0 引言

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所具有的眾多類型的傳感器，可探測包括地震、電磁、溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等周邊環(huán)境中多種多樣的現(xiàn)象。基于MEMS的微傳感技術(shù)和無線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)賦予了廣闊的應(yīng)用前景。這些潛在的應(yīng)用領(lǐng)域可以歸納為：軍事、航空、反恐、防爆、救災(zāi)、環(huán)境、醫(yī)療、保健、家居、工業(yè)、商業(yè)等領(lǐng)域。

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN（Wireless Sensor Network）作為新興的網(wǎng)絡(luò)測控技術(shù)，是能夠自主實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、融合和傳輸?shù)闹悄芫W(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在軍事、交通、數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，因而引起了業(yè)界的廣泛關(guān)注。但是由于WSN節(jié)點受到體積和成本等方面的限制，一般采用攜帶的電池，能量補充困難而且能量相對較少，這是目前WSN應(yīng)用的主要問題。針對這些問題，本文在總結(jié)和應(yīng)用其他學(xué)者研究成果的基礎(chǔ)上，提出了一種基于節(jié)點最佳路徑移動的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能路由算法EEBM（Energy-Efficient routing algorithm based ON the BeST node Movement route）。

　　1 相關(guān)研究

　　1.1 分層型路由協(xié)議

　　分層型路由協(xié)議中，能量較高節(jié)點可用于處理和傳遞信息，而能量較低的節(jié)點則只能用于對目標進行近似測量。典型的分層型路由協(xié)議主要包括：

　?。?）低能耗自適應(yīng)分簇LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）算法，它是一種自適應(yīng)型分簇拓撲算法，通過讓各節(jié)點等概率的擔(dān)任簇頭達到相對均衡網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點所消耗的能量的目的。LEACH是一種以最小化傳感器網(wǎng)絡(luò)能量損耗為目標的分層式協(xié)議，它集成了傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本路由協(xié)議和拓撲控制算法。在LEACH算法中整個網(wǎng)絡(luò)的通信由一輪一輪的周期性動作組成，每一輪包括簇的建立階段和數(shù)據(jù)通信階段，其中簇的建立階段完成簇的組織，數(shù)據(jù)傳輸階段將數(shù)據(jù)傳送到簇首，再由簇首發(fā)送到基站（BS）。

　?。?）傳感器信息系統(tǒng)的節(jié)能型采集方法PEGAS-IS[1]，它是一種臨近最優(yōu)鏈式協(xié)議，其基本思想是：借鑒LEACH的動態(tài)簇頭選舉思想，建立一條包含所有節(jié)點的最短路徑（稱為“鏈”），并最終在每輪中只選出一個簇頭負責(zé)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點通信。由于最短路徑鏈上的節(jié)點都能以最小發(fā)射功率向鄰居節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，相比于LEACH，PEGAS-IS使網(wǎng)絡(luò)的生存時間得到顯著延長。但是，由于目前還沒有尋找包含所有節(jié)點的最短路徑的有效方法，PEGAS-IS不適合在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)上使用。

　　1.2 平面型路由協(xié)議

　　在平面型路由中，所有節(jié)點的地位平等，典型協(xié)議主要有：

　?。?）序列分配路由SAR，其基本原理是：選擇路由時，綜合考慮能量資源、各路徑的服務(wù)質(zhì)量（QoS）和各信息包的優(yōu)先權(quán)3個要素，根據(jù)最終的權(quán)值來決定當前的路由。若由于節(jié)點故障拓撲邏輯產(chǎn)生變化，則需要重新計算路由。其中，基站負責(zé)計算拓撲邏輯變化的總量，并周期性觸發(fā)路徑重新計算。同時，還采用鄰近節(jié)點間基于局部路徑重建的交換方式恢復(fù)路徑。

　?。?）最小開銷前向傳遞算法MCFA，其基本原理是：利用路由傳遞方向的己知信息（例如向外部固定基站傳遞數(shù)據(jù)）對數(shù)據(jù)進行路由。無線傳感器節(jié)點前向傳遞的每條信息都被發(fā)送到相鄰節(jié)點中。當節(jié)點接收到該信息時，檢查自己是否處于源節(jié)點與基站間最小花費路徑上。如果是，則再將信息傳遞給相鄰節(jié)點。

　　1.3 適應(yīng)型路由

　　信息協(xié)商傳感器協(xié)議（SPIN）是適應(yīng)型路由的典型協(xié)議，可通過控制特定的系統(tǒng)參數(shù)以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)當前條件和可用的能量水平。

