高效节能的无线传感器网络路由协议设计与实现

收稿日期：2010-01-09；修回日期：2010-02-27基金项目：中国博士后科学基金资助项目（20090451217）；江苏省自然科学基金资助项

目（BK2009133）

作者简介：王晓喃（1973-），女，沈阳人，副教授，博士后，主要研究方向为计算机网络协议与应用（wxn_2001@163．com ）；高德民（1981-），男，山东人，博士研究生，主要研究方向为计算机网络协议与应用．

高效节能的无线传感器网络路由协议设计与实现

*

王晓喃1，2，高德民2

，徐

江

1，2

（1．常熟理工学院，江苏常熟215500；2．南京理工大学，南京210094）

摘

要：提出了一种高效节能的无线传感器路由协议，此协议中，传感器节点保存多条到达网关节点的最短路

径，

通过轮循机制选择最短路径，从而将数据传输的任务均衡地分布于多条路由路径上，避免了网络冲突，节省了节点的能量消耗。对此协议进行了详细的分析和讨论，在网络仿真环境下实现了此协议并且分析比较了此协议与LEACH 和PEGASIS 的性能，实验数据表明此协议比现有协议具有更好的性能，充分证明了此协议的有效性和正确性。

关键词：传感器网络；路由；协议；网关节点中图分类号：TP393.01

文献标志码：A

文章编号：1001-3695（2010）08-3107-03

doi ：10．3969/j．issn．1001-3695．2010．08．079

Design and implementation of efficient and energy-saving routing protocol for wireless sensor networks

WANG Xiao-nan 1，2，GAO De-min 2，XU Jiang 1，

2

（1．Changshu Institute of Technology ，Changshu Jiangsu 215500，China ；2．Nanjing University of Science ＆Technology ，Nanjing 210094，China ）

Abstract ：This paper proposed an efficient and energy-saving routing protocol for wireless sensor networks．In the protocol ，

each sensor node stored multiple shortest routing paths to reach to the gateway nodes and employed the round robin mechanism to select one routing path so that the data transmission could be distributed evenly around the multiple paths to avoid the net-work congestion and to save the node ’s energy．Discussed and analyzed the protocol in detail and implemented the protocol in a network simulation environment．Compared and analyzed the performances of the protocol ，LEACH and PEGASIS．And the experimental data demonstrate that the performance of the protocol is better than the ones of LEACH and PEGASIS ，which

proves the protocol ’

s validity and correctness．Key words ：sensor network ；routing ；protocol ；gateway

目前，无线传感器网络已成为国际上备受关注的、知识高度集成的前沿热点研究领域之一。但是，传感器节点的计算能力、

通信带宽以及能量资源等都非常有限，因此，如何设计出一种高效的传感器网络路由协议就显得尤为重要。

在这种情况下，本文提出了一种无线传感器路由协议，此协议具有如下特点：a ）传感器节点保存多条到达网关节点的最短路径，每次通信时，采用轮循机制选择一条最短路径进行通信，从而将数据传输的负载均衡地分布于多条路由路径上，避免了网络冲突，节省了节点的能量消耗；b ）每个传感器节点通过父节点自动形成路由路径，节省了建立路由的控制信息所带来的能量消耗；c ）传感器节点保存多条到达网关节点的最短路径，

不会因为某条路径的失效而导致通信中断，增加了路由的健壮性；d ）网络中可随时加入新的传感器节点，具有很好的扩展性。

1协议概述

本协议需要完成以下基本功能：a ）区域内的传感器节点

相互合作建立起一个路由骨干网络，通过此路由骨干网定期向

最近的网关节点发送感知到的数据；b ）当传感器节点由于某些原因（如能量不足）失效时，传感器网络能够进行路由修复或者重新组建到达网关节点的路由；c ）区域内可以增加新的传感器节点，新节点能够与已存在的传感器节点组建路由与网关节点通信。

2

路由协议

2.1

初始化路由骨干网

路由骨干网具有如下定义：路由骨干网包括一个网关节点

及多个中间节点。其中网关节点用于连接外部网络与传感器网络，网关节点没有父节点，可以包含多个子节点；中间节点为发送感知数据的传感器节点，一个中间节点可以包含多个父节点和多个子节点，中间节点按照轮循调度算法选择不同的父节点将感知到的数据通过路由骨干网路由到网关节点进行处理。

