摘 要: 针对无线传感器网络多基站多源路由问题，提出一种基于 技术的网络模型，研究了多基站无线传感器网络中的网络能耗和网络生命期问题 创建无线传感器网络的拓扑能量和路径选择模型规定了数据包种类，并提出一种基于 技术的路由协议 仿真实验表明: 与 协议相比，该模型可以有效分担网络负载 在节点数量为 时，当基站数量从 个增加到 个，网络能量消耗 减 少，网络生命期得到提高
关键词: 无线传感器网络; 路由协议; 能量消耗
　　引 言
　　随着无线传感器网络( ， )规模的不断扩大，通常在网络中布设多个基站，在考虑路由建立之前，首先需要进行基站选择，传感器节点将数据传送至性能最优的基站是传感器网络多基站路由协议研究的主要问题 任播( ) 技术可以有效解决节点与多基站通信问题 作为一种网络通信服务模型，最初诞生于 网 络 在 中 首 次 提 出 模 型，对的描述仅仅是一个实验性的服务［］按照定义，当客户发送报文时， 组组员可以 同 时 接 收 该地址的数据包，网络尽力而为地将该报文传送到这些组员中的至少一个，且最好是一个
　　研究学者对 中的 技术进行改进，提出了一些基于 服务的 路由协议 在文献［］中，对 协议进行改进来支持 服务，当 有 数 据 需要传输时，节点使用 技术发起路由建立来寻找最收稿日期:适合的目标节点 等人提出路由协议［］， 算法思想很简单: 选择最小跳数路径将数据传送至最近的基站( ) 或不需要知道全局的网络拓扑信息，是一种分布 式 路由协议，但 总是选择跳数最小的路径，将导致该路径上的节点能耗过快，从而缩短网络生存期 随之，等 人［］提 出 了 一 种 层 次 树 路 由 协 议( ) ， 建立以 为根节点的信息树，传感器节点根据信息树将数据传送到 等人也给出类似思想［］: 基于通信树的无线传感器( 制动器) 网 络路由协 议( ) 用于解决路由查询传播问题 和其本质和 一样都是选择最小跳数路径，同样存在能量消耗不均衡的问题 () 协议［］是第一个提出数据聚合的层次路由 协 议 为平衡网络各节点的能耗，簇 头 周 期 性通过随机选举产生但该协议仍采用一跳通信，虽然传输第 期 李魁峰，等: 基于 的无线传感器网络模型时延小，但要求离基站较远的节点采用大功率通信会导致生存时间较短，扩展性差，而且频繁簇头选举引发的通信量耗费了大量能量
　　本文将 通信模型的思想应用到无线传感器网络中，所提的模式与当前存在的算法也有所不同，基站根据路径代价模型建立 树，数据沿着树形结构被转发至最近的一个目标节点，而不是在 协议中，节点根据 地址发送到指定的 组中，本文不需要支持 协议的运行
　　系统模型
　　网络可以被抽象为一个无向图 ( ，) ，其中，表示网络中传感器节点和基站的集合，节点可以与基站经一跳或多跳连通，表示链路集合 记节点 的邻居节点集合为 ，可以与 内的任意节点直接通信 大量的传感器节点和多个 节点随机分布在监测区域，源节点将采集到的数据经过一跳或多跳发送至 节点 假设普通节点和 节点具有以下特征:) 所有的传感器节点具有相同的初始能量，基站节点没有能量限制;) 所有节点都具有定位功能，节点可以根据接收到其他节点的位置信息计算通信半径;) 节点的通信半径可以调节，节点可以根据与邻居节点距离任意调整通信半径;) 节点和基站都是静止的，每 个 节 点 具 有 唯 一 的号，所有的基站节点拥有同一个 号无线传感器节点能耗因素主要有以下几个部分: 感知产生数据空闲侦听接收数据和发送数据 用 为产生一个字节数据的能耗，为单位时间空闲时的能耗，这两部分的能耗对所有节点是相同的 节点接收和发送数据的能耗是节点能耗的主要因素，本文采用第一阶无线电波能量模型［］，驱动发射机或接收机所需要的功率 ，发射机功率增益 ，节点接收一个字节的能耗为 节点发送单位字节数据到邻居节点 的能耗为( )其中，为节 点 的 通 信 半 径，为路径功耗模型参数，通常介于自由空间( 功耗) 信道模型和多经衰落(功耗) 信道模型之间［］， 为节点侦听信道的能耗，通过实验测试，侦听信道能耗接近节点接收数据的能耗 为节点的初始能量，为节点 完成向基站发送一个字节数据的总能耗( )节点在空闲时的能耗较小，相对于其他能耗 因素可以忽略不计，即式( ) 变为( )路由建立是选择满足应用需要的最优路径，本文建立一个线性组合来衡量路径建立的代价( )其中，为从源节点到前一个节点的路径代价，的取值范围是( ，) ， 为 计算路径代价的权值系数，根据应用需要，在路径建立过程中，权值系数可以相应地改变来影响路径代价的计算 在本文的 路径选择中，主要考虑 部分路径建立代价: 跳数能耗延迟和剩余能量，因此，路径建立代价变为( )其中， ，为路径建立的 跳 数，为 数 据 从 前 一个节点到当前节点的能量消耗， 