　　通過對典型節(jié)能路由模型的研究可以看出，針對WSN能耗的研究主要集中在路由和網(wǎng)絡(luò)的建立、節(jié)點分簇、簇頭選取、輪詢策略等方面，而通過策略選取節(jié)點，將其移動到指定區(qū)域來取代失效節(jié)點，完成類似移動Internet或3G/4G的移動服務(wù)等方面的研究還相對較少。

　　2 基于節(jié)點最佳路徑移動的WSN節(jié)能路由算法EEBM

　　2.1 基本思想

　　EEBM主要研究當“瓶頸節(jié)點”即將發(fā)生失效等情況時，如何在滿足節(jié)約節(jié)點移動消耗能量等多條件約束情況下，找到最佳的移動節(jié)點（優(yōu)先考慮移動獨立冗余節(jié)點）和移動路徑，從而保證網(wǎng)絡(luò)的正常工作，延長網(wǎng)絡(luò)的有效工作時間的方法。

　　算法的主要思想如下：

　?。?）網(wǎng)絡(luò)中獨立冗余節(jié)點的選取策略。所謂獨立冗余節(jié)點，即若關(guān)閉該節(jié)點，不會影響網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率。以下通過Voronni劃分與Delaunay三角剖分來確定網(wǎng)絡(luò)中的獨立冗余節(jié)點。

　?。?）網(wǎng)絡(luò)中“瓶頸節(jié)點”的選取。所謂“瓶頸節(jié)點”，即在一個隨機部署的WSN中，那些由于它們的失效而造成整個網(wǎng)絡(luò)被割裂成兩個或多個不相連的區(qū)域，并且由于收集數(shù)據(jù)的基站和檢測目標不在同一個區(qū)域內(nèi)，造成整個網(wǎng)絡(luò)生命期結(jié)束的最少數(shù)目的節(jié)點。直觀地說，如果瓶頸節(jié)點消亡，則整個WSN的生命就結(jié)束。

　　（3）節(jié)點移動最佳路徑選擇。在前面兩部分的基礎(chǔ)上，選取合適的獨立冗余節(jié)點進行移動，將其移動到“瓶頸節(jié)點”的周圍，有兩個約束條件：不破壞網(wǎng)絡(luò)原有的覆蓋率以及移動損耗能量最少。

　?。?）移動完畢后，網(wǎng)關(guān)節(jié)點會監(jiān)聽“瓶頸節(jié)點”發(fā)出的信息，一旦該“瓶頸節(jié)點”的剩余能量低于閾值，則移動到其附近的節(jié)點會被喚醒，取代失效節(jié)點，從而使網(wǎng)絡(luò)正常工作。

　　2.3 尋找“瓶頸節(jié)點”的方法

　　“瓶頸節(jié)點”具有如下特點：

　?。?）“瓶頸節(jié)點”是兩個或多個WSN區(qū)域通信的唯一路徑，承擔(dān)著繁重的中繼任務(wù)。

　?。?）“瓶頸節(jié)點”的能耗要大大高于普通節(jié)點乃至基站節(jié)點，這就造成了節(jié)點的能耗差異較大和不均勻性。

　?。?）“瓶頸節(jié)點”失效意味著部分通信中斷、整個網(wǎng)絡(luò)失效或者部分失效（參考文獻[7]對此也有專門的討論）。針對上述特點，綜合KARGER等人提出的MINCUT算法，借鑒開放最短路徑優(yōu)先OSPF（Open Shortest Path First）[9]中的探測協(xié)議，提出基于消息交換的瓶頸節(jié)點定位算法。

　　算法的具體思想為：（1）節(jié)點發(fā)送報文到鄰居節(jié)點，鄰居節(jié)點以消息確認形式反饋；（2）節(jié)點通過消息交換獲得鄰居節(jié)點信息，生成拓撲結(jié)構(gòu)，判斷是否為瓶頸節(jié)點。

　　2.4 EEBM算法的實現(xiàn)

　　經(jīng)過2.3的研究，能夠得到所有的獨立冗余節(jié)點及網(wǎng)絡(luò)中制約使用壽命的“瓶頸節(jié)點”，以下將在這些工作的基礎(chǔ)上，在不破壞網(wǎng)絡(luò)連通性和覆蓋率以及最小化能量消耗的前提下，完成節(jié)點移動的任務(wù)，使得“瓶頸節(jié)點”周圍有備用的節(jié)點。

　　2.4.1 節(jié)點直接移動

　　由2.2及2.3可以得到所有獨立冗余節(jié)點的集合S和網(wǎng)絡(luò)中的“瓶頸節(jié)點”，節(jié)點直接移動算法的具體步驟為：（1）從獨立冗余節(jié)點集合S中選出可以移動的節(jié)點；（2）分別計算每個可移動節(jié)點移動時所消耗的能量及其剩余能量，并進行綜合評估，找到消耗能量少且剩余能量多的移動策略。

