Lifetime Prediction Routing Protocol for

Wireless Sensor Networks 　

传感器网络的寿命预测路由协议

2008 年 5 月 9 日星期五

SUMMARY

文章提出的 LPDD(Lifetime Prediction Directed Diffusion)生命预测定向传播是一种新颖的能量感知的路由协议，旨在提高无线传感器网络的可存活性，并且不明显延长其反应时间 (a novel energy-aware routing protocol for sensor networks that aims at increasing network survivability without a significant increase in latency.)

协议背后的关键概念是通过预测在路径中最少能量的节点的电池寿命来进行路由路径自适应选择 (The key concept behind the protocol is the adaptive selection of routes by predicting the battery lifetime of the minimum energy nodes along the routes)

2008 年 5 月 9 日星期五

Key words:

传感器网络 sensor networks 能量感知 energy-aware 路由协议 routing protocol 寿命预测 lifetime prediction 直接传播 directed diffusion

2008 年 5 月 9 日星期五

1. Introduction 能量是传感器网络的一个极为稀缺的资源，必须通过聪明

地使用来达到在实际应用中尽可能延长其寿命的目的。 能量感知路由协议的设计目标包括了选择高能量效率的路

径和传输路径的跳跃次数尽可能的减少。 J.S. Heidemann, 等在文献〈 Directed diffusion for wirele

ss sensor networking 〉中提出的直接传播 (Direct Diffusion (DD)) 路由协议可以找到能量最少的路径来传播数据，但潜在的问题是使用最少能量的传输路径将可能导致路径上节点能量的耗空，更为糟糕的情况是导致网络的分裂(lead to network partition) 。

为解决这一问题，本文提出 LPDD ，一种新颖的能量感知的路由协议，旨在提高无线传感器网络的可存活性，并且不明显延长其反应时间。

本文定义的网络寿命为直到网络分裂发生时的时间跨度。

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2. Lifetime Prediction Directed Diffusion

LPDD 是一种基于查询驱动的数据需求模型，一个接收节点查询传感器节点的数据是否可用。

此协议的关键概念是增加网络的可存活性，也通过路径的剩余能量来进行路由路径的自适应选用，就算该路径可能不是最佳的路径。

这种路径是通过预测路由路径上各节点电池寿命来选择的，而这种预测并不是通过传送实际的信息来获取节点剩余能量信息来决定的。这就保证了传感器网络将尽可能长的存活，而网络中的节点将更有效地消耗能量。

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为了达到这点， LPDD 选用一组在接收和源节点中按跳的次数以升序排列的路径，并决定选用在路径上消耗最少能量的节点。

当使用第一个最小能耗路径经过一个特定的极限时间 T 后， LPDD 选择另一能耗最小路由路径，但并不通过信息的溢出来重新发现。 LPDD 因此允许更公平的使用节点资源。

极限时间 T 通过在路由中具有最小剩余能量的节点的预测电池寿命的百分比来计算。

为了测定 T ，采用 Rakhmatov 在文献 <Battery lifetime prediction for energy-aware computing>中提出的模型，这样可以更精确地预知电池在给定负载下的失效时间。。

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　　实际的参数是使用遵从 IEEE 802.15.4 协议的MICAz Mote 模型通过实验的方法来选择和检验的。LPDD 协议由以下步骤组成：

Step1 ：通过局部的洪泛来寻找一组从源到接收点的路由，并创建一个路由表，在此过程中计算出各路径上总的跳步数和最小的剩余能量节点。这些信息保持在接收节点的路由表中并以跳步数的升序排列。

Step2 ：通过 Rakhmatov 模型预测最小能量路径的最小能量节点的电池寿命。当 T 已计算出时，数据通过此路径从源节点发送到接收节点。

Step3 ：在 T 时间后，如果在路由表中没有路由，协议返回 Step1 。否则，设定另一最小能耗路径并返回到 Step2 。

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Example

当在 Step1 中计算出源节点与接收节点间的三条路径 A ， B 和 C ，如图 1 所示时，这些以跳步数升序排存放在接收节点的路由表中。同时，每个路径上的最小剩余能量节点也被保存在路由表入口处。

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Example

然后数据从源节点发送到接收节点使用 Step1 中的信息。比如，源节点首先使用具有最少跳步数的 A路径发送数据包。

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Example

当使用此路径达到极限时间 T 时， LPDD 选用下一路由（也就是路径 B）。如果在路由表中没有其它的路由可选时， LPDD 从 Step1 从新开始。

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3.Experimental Evaluation 　实验评测

为了评测本文提出的算法的性能，使用 NS-2(Network Simulator)进行建模和仿真。

假设在 670m×670m 的区域中有 100 个无线传感器节点，图 2 显示了由 DD 和 LPDD 计算的出来的路径的跳步数。

因为 DD 一直都是选择最小能耗路径，路径上的跳步数比 LPDD 所选择的路由约少 17% 。这就意味着使用 DD 时平均的传输时延将相应地比 LPDD短 17% 。

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图 3展示了具有不同的极限时间 T 的使用LPDD 算法的传感器网络的寿命估计值。

注意到当 T 设为 100% 时，LPDD 与使用DD 算法时无异。

LPDD 延长了整个网络的寿命是因为 LPDD 算法预测了最小能量节点的电池的寿命，并自适应地修改通讯路由路径，以避免某个节点因过早耗尽能量而影响整个网络的寿命。

如图 3 所示，当把 T 设为剩余电池能量的 40% 时，可以获得寿命的最大值。

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4. Conclusions 结论

本文提出一种自适应的路由算法， LPDD ，旨在延长传感器网络的寿命， LPDD 通过使用解析的模型预测传感器节点的电池寿命并自适应地改变路由路径来增大网络的存活性。

仿真结果表明网络寿命比使用 DD 路由协议时可延长 52% 并仅增加了 17% 的通讯反应时间。

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谢谢！