基于能量有效的物联网信息传输路由机制研究

　　ZigBee是物联网领域广泛应用的一种技术标准，本文从提高ZigBee网络节点电池能量利用效率出发，介绍了能量有效路由协议的类别，分析了能量有效路由选择量度。同时，根据ZigBee在物联网中的应用特性，讨论了能量均衡消耗的路由机制的主要特点和应用优势，为能量有效路由继旨在ZigBee网络中的应用提供了理论指导。

　　在采用ZigBee技术标准的物联网中，节点不仅有自身通信需求，同时还要频繁参与转发其它节点的数据分组和控制分组，从而消耗自己的电池能量。严重情况下，节点不仅自己不能通信，还有可能造成网络分割，导致大部分生存下来的节点之间无法通信。严重影响网络的整体性能。因此，节点电池能量的有效利用从而延长网络寿命在诸如ZigBee网络这样的无线传感器网络中是至关重要的。

　　1.能量有效路由协议分类

　　网络中的节点，要么处于通信状态，要么处于空闲状态。节点正在发送数据或接收数据时，处于通信状态;节点不进行数据收发时就处于空闲状态，但此时也需要消耗能量。按照节点状态的不同可以将能量有效路由协议分为两类：节省通信状态下能量消耗的路由协议和节省空闲状态下能量消耗的路由协议。

　　节省通信状态下能量消耗的路由选择方案研究主要包括两个方面：一方面，寻找源节点到目的节点总体消耗能量最少的路由。具体方法是控制节点的发送功率，使其达到保证正常传输数据分组的最小功率，通过降低路径的总传输功率来节省节点的电池能量，从而达到降低网络总体消耗能量的目的，如果每个节点的发送功率相同，寻找总发送功率最小的路由就成为寻一找最小跳数路由。这一类路由协议有MTPR、PARO和COMPOW等。另一方面，尽量使网络中的节点均衡地消耗能量，要求寻找路由时尽量选择剩余能量高的节点参与中继转发，同时避免使用剩余电池能量不足的节点加入路由，避免低电节点因耗尽电池能量退出网络而造成网络分割现象。这一类路由协议有LEAR、EDDSR、MBCR等。

　　节省空闲状态下的能量消耗的路由协议主要考虑在不影响正常通信的前提下。采用尽量将自己的工作模式调整到休眠或者关机的方一式来节能能量消耗。这一类路由协议有GAF、Span等。

　　不管哪种能量有效路由协议都不能保证在所有的网络场景中都是最优的，不同的情况下这些路由协议所表现出来性能是不同的，因此需要根据网络的具体情况来选择使用哪一种能量有效的路由协议。

　　2.能量有效路由选择量度

　　路由协议通常使用一些传统的度量指标来选择路由，例如DSR、TORA、AODV等都以最小跳数为度量路由的标准，DARPA结合最小跳数和链路质量为选择路由的度量标准，SRA则以消息和时延开销为路由度量指标等等。在这些路由协议中，业务量较多或参与较多数据分组和控制分组转发的节点容易相比网络中其它节点过快地耗尽电池能量，可能引起网络分割，对网络的寿命产生负面影响。

　　(1)最小化每分组消耗的能量

　　这是一种较为直接的节省网络能量消耗的度量方法。其基本思想是使分组所经路径的每跳链路消耗能量的总和最小化。在每条链路消耗能量相等的情况下，此量度相当于最小跳数量度。此量度使每个分组所消耗的能量最小化但它的主要缺点是可能导致网络中的节点能量消耗不均衡，而使部分节点比其它节点更快地耗尽电池能量，如图1所示。

图1 能量路由选择量度示意图

　　在这样的网络拓扑中，如果0-3、1-4、2-5的分组均选择节点6为转发节点，节点6就会因为业务量过大而过早地耗尽电池能量，这样就无法真正达到延长节点和网络寿命的目的。

　　(2)最大化网络分割出现时刻

　　此量度的目标是使网络中节点均衡消耗能量，尽可能地推迟网络分割出现的时刻。达到此目标的基本方法是找到容易引起网络分割的节点，尽量减少这些节点的业务量，使这些节点的寿命最大化，从而使网络分割出现的时刻最大化。但是如果要求同时满足低时延和高吞吐量，此量度很难被优化。

