A load--balanced minimum energy routing algorithm for W ireless Ad Hoc Sensor Networks

一种无线传感器网络的负载均衡能量最小化路由算法

Abstraet ： Wireless Ad Hoc Sensor Networks(WSNs)have received considerable academia research attention at present ． The energy—constraint sensor nodes in WSNs operate on limited batteries ． so it is a very important issue to use energy efficiently andreduce power consumption ． To maximize the network lifetime ． it is essential to prolong each individual node’s lifetime through minimizing the transmission energy consumption ， so that many minimum energy routing schemes for traditional mobile ad hoc network have been developed for this reason ． This Paper presents a novel minimum energry routing algorithm named Load—Balanced Minimum Energy Routing(LBMER)for WSNs considering both sensor nodes’energy consumption status and the sensor nodes’hierarchical congestion levels ． which uses mixture of energy balance and traffic balance to solve the problem of“hot spots”of WSNs and avoid the situation of“hot spots”sensor nodes using their energy at much higher rate and die much faster than the other nodes ． The path router established bV LBMER will not be very congested and the traffic will be distributed evenly in the WSNs ． Simulation results verified that the LBMER performance is better than that of Min-Hop routing and the existing minimum energy routing scheme MTPR(Total Transmission Power Routing)

摘要：无线传感器网络受到了学术界的广泛关注。传感器节点工作时的能量是由能量非常有限的电池提供的，因而如何高效的使用能量及减少能耗是一个非常关键的问题。为了使网络的生存期最大化，应尽可能的延长每一个节点的生存期，也就是要使传输能耗最小。本文提出了一种新的路由算法 Minimum Energy Routing(LBMER)for WSNs ，它同时考虑了节点的能耗和不同分层级的节点的拥塞状况，同时采用了能量均衡和负载均衡的方法，有效的避免了使用频率较高的节点能量过早耗尽的情况。又该算法确定的路经不会很拥挤，有效的实现了负载的均衡。试验结果证明，本算法的表现要优于现有的 Min-Hop routing 和 MTPR(Total Transmission Power Routing) 。

1. 简介

Wsn 已经受到了越来越多的关注，本文研究的主要是如何使网络的生存周期最大化的问题。如果所有节点都将数据包直接传送到基站，那离基站最近的那些节点就会很快的耗尽能量。另一方面，由于这些节点过早的将能量耗尽，使得网络中的部分区域处于完全不受监控的状态，会造成网络的割裂。为了使 WSN 的生存期最大化，通过减少传输过程消耗的能量来延长每个节点的生存期是非常重要的，还要尽量避免选择包含低能量的节点的路径来传送数据包，此外还应使整个网络的能耗最小。 为了克服 WSN 中的能量有限的问题，研究人员在很多方面做了大量的研究，例如节能 MAC 协议，拓扑控制，传输能量控制。本文的工作：主要通过节能路由来节省传感器节点的能耗。 我们知道， Dijkstra’s shortest path algorithm and Bellman—Ford’s shortest path algorithm 不是一种节能的算法，并且在 WSN 中的表现并不好。尤其在网络中又一个或多个节点能源耗尽时，性能更差。近年来，很多针对 WSN 的节能多跳的路由协议被提出来，以使所有节点的总能耗最小化。

WSN 有很多特点，如能量有限，带宽有限等都回影响到路由协议的设计。本文提出一种新的节能路由协议 Load-Balanced Minimum Energy Routing(LBMER) 。该解决方法是基于在发现路径阶段减少能耗和建立节能路径来达到节能的目的的。该协议不仅仅是考虑减少节点能耗，同时考虑节点的拥塞状况。

本文中，假设传感器节点是不移动的和 WSN 的拓扑是静态的或是缓慢变化的，也就是变化足够缓慢能有足够的时间平衡交通的拥塞。可以用一个加权的伯努利曲线来模拟传感器网络的拓扑， G= （ V,L,E ） ,V 代表传感器节点的集合， L 代表带有方向的连接的集合，（ i,j ） i,j N ∈ ， E 代表节点初始能量。假设有 1/d*d 的信道损耗，所以能耗用下式表示：

其中，代表发送 m 比特的数据需要的能量，代表接收 m 比特数据需要的能量，代表发射放大器所要的能量，和分别代表节点 i 发送和接收一比特数据时需要的能量。在仿真试验中，参数设置如下：

网络的生存期被定义为：网络的生存期就是的当任何一个节点将电池能量耗尽的时间。因为节点能量耗尽后，会导致网络被分割并且通信会因为节点停止工作而中断。 Chang and Tassiulas(2000) 将无线自组织网络的生存期定义为：