为数据从前一个节点传递到当前节点的时间，为节点的剩余能量 在不同的应用模型中，可以设置不同的权值系数 在路径建立过程中，如果只考虑节点的剩余能量问题，那 么 权 值 系 数( ，，，) ( ，，，) 路径代价模型主要用来进行路径选择路由协议在本文 路由协议中，所有 节点形成一个组， 组共享同一个 节点各自建立一棵树形结构， 节点承担数据收集任务 传感器节点加入最近的树，节点根据式( ) 最优路径选择模型进行路径选择在本文的 路 由 协 议 中，共 使 用 种 控 制 数 据包，分别是 数据包路由请求( ， )数据包路由应答( ， ) 数据包和路由错误( ， ) 返回数据包 只有 节点产生数据包， 节点定期地向所有传感器节点广播数据包 数据包被用来进行路由发现 在中新增加 个字段，子节点请求( ， ) 和父节点请求( ， ) 用来路由发现一个子节点， 用来路由发现一个父节点 数据包用来回答路由请求 当某一节点发送路由请求至当前节点时，如果当前节点已经链接到某一 节点，则进行路由应答 当链路产生错误而中断时，节点产生 返回数据包给父节点，让父节点等待一段时间，节点进行路由重构所有 节点形成一个 组， 组具有唯传感器与微系统 第 卷一 ( ) 每个 节点建立一棵树形 树，树的根是 节点，传感器节点可以从 树中得到 服 务 每个传感器节点加入到最近的树中， 树建立过程如下:每个 节点或普通节点向它的邻居节点广播 ，包含 节点或普通节点的位置信息 组路径代价 下一跳节点 和节点地址 如果 来自节点，路径代价 ，下一跳节点 为空 邻居节点收到 并且节点还没有加入任何 树，节点接收，检查 中的 组 ，如果 组 ，表示发送 的节点已经加入到一棵 树中，节点将 添加到父节点表中，记录 中的相关信息 如果 组 不等于，表示发送 的节点还没有加入到任何 树中，节点丢弃节点接收 后，设置一个时间递减参数，在时间过期之前，节点可以收到多个 ，节点根据 中的路径代价 进行比较，选择一个最优节点作为父节点，同时发送 进行应答 如果接收到多个 中的路径代价是相等的，则随机选择一个节点作为父节点 父节点接收到 后，向子节点返回一个 消息，路径建立成功 在无线传感器网络中，由于 节点可以直接与所有节点通信，通常父节点可以不保留子节点的信息，只需要子节点保留父节点的信息即可 子 节 点 加 入 到 树后，用父节点 取代下一跳节点 ，重新计算路径代价 ，并用新的路径代价 替换原，节点更新其他相关参数，包括节点位置等 节点继续向其他节点广播 直到所有节点都加入到 树中为止，如图 所示图 树建立过程树建立完成后，每个源节点将采集到的数据发送至父节点，父节点接收到子节点的数据后，沿着树结构继续向上一层节点转发，最终数据被传输至 节点 节点对所有接收到的数据处理后，发送到网络终端或其他接收装置仿真实验在 本 文 中，通过仿真实验将 通 信 协 议 与进行比较 仿真在 环境中实现，随机产生含有 个 节点和 个普通传感器节点，节点随机分布在 的平面区域，所有节点的传输功率可以调节，在传输距离内的任意 个节点可以互相直接通信，仿真的其他相关参数如表 所示表 仿真实验使用的相关参数参数 数值 参数 数值分布区域 数据包大小数量 元数据大小节点数量 最大通信半径初始能量图 和 图 分 别 为 采 用 协议和本文提出的路由协议形成的路由模型 在 协议形成的路由模型中，网络根据距离划分成多个分簇( ) ，在簇头( ，) 处会造成严重的通信干扰 簇头为普通节点，簇头的能量消耗比较快，簇内不断更换簇头，也容易使得对原簇头所在位置失去监控的可能性 在路由协议模型中，每个节点根据式( ) 的路由代价算法需要加入到一棵 树中，树根为 节点， 节点能耗消耗可以不受限制，可以有效分担网络负载图 协议模型图 路由协议模型当在监测网络内分别放置 ，，，，个基站时，不同数量传感器节点的网络能耗和网络生命期如图 和图 所示在图 和图 中，随着节点数量的增加，网络能耗不断增加，同时网络生命期降低 当基站数量增加时，在相同数量的节点下，网络能耗降低，网络生命期得到提高 这是因为当增加基站数量时，建立的 树将增多，源节点到第 期 李魁峰，等: 基于 的无线传感器网络模型图 网络能耗图 网络生命期达基站的路径将缩短，所以，网络能耗降低，同时延长了网络生命期 随着基站数量的增加，基站对网络能耗和生命期的影响也逐渐降低 在节点数量为 时，当基站数量从个增加到 个，增加 倍，能量消耗减少 ，新增加的基站对基站周围节点的能耗影响较大
　　结 论
　　基于 技术，本文提出一种 模型和路由协议，仿 真 实 验 表 明: 所 提 出 的 路由协议可以解决多基站通信问题，与 协议相比，该协议可以有 效分担网络负载 在节点数量为 时，当基站数量从个增加到 个，网络能量消耗减少 ，网络生命期得到提高