，如果查询包中的MinHop

10、ToSink字段的值小于MinHopBuffer中MitiHop字段的值，则将查询包中的SourceNodeID和MinHopToSink两个字段内容记录在MinHopBuffer的PrepNodeID和MinHop字段，并修改查询包中的SourceNodeID为自己的网络标识，修改查询包中的MinHopTo$ink字段为最小跳数相邻节点缓冲中的MinHop字段值加1。 根据上面的描述，MHRA路由算法确定最佳路径的标准是跳点数最短的路径，显然，可能在数据源节点到Sink节点之间存在着多条跳点数相同且最短的路径，这些路径可能交叉也可能互不交叉。如果只选择其中一条路径作为感知数据交付路径，由于传

11、感器网络动态性强，因为传感器节点的不断移动和节点的能量损耗，路径可能在感知数据返回前成为失败路径。为了保证路由算法的健壮性，可能考虑在增加传感器节点最小跳数节点缓冲的缓冲深度，形成健壮的多路径交付。 2.1.2 感知数据交付阶段 感知数据交付阶段的主要任务是将匹配数据请求的感知数据沿着感知任务交付阶段建立的路由交付给Sink节点，如果是多路径交付，在感知数据交付阶段还要通过数据融合消除冗余的匹配感知数据，以减少通信量，降低通信能量消耗。 当收到查询包的传感器节点有Sink节点需要的感知数据时，进入感知数据交付阶段，这时传感器节点不再洪泛查询包，并利用感知任务交付阶段建立的路由信息，即数据源节点的最小跳数缓冲中记录的MinHop和PrepNodeID，将感知数据返回给其返回Sink节点路径的上一跳节点，使感知数据沿着该路径返回Sink节点。 如果在感知任务交付阶段建立的是一个多路径交付的路由，如果这是一个交叉多路径，在路径交叉的节点完成数据融合，消除冗余数据。根据前面的假设，对于同一个查询来说，可能存在多