　　2.4.2 節(jié)點最佳路徑移動

　　節(jié)點直接移動方法的優(yōu)點是算法簡單、效率高，但仍存在著較大的缺陷。例如，當可移動節(jié)點離指定位置較遠時，移動該節(jié)點會耗費較多能量，其移動后的剩余能量會很小，若此時采用節(jié)點直接移動算法，效果很差，因此以下給出采用節(jié)點最佳路徑移動的方法。

　　節(jié)點最佳路徑移動的具體步驟如下：

　　（1）尋找中介節(jié)點的算法

　　當WSN中產(chǎn)生失效節(jié)點時，需要有新的節(jié)點移動到失效節(jié)點位置代替失效節(jié)點繼續(xù)工作。

　　假設(shè)x0為失效節(jié)點，xi為冗余節(jié)點，則可以將節(jié)點xi移動到節(jié)點x0的位置，或者不直接將節(jié)點xi移動到處x0，而是尋找節(jié)點x0與節(jié)點xi之間的中介節(jié)點，產(chǎn)生多條節(jié)點移動路徑，如圖1所示。

　　用此方法可以找出x0與xi之間的多個中介節(jié)點，從而得到多條移動路徑，如圖1所示。并且計算每個中介節(jié)點圓區(qū)域內(nèi)的節(jié)點分布密度、每個路徑的路徑節(jié)點密度、總體消耗能量和中介節(jié)點移動后的最小剩余能量。

　　（2）選擇最佳移動路徑

　　選擇最佳路徑的原則是：該路徑總體消耗能量最小，該路徑節(jié)點移動后的剩余能量最大以及該路徑節(jié)點密度最大。一般情況下，不可能同時滿足上述三個原則，于是應(yīng)用層次分析法解決該問題。

　　層次分析法是數(shù)學(xué)建模中常用的用于決策的方法。在深入分析實際問題的基礎(chǔ)上，將有關(guān)的各個因素按照不同屬性自上而下地分解成若干層次。本文中目標層為選擇最佳路徑，準則層有3個因素分別是總體消耗能量最小、移動后節(jié)點最小剩余能量最大和路徑節(jié)點密度最大，方案層為若干條后選路徑，如圖2所示（假設(shè)有3條候選路徑）。

　　2.4.3 仿真及結(jié)果分析

　　仿真環(huán)境如下：無線傳感器節(jié)點隨機分布在40×40的平面正方形區(qū)域中，節(jié)點數(shù)目為48個，每個節(jié)點的初始能量E=2 000 J，節(jié)點移動速度V=1 m/s，恢復(fù)時間T=10 s，節(jié)點移動1 m消耗的能量為30 J，節(jié)點的傳感半徑R=6，傳感器的類型參數(shù)α=0.1，β=3進行仿真。節(jié)點移動前后瓶頸節(jié)點能耗對比如圖3所示。

　　假設(shè)節(jié)點平均接收一次信號消耗的能量為0.5 J，發(fā)送一次信號的能量為0.7 J，并且瓶頸節(jié)點每10 s周期性地發(fā)送或接收信號，其余節(jié)點處于休眠狀態(tài)。對下面兩種情況進行仿真：（1）不移動任何節(jié)點；（2）將離瓶頸節(jié)點較近的冗余節(jié)點移動到瓶頸節(jié)點的位置，共同分擔(dān)信號的接收和發(fā)送工作。仿真結(jié)果如圖3所示。

　　從圖3可以發(fā)現(xiàn)，瓶頸節(jié)點有了支援節(jié)點后，其消耗的能量明顯地減少，即瓶頸節(jié)點的壽命有所延長，從而延長了整個網(wǎng)絡(luò)的有效壽命。

　　3 結(jié)束語

　　本文對WSN中基于節(jié)點移動的節(jié)能路由問題進行了有針對性的研究，提出了利用冗余節(jié)點最佳移動路徑算法來解決“瓶頸節(jié)點”能量消耗過快的問題，形成了移動后的冗余節(jié)點與“瓶頸節(jié)點”協(xié)同工作，分擔(dān)通信負荷，提高“瓶頸節(jié)點”壽命的新型節(jié)能路由算法——EEBM。該算法考慮了節(jié)點移動消耗能量、節(jié)點剩余能量和節(jié)點分布密度等因素，運用層次分析法，能夠在多條件約束情況下找到最佳的移動節(jié)點和移動路徑，從而保證在節(jié)點覆蓋不受影響的條件下網(wǎng)絡(luò)仍能正常工作，并且延長整個傳感器網(wǎng)絡(luò)的有效工作時間。仿真證明，在存在瓶頸節(jié)點的WSN中，EEBM算法相比其他節(jié)點移動算法確有較大的改進。