初始状态下，网关节点已经存在，传感器节点被随意分布在特定区域内。路由骨干网按照如下步骤进行初始化：a ）网关节点首先广播Adv 消息以示自己的存在。其中Adv 消息中包括一个距离参数，此参数值为转发此Adv 消息的节点距离

第27卷第8期2010年8月计算机应用研究

Application Research of Computers Vol．27No．8Aug．2010

网关节点的跳数；b）在预定时间T内，处于孤立状态的传感器节点S（即没有加入路由骨干网的节点）可能收到Adv消息，节点S查看接收到的所有Adv消息中的距离参数，将距离参数最小的节点（≥1）作为自己的父节点，同时将父节点保存到父节点集合中并记录下自己到达网关节点的距离参数值（即父节点的距离参数值加1），然后将Adv消息中的距离参数增加1，继续广播Adv消息同时，如果一个已经加入路由骨干网的节点收到Adv消息，它则进行父节点集合的更新（参见2.4节）；c）过程结束。

在初始状态下，处于孤立状态的传感器节点S可能在T时间内没有收到任何Adv消息。在这种情况下，S会继续等待下一个T时间直到接收到Adv消息为止。路由骨干网的初始化过程如图1所示。图1中，出于孤立状态的传感器节点S在T 时间内接收到三条Adv消息，它选择距离参数最小的传感器节点1和2作为它的父节点，并将其加入到父节点集合中。2.2新节点的加入

当一个新节点S加入到传感器网络后，它会按照如下步骤加入路由骨干网：a）节点S向一跳之内的邻居节点广播一条Req消息；b）接收到Req消息的节点如果已经加入到路由骨干网，它则返回一个Res消息，消息中包括它的距离参数值；c）节点S等待T时间后，它查看返回的Res消息中的距离参数值，选择距离参数值最小的节点（≥1）作为父节点，同时将父节点保存到父节点集合中并记录下自己到达网关节点的距离参数值（即父节点的距离参数值加1），然后向邻居节点广播Res消息，此消息的内容为节点S的距离参数值；d）至此，新节点S成功加入路由骨干网。

2.3节点失效处理

由于传感器节点的能量是有限的，因此，当能量消耗尽之后，它们会变为失效节点。在本协议中，当传感器节点S检测到父节点F失效后，节点S将父节点F从父节点中删除，如果此时父节点为空，那么节点S进行如下操作：

a）节点S向邻居节点广播一条Req消息；

b）收到Req消息的节点如果已经加入到路由骨干网并且节点S不在它的父节点集合中，它则向节点S返回一个Res消息，消息中包括它的距离参数；

c）节点S等待T时间后，它查看返回的Res消息中距离参数值，然后选择距离参数值最小的节点（≥1）作为父节点并将其加入到自己的父节点集合中，同时保存自己的距离参数值，即父节点距离参数值加1；