其中，代表每一个节点 i 周围临节点的集合，代表连接（ i,j ）中平均数据流占最大数据流的比例，代表节点 i 传送一比特需要的能量。

现在扩展等式 3 ，来定义 WSN 的生存期，第一如下：

其中和代表节点 i,j 的临节点的集合，代表从节点 i 到节点 j 的平均数据流占可能的最大数据流的比例，代表从节点 j 到节点 i 的平均数据流占最大数据流的比例。现在的问题是如何有效的利用能量，这可以表述为如何最大化 WSN 的生存期。如等式 5 所示。这也常被表述为能量有效路由问题。

接下来的部分，将详细说明 LBMER 算法。 LBMER 是一个路由算法，该算法主要考虑节点的能耗和 MAC 缓冲序列的长度两个因素，目的是避免选择的路径中包括了能量消耗很大的节点并且同时也防止了节点间的竞争。

负载均衡能量最小化路由算法图 2 是一个 MAC 缓冲序列模型。 Pi 和 Po 代表了 MAC 缓冲序列的输入和输出， N代表了缓冲序列的总长度， H 代表了目前的缓冲序列的长度。假设缓冲的输入和输出符合参数为的泊松分布。在时间间隔 T 内，缓冲没有溢出的可能性用 6 式表示

其中 代表在时间间隔 T 内，输入和输出的数据包的长度。等式 7 表明缓冲没有溢出的可能性，是由现在的缓冲序列的长度 H 和 MAC 层 S 的最大吞吐量来决定的。

其中 代表 MAC 处理网络中数据包的速度， S 代表 MAC 层的最大吞吐量。所以我们认为 MAC 缓冲序列的长度可以作为衡量节点拥塞级的判断标准。令代表当前的缓冲序列长度和平均 MAC 缓冲序列长度，代表最大和最小的 MAC 缓冲长度的阈值。缓冲序列占用比例如等式 8 表示。

平均序列长度 根据 EWMA 算法更新自己的值，在接下来的仿真中，令

根据电池消耗函数 的定义， 代表电池已经消耗的能量占剩余能量的比例 其中代表了电池剩余能量不为零，代表电池的总能量。 LBMER 算法如下：通过 10 式计算第 i 个

对应于路径 总的能耗是：

最终，最优路径应该是满足下式的路径：

其中， R 是从源节点出发的所有路径的集合。

等式 8-12 表明， 的值在传感器节点缓冲序列长度占用比很高或传感器接待你电池

能量消耗很多时会增加。所以，所以在 LBMER 算法中，不仅考虑了节点能量利用的效

率，还考虑可节点缓冲序列长度的占用比例。更进一步，引入最大和最小缓冲序列的

长度阈值来表示节点的拥塞级别。如果小于 ，节点 i 被认为是没有拥塞的，并且

令 等于 。如果 大于 ，那么第 i 个节点被认为是严重拥塞的，就令 等于 。当在 和 之间时， 是一个关于缓冲序列长度的

线性函数。我们就选择所有路径耗和的最小值。

仿真结果

这一部分要评估 LMBER 算法的性能，并将它与Min-Hop 路由算法和 MTPR 算法相比较，主要比较不同算法在网络生存期，吞吐量和传输延时这三个标准的性能。在该仿真中，试验区域设置为 100米 *100米，总的节点数为 200. 每一个节点的初始能量Ei=10J 。 MAC 的缓冲区的最大容量为 256K字节。基站的位置坐标为（ 50 ， 50 ）。整个仿真过程包括 10次环，每次循环中有 20 个节点想基站发送数据包，每个数据包的长度是 1024 比特。此外，节点在 packets/s 的速率下，会发生拥塞，其中 服从泊松分布，可以通过改变参数 r改变网络的负载级。算法中其余参数设置如下：

该参数设置对所有节点都适用。

我们是通过不同算法下网络生存期的比例来比较不同算法性能优劣的。所以，通过反复的仿真试验和对数据的分析，图 3给出了实验的结果。表明 LBMER 的平均网络生存期要大于 Min-Hop 路由算法和 MTPR 算法中网络的生存期，尤其是在网络拥塞严重的情况下。

图 4 ，图 5 是比较了不同算法在吞吐量和传输延时方面的性能差异。很明显 LBMER在这两方面表现出更好的性能，原因在于 LBMER 有效的缓解的节点的负载，负载的状况可以由缓冲占用比例和电池能耗比例表示。因此，网络延时明显减少，网络寿命被延长。

结论

本文提出了 WSN 中一种新的负载均衡能量最小化路由算法。该算法根据最小能耗和

MAC 中缓冲序列长度，选择最小能耗的路径，仿真结果表明，该算法可以使网络更好

的均衡负载和使网络的生存期最大化。