Lifetime Prediction Routing Protocol for Wireless Sensor Networks

1. Lifetime Prediction Routing Protocol for Wireless Sensor Networks 传感器网络的 寿命预测路由协议

2. 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)

3. 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

4. 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 wireless 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。

5. 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。

6. 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。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。。

7. 　　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。

8. 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。

9. 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。

10. 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。

11. 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%。

12. 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。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。

13. 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。

14. 谢谢！