WSN中路由生成修复算法的设计与实现

答 辩 人 : 朱海燕 指导老师 : 刘玉华 教授

目 录1 绪论2 WSN 路由协议研究3 基于偏转角的蚂蚁路由生成算法的实现4 WSN 中一种新型路由修复算法的实现5 结论

1 绪论 无线传感器网络（ wireless sensor network ，

WSN ）是由一组按需随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信模块的微型传感器以自组织方式构成的无线网络 .

WSN 是当前国际上备受关注的、由多学科高度交叉的前沿研究热点领域之一 。其中 WSN 路由问题是该领域最为关注问题。

WSN 网络结构

WSN 网络体系结构

协议栈

传感器节点构造

WSN 路由协议的研究意义 设计目标与传统无线网络不同 网络中节点能量不可补给 节点数目庞大 节点只能获得局部信息

WSN 路由协议设计考虑因素 能量高效 可扩展性 鲁棒性 快速收敛性

本文的主要工作 根据 WSN 路由设计特点，结合蚂蚁算法，

提出一种基于偏转角的蚂蚁路由生成算法，并通过实验进行性能分析。

在已有路由修复算法的基础上，提出一种基于 sink 节点序号的路由修复算法。

2 WSN 路由协议研究 从路由发现策略的角度

主动路由，也叫表驱动（ Table Driven ）路由。与传统网络路由类似。

被动路由，也叫按需 (On Demand) 路由。 根据网络管理的逻辑结构

平面路由 分层路由

现有 WSN 平面路由协议 提供最短

路径支持节点移

动计算路由建立或维护开销

支持多路径

支持单路径

Flooding 提供 支持 不需要 支持 不支持

SPIN 可能 支持 不需要 可能 可能DD 可能 不支持 需要 支持 不支持

Rumor 不提供 支持 需要 不支持 支持GPSR 接近于 不支持 需要 不支持 支持TBF 不提供 不支持 需要 可能 可能

AODV 提供 支持 不需要 支持 不支持QL 可能 不支持 不需要 可能 可能

ERUP 可能 支持 不需要 不支持 支持

现有 WSN 分层路由协议 提供最短

路径支持节点移动

计算路由建立或维护开销

支持多路径

支持单路径

LEACH 提供 支持 不需要 支持 不支持

PEGASIS 可能 支持 不需要 支持 不支持

TEEN 可能 不支持 需要 支持 不支持

TTOD 不提供 支持 需要 支持 不支持

SAR 接近于 不支持 需要 可能 可能

本文路由算法特点 已提出路由协议从不同方面解决路由问

题 但考虑问题都不够全面 本文所提出算法均属于平面路由 从能量节省、最短路径、维护开销等方

面考虑，本文所提出算法能够在均衡使用整个网络能的基础上快速找到最优路径。

3 基于偏转角的蚂蚁路由生成算法的实现 蚂蚁算法原理

蚂蚁算法的本质 选择机制 信息素越多的路径 , 被选择的

概率越大 ; 更新机制 路径上面的信息素随蚂蚁的

经过而增长 , 而且同时也随时间的推移逐渐挥发消失 ;

协同机制 蚂蚁之间实际上是通过信息素来相互通信、协同工作的。

蚂蚁算法实例

应用蚂蚁算法的 WSN 路由优势 节点能力有限 ( 单个蚂蚁工作能力 ) 局部工作 ( 局部信息影响 ) 链路质量 ( 加入节点能量作选择因素 ) 支持多路径 ( 每一条存在路径都可能被

选择 )

WSN 中的三种模型描述 数据源选择模型

事件半径模型（ ER ） 随机源节点模型（ RS ）

路由寻径模型

能量模型

应用蚂蚁算法求解 WSN 路由问题 偏转角 路由生成步骤

使用 ER 模型生成源节点 在各源节点上分别放置一只蚂蚁 使用蚂蚁算法选择下一跳节点 多次循环产生源节点到 sink 节点的路径 从所生成的路径中选择一条最优路径作为最后数据传输路径