　　(3)最小化节点剩余能量水平差异

　　此量度要求网络中节点的剩余能量尽可能保持相等，从而保证节点的寿命尽可能相等，以达到均衡网络能量消耗、延长网络寿命的目的。

　　(4)最小化每个分组的开销

　　此度量旨在最大化网络中所有节点的寿命。用

　　表示节点i的开销函数，其中 假设为节点当前剩余能量，那么经过节点(

　　)的分组j的开销为：

　　其中，n1为源节点，nk为目的节点。

　　此度量的目标就是使分组j的开销cj最小化更加直观，开销函数

　　可以表示节点参与转发分组的意愿程度，

　　越小表示节点意愿程度越大，如式2：

　　此时剩余能量越多的节点开销越小，参与转发分组的可能性越大;反之，剩余能量越少的节点开销越大，参与转发分组的可能性越小。使用这种度量标准选择路由应尽量避开剩余能量较低的节点，从而使网络中所有节点的寿命最大化。

　　(5)最小化节点最大开销

　　仍然用 表示节点i的开销函数，那么路由r的开销Cr，为此条路由上开销最大节点的开销函数，此度量选择Cr最小的那条路由，也就是选择路径上节点开销最大值最小的那条路由。例如图1所示的网络拓扑中，0-3、1-4、2-5的分组选择路由时将会尽量避免选择节点6，这样就能使网络中的节点尽可能均衡地消耗能量。此度量保证避免选择能量最低的节点转发分组，使网络的寿命最大化。

　　3.能量均衡消耗的路由机制

　　能量均衡消耗的路由机制尽量让网络中所有节点均衡消耗能量，从而达到延长节点和网络寿命的目的。这类路由选择策略基于网络中所有节点都同等重要的假设，它们的共同不足是不能保证分组的传输总耗能最低，而且为了避开低电节点，不同程度地增加了源节点到目的节点的路径跳数。

　　(1)最小电池开销路由

　　最小电池开销路由(Minimum Battery Cost Routing，MBCR)把路径上所有节点的剩余电池能量总和作为路由选择的度量指标，选择的路径是源节点到目的节点总的剩余电池能量最多的路径。

　　假一设节点ni，在某一时刻的电池剩余能量为ei，

　　为反映节点剩余能量的开销函数，将它定义为：

　　可以看出，节点电池剩余能量与此开销函数成反比，剩余能量越大的节点，其开销函数就越小，它参与转发数据分组的意愿程度就越大，此节点被选作路径中间节点的几率也就越高;反之，剩余能量越小的节点，其开销函数就越大，它参与转发数据分组的意愿程度就越小。

　　设源节点与目的节点之间路径为

　　，其中n0是源节点，nd是目的节点，

　　那么路径j的电池开销定义为：

　　MBCR选择路径电池开销最小的那条路径r，即：

　　其中，A是源节点n0与目的节点之间所有可能路径的集合。

　　如果所有节点的剩余电池能量一样多，该方案相当于选择一个最小跳路由。MBCR选择总的剩余电池能量最多的那条路由，防止了节点的过度使用，在一定程度上延长了网络寿命，剩余能量充足的节点比剩余能量匮乏的节点更多地参与数据分组的转发，保存了低电节点的电池能量，推迟了网络分割的时间。但是，此量度只考虑了电池开销函数值的总和，也有可能选择包含剩余电池能量小的节点的路径。这样就会更快地耗尽原本剩余电池能量已不足的节点，从而无法达到均衡全网电池能量消耗、延长网络寿命的目的。

　　(2)最小最大电池开销路由

　　为了弥补MBCR所存在的不足，最小最大电池开销路由(Min-Max Battery Cost Routing，MMBCR)策略对MBCR做了适当的改进。MMBCR将以n0为源节点，以nd为目的节点的路径

　　性，的电池开销重新定义为：

　　其中， 是节点 在某一时刻的电池剩余能量，将节点电池开销

　　仍然采用(式3)的定义。

　　MMBCR选择电池开销最小的那条路径r，即：

　　其中，A是源节点与目的节点之问所有路由的集合。

　　MMBCR仍然把节点的电池剩余能量作为路由选择的量度，与MBCR不同的是，它不是选择总体电池开销最小的路由，而是选择路径上节点最大电池开销最小的那条路由。给定源节点与目的节点之间路径上电池能量最低的节点的剩余能量称为此条路径的瓶颈能量MMBCR选择的路径就是瓶颈能量最大的那条路径。MMBCR使电池能量充足的节点比电池能量匮乏的节点更多地参与数据分组的转发。

　　4.结语

　　随着物联网技术的飞速发展，基于能量有效的物联网信息传输路由协议也得到了不断的优化。目前，在ZigBee网络路由协议研究中，MMBCR在选择路由时避开了网络中剩余能量最少的节点，从而达到了全网的能量均衡消耗，延长了网络的寿命。但是，MMBCR和MBCR一样，不能保证在任何情况下都选择总传输功率最小的路径，因此，根据传输功率大小适时调整网络路由将成为提高ZigBee网络能量使用效率的发展方向。