面向智慧园区的WSN路由优化算法

【作者】 丁伟； 李树泉； 李思维； 唐良瑞； 孙丹丹；

【机构】 新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)； 国家电网公司客户服务中心； 北京国电通网络技术有限公司；

【摘要】 随着国家电网公司提出将国网客服中心南北园区建设为"国家电网能源技术与服务创新园区"的目标,实现对园区各种信息的实时监测,广泛集成能量、环境等信息变得刻不容缓。在这种情况下,以低功耗、低成本为优势的无线传感器网络(wireless sensor network,WSN)作为其他组网方式的有效补充,逐渐获得了广泛应用。无线传感器网络是由多个采集节点和汇聚(sink)节点构成的自组织网络,进而通过多跳转发的方式将采集数据发送到sink节点,由sink节点实现向上传送和数据存储。而路由算法是WSN网络层的核心,直接决定数据分组从源节点到目的节点的路径,从而直接影响网络的功耗。因此,对智慧园区中无线传感器网络的路由问题进行研究是十分必要的。在进行WSN路由算法设计时,只关注节点能耗的有效性,极易导致最小能耗路径上的节点产生拥塞,进而导致网络生命周期降低。反之,只追求节点能量的均衡消耗,将导致数据分组转发路径过长,降低节点能耗的有效性。因此,为节约网络能耗并实现能耗的均衡性,必须合理匹配节点能耗的有效性和均衡性。基于以上需求,针对智慧园区中WSN的特点,提出一种基于路由代价的WSN路由优化算法(optimized routing algorithm based on routing cost,RCOR)。首先提出了前向传输节点这一概念,然后在该条件下定义了一种新的路由代价函数,综合考虑了节点位置和剩余能量两个因素,主要包括节点靠近最短路径程度、前进距离和节点剩余能量3个参数。从降低传输能耗的角度出发,转发节点越靠近最短路径,数据分组单跳前进距离越大,到下一跳可选节点传输能耗越低,说明其更适合承担数据的转发。从均衡网络能耗的角度出发,考虑转发节点当前的剩余能量,其更直接地反映了该节点进行数据转发的能力,可以用来直接选择下一跳节点。最后,将以上3个因素融合成路由代价,传感器节点通过计算其邻居节点的路由代价,进而选取路由代价最小的邻居节点作为下一跳节点进行数据转发,即可完成数据分组的路由选择。路由代价函数不仅保证数据分组选择邻居节点中向sink节点最短路径方向上的节点作为下一跳,而且保证在避免路由回传、环路的情况下绕过低能量节点进行数据转发,既有效地节约了网络能量,又充分实现了网络能耗的均衡性。面向智慧园区的WSN路由优化算法主要包括以下几个步骤。(1)邻居发现:在网络初始阶段,所有传感器节点首先估算自身到sink节点的距离,然后传感器节点根据最大通信半径确定其邻居节点,进而确定前向邻居节点。(2)能量代价计算:基于邻居节点信息表(包括节点的前进距离、节点靠近最短路径程度、节点的剩余能量),计算每个前向邻居节点的路由代价。(3)路由选择:当节点进行数据转发时,若sink节点位于转发节点的通信半径范围外,则选择前向邻居节点中路由代价最小的节点作为下一跳;若位于节点的邻居节点范围内,则直接将数据发送给sink节点。RCOR中,传感器节点无需掌握整个网络的拓扑结构与状态参数,仅需要邻居节点的信息即可做出路由决策,路由算法具有较小的实现开销和更好的可扩展性,适用于智慧园区中WSN的应用。该路由算法能够有效节约和均衡网络的能耗,并延长网络的生存时间。更多还原