基于偏转角的蚂蚁路由算法实现 参数设置

单个蚂蚁的约束条件 根据路径上的信息素浓度，以相应的概

率来选取下一步路径； 不再选取自己本次循环己经走过的路径

为下一步路径，用一个禁用列表 (tabu list) 来控制这一点；

当完成了一次循环后，根据整个路径长度来释放相应浓度的信息素，并更新走过的路径上的信息素浓度。

公式

具体算法

算法的时间复杂度 由 For ， While 等语句得出该算法时间

复杂度为 每个节点的邻居节点数量不多，改算法

整体上说收敛度较高。

仿真性能分析 实验假设

网络中只有一个 sink 节点，且能量可补给； 传感器网络的所有节点的结构相同，且节点

能力有限； 传感器节点位置固定； sink 节点事先已知所有传感器节点位置，且永远可信任；

传感器节点感知范围内节点可以直接通信。

仿真场景的搭建

参数设置规律 反馈量，越大，算法收敛性越高 . 残留信息素的重要程度，越大，信息

素对蚂蚁决策影响越大。 能见度的重要程度，越大，对能见度

（即距离）的依赖性越强。偏转角增加了其对收敛性的影响。

对算法有双重影响。

实验的两个阶段假设实验的一组可行参数组合为（ 1 ） （ 2 ）

参数初始设置 每个无线传感器节点的初始能量为 0.5J; 能量阈值为 0.05J; 无线通信范围为 30m; 路由建立过程中使用的查询数据包大小设置为 2000bit

s; 当传输数据量为 1bit 的消息时，发送电路和接受电路

能源消耗为 =50nJ/bit, 其中参数 取决于接收器的敏感度和噪音，一般取值 100pJ/bit/m2；

由于蚂蚁所选择的下一跳节点是其邻居节点，所以算法中使用自由空间能量衰减模型； 的一组初始可行值设定为 {4 ， 5 ， 0.3 ， 0.9}.

不考虑偏转角因素时

单次循环最优路径长度 单次循环能量消耗 单次循环最优路径长度的最小值

考虑偏转角因素时

单次循环最优路径长度 单次循环能量消耗 单次循环最优路径长度的最小值

在考虑偏转角因子的前提下，使用不同参数组合所得实验数据 参数取值变化(考虑偏转角因

子 )

单次循环所得最优路径的平均值

单次循环能量消耗

最佳最优路径长度

一组可行取值(循环次数为 800

次 )4 5 0.3 0.9 203.97 0.0429 171.02

第一阶段 (循环次数为 900次 )

2 7 0.5 0.5 202.18 0.0422 169.23

3 6 0.7 0.4 199.67 0.0391 179.59

4 7 0.75 0.1 196.09 0.0428 163.14

第二阶段 (循环次数为 700次 )

6 1 0.1 1.0 196.53 0.0479 176.45

7 3 0.15 1.5 190.45 0.0404 157.50

8 2 0.2 2 203.30 0.0426 170.35

在不考虑偏转角因子的前提下，使用不同参数组合所得实验数据 参数取值变化(不考虑偏转角因子 )

单次循环所得最优路径的平均值

单次循环能量消耗

最佳最优路径长度

一组可行取值(循环次数为 150

0次 )4 5 0.3 0.9 381.49 0.0797 359.94

第一阶段 (循环次数为 2000次 )

2 7 0.5 0.5 638.00 0.1371 616.46

3 6 0.7 0.4 676.23 0.1318 640.62

4 7 0.75 0.1 610.92 0.1320 589.38

第二阶段 (循环次数为 1000次 )

6 1 0.1 1.0 375.97 0.0877 347.84

7 3 0.15 1.5 499.85 0.1108 478.31

8 2 0.2 2 338.84 0.0639 311.32

4 WSN 中一种新型路由修复算法的实现 在大多数基于洪泛（ Flooding ）的平面

路由协议中，路由发现或者路由重新发现包都是全向广播的，这带来了相当的通信开销和额外的无线信道竞争。

路由修复算法可以有效减少路由重建所带来的开销。

基于 sink 节点序号的路由修复算法 (SSRUA) 的实现步骤（ 1 ）使用 AODV 算法建立源节点到 sink 的路由，并保存每个节点

sink 节点序号；（ 2 ）网络中不工作节点进入休眠状态；（ 3 ）判断节点消失，启动修复程序（ 4 ）从消失节点的上一跳节点 b 发起RRQ ，并设置 TTL=2 ，时

间阀值 Timeout ；RRQ 转发时，老路由路径上节点 TTL 值不变，其他节点 TTL 的值减 1 ， TTL=0 时，该节点不再转发 RRQ；遇到 sink 节点或者可以连接到 sink 节点的节点，则反向发送RRLY ，最后路由建立成功；

（ 5 ）当 b 节点的 Timeout 为零时，路由还建立不成功，重新发送RRQ ，并设置 TTL=3 ，时间阀值 Timeout ，重复（ 4 ），

（ 6 ）当 TTL 的值等于 b 节点的 sink 节点序号，路由建立还不成功时，由 b 节点沿老路由路径的上一跳节点 c 发送RRQ ，重复节点 b 的操作。依次类推，最终路由修复成功。

