基于定向扩散路由协议的改进

第20卷　第3期2007年3月

传感技术学报

CHIN ES E JOURNAL OF S ENSORS AND ACTUA TORS

Vol.20　No.3Mar.2007

An Improved Routing Protocol B ased on Directed Diff usion 3

S U J un 2y u

3

,Z EN G Zi 2w ei ,S H I J i a 2peng

(College of Com p uter Science and Engineering ,A nshan Universit y of Science and Technology ,A nshan L iaoning 114044,China )

Abstract :Energy for nodes is limited in wireless sensor network ,so it is necessary to make use of energy effectively by routing protocol.Based on directed diff usion ,t he paper p resent s an imp roved routing proto 2col which is named as DD_O H.By cont rolling t he diff usion of exploratory message wit h optimal hop s in f ree space model ,t he energy consumption can be more efficient.Theoretical analysis and simulation re 2sult s show t hat DD_O H achieves average energy saving.

K ey w ords :wireless sensor networks ;directed diff usion ;exploratory message ;energy consumption EEACC :7230

基于定向扩散路由协议的改进

3

苏均宇3,曾子维,石嘉鹏

(鞍山科技大学计算机科学与工程学院,辽宁鞍山114044)

基金项目:辽宁省教育厅科学技术基金资助“无线传感器网络中并发事件处理的研究”

(05L002)收稿日期:2006204230 修改日期:2006208223

摘　要:在无线传感器网络中,节点能量有限决定了路由协议需要高效利用能量.基于定向扩散协议在能量方面的不足提出一

种改进协议DD 2O H.采用自由空间模型,通过最佳跳数值控制探测数据的扩散范围,增强能量的高效利用.理论分析和仿真结果表明,与传统的定向扩散协议相比,改进的协议有效地减少了网络中节点的平均耗能,有利于延长节点和网络的工作寿命.

关键词:无线传感器网络;定向扩散;探测数据;能量消耗;中图分类号:TP393;TP212 文献标识码:A 文章编号:100421699(2007)0320673204 无线传感器网络中节点分布密集,数量庞大以及能量有限等特点,使传统网络和Ad Hoc 网络的路由协议都不适用于无线传感器网络.传统无线网络的首要设计目标是提高服务质量和高效带宽利用,其次考虑节约能量;而传感器网络的首要设计目标是能量的高效使用.因此,在传感器网络的研究过程中,许多新的路由协议得到了提出和发展.其中,Directed Diff usion (DD )[1,2]即定向扩散法就是一种经典的以数据为中心的路由协议[3].它的提出为以数据为中心的传感器网络路由设计指出了发展的主流方向,奠定了传感器网络路由设计的重要基础[4].但是,定向扩散协议仍存在一些不足.例如,周期性地进行兴趣扩散、探测数据转发导致能量开销较大.本文针对定向扩散在能耗方面的不足提出改进方案(directed diff usion based optimal hop ,DD 2O H ).利用节点到汇聚节点的最佳跳数值,控制参与转发探

测数据的邻节点的数量,理论分析和仿真结果都表明,改进算法有效地缩小了探测数据的转发范围,具有较好的路由性能.

1　定向扩散

定向扩散法是一种基于查询的路由机制[5].定向扩散中定义了兴趣和梯度两个概念.兴趣是对监测区域内感兴趣的信息的描述,用来表示查询任务.梯度一般定义为属性值和方向.属性值可以依据数据速率、功率或者地理信息确定.方向由接收节点指向发送兴趣的邻节点,引导数据扩散.

定向扩散路由机制可以分为兴趣扩散、梯度建立以及路径加强三个阶段.首先,汇聚节点(sink )根据不同应用需求定义不同的“兴趣”消息,采用洪泛的方法将兴趣广播到整个区域或部分区域内的所有传感器节点.同时,完成从数据源(source )到汇聚节

点的梯度建立.如果数据源节点发现了感兴趣的目标,就沿梯度方向发送低速率的探测数据.当汇聚节

点收到来自于不同路径的探测数据时,从其中选出一条“高效”的路径加强(高效的标准由汇聚节点决定,例如基于时间上的考虑,选择收到数据包较快的路径作为传输的路径).最后,数据源将沿着加强路径以高速率向汇聚节点传输数据.