d）节点S向其邻居节点广播Res消息，此消息的内容为节点S的距离参数值；

c）至此，处理过程结束。

2.4父节点集合的更新

在本协议中，当一个已经加入路由骨干网的节点S1收到节点S2的Adv消息时，它首先比较父节点与Adv消息中的距离参数值，比较结果存在三种情况：

a）如果节点S

1

的父节点的距离参数值更小，那么S1忽略此Adv消息；

b）如果父节点与Adv消息中的距离参数值相同并且S

2

不在S1的父节点集合中，那么S1将S2加入到自己的父节点集合中；

c）如果Adv消息中的距离参数值更小，那么S

1清空父节

点集合，然后将S2加入到自己的父节点集合中，同时更新自己

的距离参数值（即等于Adv消息中的距离参数值加1）。

2.5路由过程

当节点S将感知到的数据信息发送到网关节点时，它首先查看自己的父节点集合，采用轮循调度算法选择一个父节点

F'，然后将数据信息发送给所选择的父节点F'，父节点F'再采

用轮循调度算法从父节点集合中选择一个父节点F'将数据信

息发送到它的父节点F'，依此类推，直到发送到网关节点为

止。实验证明，采用轮循调度算法可以有效地减少传感器功

耗，增加其寿命。

传感器节点与网关节点的路由通信过程如图2所示。传感器节点S的父节点集合包括两个父节点S1和S2，按照轮循

调度算法它选择S1为父节点并且把感知到的数据发送给S1，

然后S1再将数据发送到它的父节点，即网关节点1

。

在本协议中，一个传感器网络的多个网关节点之间采用有线网络的多播方式进行通信。

3性能分析

仿真环境采用NS-2系统，初始状态下，在100m?100m 的空间内随机放入200个传感器，每个传感器具有50m固定

的无线覆盖能力，初始状态的电池能量为2J。为了测试协议

的性能，实验中的数据源的传输速率设置在128bps 1024

bps之间，传感器的带宽设置为19．2kbps。为了测试本协议重

建路由的能力，实验在测试过程中会定期在区域内增加新的传

感器，此外，实验也会使一些传感器节点在测试中途失效。实

验中设置三个网关节点，它们同时连接无线网络和有线网络，

网关节点之间采用多播通信。拓扑结构如图1所示。在实验

初始化状态，网关节点启动路由骨干网的建立。

为了分析比较本协议与现存协议的性能，实验还在相同环境下实现了LEACH与PEGASIS路由协议，并且比较了它们的

性能，如图3和4所示。实验的性能分析包括以下两个参数：

a）平均延迟时间，指数据包从源节点到达目的节点的平均延

迟时间，此参数用来测试所用协议的路由选择算法是否有效，

是路由协议的一个重要指标；b）平均消耗能量，指传感器节点

在每个轮回中所消耗的平均能量，此参数是衡量路由算法是否

高效的一个重要参数。

实验采用如下参数测试平均消耗能量：

两个距离rm的传感器节点传输k bit数据所耗费的能量可用下式计算：

E T（k，r）=k（E tx+εr2），E R（k）=kE rx

其中：E T（k，r）为源节点发送k bit数据所耗费的总能量；E tx为

发送1bit所消耗的能量，本实验设定此值为50nJ/bit；ε为信

号放大器的放大倍数，此值设定为10pJ/b/m2；E R（k）为目的

节点接收k bit数据所耗费的能量；E rx为接收1bit所消耗的能

量，此值设定为50nJ/bit。此外，在LEACH和PEGASIS协议

·

8013

·计算机应用研究第27卷

中，数据融合的能量消耗设定为5nJ /bit /message 。每个轮回（round ）中传感器传送数据的总量为5120Byte ，这里的轮回是指传感器从初始化到稳定接收传送数据、再到休眠状态的一个工作周期

。

上述实验结果的原因分析如下：a ）LEACH 中簇头的开销比较大，并且离散式区域算法无法做到最优的路由选择；b ）LEACH 算法簇间通信采用单跳通信，如果网关节点到网络节点的距离很远，那么节点中的电池会很快消耗尽，减少整个网络的寿命；c ）PEGASIS 中传感器节点需要知道邻居的能量状态以便传送数据，

而且需要动态调整拓扑结构，对利用率高的网络而言，拓扑的调整会带来很大的开销；d ）PEGASIS 中所构建的链接中，远距离的节点会引起过多的数据延迟，而且链首节点的惟一性使得链首会成为瓶颈；e ）本协议中节点的数据交互是在一跳范围内完成的，因此很好地节省了节点的能量；f ）本协议采用轮循机制来选择下一跳节点，将数据传输的任务均衡地分布于多个节点上，避免了网络冲突，节省了节点的能量消耗；g ）本协议中，

传感器节点通过保存多个父节点以形成多条到达网关节点的路径，增加了网络路由系统的健壮性。

此外，

LEACH 协议中每个节点直接与簇首通信而无须其他节点进行数据转发，这造成了每个簇的规模有限，不利于传

感器网络的扩展，不适合大规模无线传感器网络，而本协议中可以随时加入新节点，具有非常好的扩展性，非常适用于大型传感器网络。

4结束语

本文提出了一种高效节能的无线传感器路由协议，并在网

络模拟环境下对本协议、

LEACH 以及PEGASIS 的平均延迟时间与平均能量消耗等性能参数进行了比较分析。实验数据表明，与现在的路由协议相比，本协议具有平均延迟时间短、能量消耗低的优点。本协议的另外一个优点是具有良好的扩展性，非常适用于大型传感器网络。参考文献：