路由修复实现过程（ 1/2 ） 网络初始化 使用 AODV 建立路由

路由修复实现过程（ 2/2 ）

SSRUA 与已有算法的比较 比较参数 AODV QL ERUP SSRUA

使用老路由路径信息 不使用 使用 使用 使用

使用节点到 sink的序列号 不使用 不使用 不使用 使用

解决零星节点消失问题 解决 解决 解决 解决

解决大范围节点消失问题 解决 不解决 解决 解决

均衡使用网络能量 不均衡 不均衡 不均衡 均衡

（ 1 ） SSRUA 不仅利用了老路由路径上的方向信息，还用到每个节点到 sink 节点的序列号，这点比 ERUP 要好， ERUP 要预先圈定一个路由发现区域来进行路由更新，而 SSRUA 不需要。

（ 2 ） SSRUA 考虑到传感器网络中不是所有的节点都参与数据传送，让不活动的节点进入休眠状态，来减少能量开销，而其他协议比如 ERUP没有考虑这种情况。

（ 3 ） SSRUA还考虑到传感器网络中一个节点可能处在几条路由路径上，所以这个节点可能处于高强度工作状态下，不能即时处理某些路径上的数据传送。

（ 4 ）在 SSRUA 中判断节点消失时也考虑到节点过于繁忙，限定时间内不能得到响应，将进行路由修复。这样就有效维护了整个网络的正常运行，也符合整个网络的能量均衡运用的原理。

5 结论 小结

在分析现有 WSN 路由协议的基础上，结合蚂蚁算法中人工蚂蚁协同工作的特点，提出一种 WSN 路由生成算法，其中在蚂蚁选择考虑因素中加入了能量、偏转角参数；

通过不同参数组合，测试路由生成算法的整体性能，并比较分析了考虑偏转角参数与不考虑偏转角参数两种情况；

结合网络中已有信息，提出一种基于 sink 节点序号的路由修复算法。

展望 蚂蚁选择下一跳概率考虑因子以及参数组合需进行更多实验

验证。 路由修复算法中，结合已有算法，进行更详细的讨论。

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参加的项目[1] 国家自然科学基金项目“重叠网络中避免集散节点形成的拓扑控制机制研究”（项目编号： 60673163 ）

[2] 横向课题基金“基于无线网的移动端稳定性研究”（项目编号： 234838 ）

发表的论文[1]Yuhua Liu, Haiyan Zhu, Kaihua Xu, Wei Teng. “An Improved Route Repair Approach of Wirel

ess Sensor Networks”. Proceedings of the International Multi-Symposiumson in Computer and Computational Sciences (IMSCCS|06). IEEE Computer Society Order Number P2581 ISBN 0-7695-2581-4, Hangzhou, Zhejiang, China, 20-24 June 2006, PP. 662-665. (EI/ISTP 收录 )

[2]Yuhua Liu, Wei Teng, Kaihua Xu, Haiyan Zhu. “A Genetic Algorithm with Dual-Structure Code and Adaptive Strategy for Link Enhancement Problem”. Proceedings of the International Multi-Symposiumson in Computer and Computational Sciences (IMSCCS|06). IEEE Computer Society Order Number P2581 ISBN 0-7695-2581-4, Hangzhou, Zhejiang, China, 20-24 June 2006, PP. 699-705. (EI/ISTP 收录 )

[3] Kaihua Xu, Yuhua Liu, Hao Huang, Haiyan Zhu.“The Research of Optimization Algorithm of Network Capacity Expansion with Constraints”. The 3th International Conference on Impulsive Dynamical Systems and Applications. Published by the journal of Dynamics of Continuous, Discrete and Impulsive Systems (DCDIS). Qindao, China, 21-23 July 2006.(SCI/ISTP 收录 )

[4]Yuhua Liu , Wei Teng , Kaihua Xu ,Haiyan Zhu.“The Solution for Link Enhancement Problem Based on Ant Algorithm”, Proceedings of the Fifth International Conference on Computer and Information Technology CIT 2005, IEEE Computer Society Order Number P2432 ISBN 0-7695-2432-X, Shanghai, China, September 21-23,2005, PP. 447-451. (EI/ISTP 收录 )

[5] 朱海燕 , 刘玉华，许凯华 , 朱长武 . 传感器网络中基于 sink 节点序号的路由修复算法 .第十五届中国计算机学会网络与数据通信学术会议 . 中山大学学报 ( 自然科学版 ) ，广州， 2006年 5月，第45卷 pp.118-121.(EI 收录 )

[6] 朱海燕，刘玉华，许凯华，贾永灿 . WSN 中一种基于偏转角的蚂蚁路由算法 . 计算机工程与应用 .2007 年，第 42卷，第 12期， pp.124-126.

感谢各位参加答辩的专家、老师和同学