传感器节点能量有限且一般没有补充,为了延长节点的工作时间,要求高效利用能量.然而定向扩散协议周期性洪泛兴趣、转发探测数据的操作导致能量开销较大.本文针对此点提出改进方案DD 2O H.

2　改进方案

2.1　无线能量模型

在无线传输中,发射功率的衰减随着传输距离

的增大而呈指数衰减.当发送节点和接收节点之间的距离d 小于某个值d 0时,采用自由空间模型,发射功率呈d 2衰减;否则采用多路径衰减模型,发射功率呈d 4衰减.

本文采用自由空间模型.式(1)为发射k 比特数据耗损的能量,由发射电路耗损和功率放大耗损两部分构成.E T 为发射电路的耗损能量,εf s 为自由空间信道模型下功率放大所需能量.式(2)为接收k 比特数据的能量耗损,E R 为接收电路的耗损能量.式(3)为n 个节点通信消耗能量的总和.

E TX =k ・E T +k ・εf s d 2

(d

(1)E RX =k ・E R

(2)E =ρn

i =1(E T +E R +εf s d i 2

)・

k (3)

2.2　最佳跳数

假设n 个节点放置在长为L 的直线上,汇聚节点置于直线一端.当节点等距离放置即节点间距离为

L

n

时,无线通信的能量消耗最小[6].因此当d i =L n 时,式(3)中E 值最小.将d i =L n

代入式(3)中得E (n )=kn (E T +E R )+k εf s L

2

n

.由于E (n )为最小值,则

9E

9n

=0,由此得出,长度为L 的线性网络中耗能最小化的最佳跳数值为:

n =L

εf s

E T +E R

(4)

本文选取的参数为εf s =100×

10-12J /bit/m 2,E T =50×10-9

J /bit ,E r =50×10-9

J /bit .

2.3　改进算法

假设传感器网络具有如下性质:

(1)网络中每个传感器除了具有特定的传感功能外,还有一个全球定位系统(GPS )模块,用以确定传感器的位置.

(2)网络中各节点处于静止状态.

(3)网络中各节点收发器工作特性一致,处于f ree space 空间模型中.

具体改进算法如下:

(1)在兴趣信息扩散的过程中,汇聚节点的地理信息被告知给每个传感器节点.传感器节点依据公式(4)计算该节点到达汇聚节点的最佳跳数值.

(2)当传感器节点采集到与兴趣匹配的数据时,以低速率沿梯度发送探测数据包.同时将此数据源节点的最佳跳数值放入探测数据包中.当邻居节点接收到探测数据包时,将其中携带的最佳跳数值同节点自身维护的最佳跳数值相比较.只有跳数值小于探测数据携带的跳数值的节点才允许继续转发,同时探测数据包中最佳跳数值减1.利用这个方法探测数据将沿着“正确”的方向转发到汇聚节点.

图1为改进方案的详细说明.图1(a )呈现具有一个数据源节点(S )和一个汇聚节点(sink )的拓扑图.假设汇聚节点同数据源节点之间的距离为140m ,由公式(4)可得数据源节点到达汇聚点的最佳跳数值为4.图1(b )中,在S 节点的邻节点(A 、B 和C )中,只有节点B (B 的跳数值为3<4)转发探测数据.节点A 、C 到达汇聚节点的跳数值大于或等于4,说明A 、C 不在到汇聚节点的正确方向上.依据此

方法,图1(c )、

(d )、(e )分别呈现探测数据的转发过程.从图1(e )中可以看出,网络中12个节点只有6个节点(S 、B 、M

、N 、L 、W )参与了探测数据的转发.

(

a )　初始拓扑图 (

b )　第一步

(c )　第二步 (d )　第三步

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