［1］AKKAY A K ，YOUNIS M．A survey on routing protocols for wireless

sensor networks ［J ］．Ad hoc Networks ，2005，3（3）：325-349．［2］MAO Y ，WANG F ，QIU L．S4：small state and small stretch routing

protocol for large wireless sensor networks ［C ］//Proc of the 4th USE-NIX Symposium on Networked System Design and Implementation．2007．［3］CAESAR M ，CASTRO M ，NIGHTINGALE E．Virtual ring routing ：

network routing inspired by dhts ［C ］//Proc of Conference on Applica-tions ，Technologies ，Architectures ，and Protocols for Computer Com-munications．New York ：ACM ，2006：351-362．［4］KUSHALNAGAR N ，MONTENEGRO G ，SCHUMACHER C．IETF

RFC 4919，6LoWPAN ：overview ，assumptions ，problem statement ，and goals ［S ］．2007．［5］MONTENEGRO G ，KUSHALNAGAR N ，HUI J．IETF RFC 4944，

transmission of IPv6packets over IEEE802．15．4networks ［S ］．2007．［6］OLVEZKY P C ，THORVALDSEN S．Formal modeling and analysis

of the OGDC wireless sensor network algorithm in real-time mode

［C ］//Proc of the 20th International Parallel and Distributed Proces-sing Symposium．2006：25-29．［7］KIM H ，HONG C．A routing scheme for supporting network mobility

of sensor network based on 6LoWPAN ［C ］//Proc of Asia-Pacific Net-work Operations and Management Symposium．Berlin ：Springer ，2007：155-164．

（上接第3106页）系统开销。综合以上结果，本文提出的速度预

判决策略的整体性能要优于以往的两种常用算法

。

4结束语

本文提出了一种适合于在基于SAE 的异构网络中的垂直

切换算法，

该算法利用和用户交互后的信息进行移动终端速度的预判决，

并通过一些历史信息来快速、准确地预测其信号强度以提高对切换时刻的判断成功率。该算法在综合性能表现上要好于迟滞电平和驻留定时器两种算法，同时可以降低一部分的判决数据开销，提高了系统运行效率。

参考文献：

［1］System architecture evolution ：report on technical options and conclu-sions （release 8），3GPP TR 23．882［R ］．2008．

［2］王晓明．LTE /SAE 中全新核心网的架构研究［J ］．电信工程技术

与标准化，

2009，22（4）：88-91．［3］MARICHAMY P ，CHAKRABARTI S ，MASKARA S L．Performance

evaluation of handoff detection schemes ［C ］//Proc of IEEE TEN-CON．Taj Residency ，Bangalore ：IEEE Computer Society ，2003：643-6465．［4］HYO S P ，SUNG H Y ，TAE H K ，et al ．Vertical handoff procedure

and algorithm between IEEE 802．11WLAN and CDMA cellular net-work ［C ］//Proc of the 7th CDMA International Conference．Seoul ，Korea ：Springer ，2002：103-112．［5］YOUNGKYU C ，SUNGHYUN C．Service charge and energy-aware

vertical handoff in integrated IEEE 802．16e /802．11networks ［C ］//Proc of IEEE INFOCOM．2007：589-597．［6］HOU J ，BRIEN DC．Vertical handover decision making algorithm

using fuzzy logic for the integrated radio and ow system ［J ］．IEEE Trans on Wireless Communications ，2006，5（1）：176-185．［7］张贤达．现代信号处理［M ］．2版．北京：清华大学出版社，

2006：157-188．［8］LIU M ，LI Z C ，GUO X B．An efficient handoff decision algorithm for

vertical handoff between WWAN and WLAN ［J ］．Computer Scie-nce ＆Technology ，2007，22（1）：114-120．

·

9013·第8期王晓喃，等：高效节能的无线传感器网络路由协议设计与实现