基于能量有效的物联网信息传输路由机制研究.pdfVIP

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。

620)this.style.width=620;border=0alt=基于能量有效

的物联网信息传输路由机制研究src=技术

2021/dcd1wsatsum2021.jpg

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