李　丹　陳傳峰

摘 要：結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡面向應用的實際需求，提出一種新穎的能量感知型無線傳感器網(wǎng)絡跨層協(xié)議ECLC，并給出了實現(xiàn)過程和仿真結(jié)果?；谥攸c關(guān)注熱點能耗的策略，綜合WSN在能量高效、可擴展性、服務質(zhì)量等方面的不同要求，設計了簡單可靠、易于實現(xiàn)的跨層式WSN網(wǎng)絡協(xié)議。仿真結(jié)果表明：ECLC協(xié)議在傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)層面較好地改善能量消耗的有效性和均衡性，因而避免了網(wǎng)絡中熱點的過早出現(xiàn)，延長了整個網(wǎng)絡的生存期。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡;跨層協(xié)議;能量高效;熱點

中圖分類號：TP393文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2009)05-007-04

Energy-aware Cross-layer Communication Protocol for Wireless Sensor Network

LI Dan,CHEN Chuanfeng

(Institute of Physics and Information Engineer,Fuzhou University,Fuzhou,350004,China)

Abstract：This paper proposes a new type of energy-aware cross-layer protocol for Wireless Sensor Network(WSN),and gives the realization process and simulation results.From the actual application of WSN,integrating energy high-efficiency,expandability,quality of service and other different requirements,this paper designs the protocol,which focuses on the strategy of hotspot.The simulation result shows:this protocol can enhance the efficiency and balance of energy consumption in terms of sensor networks system,therefore,the premature emergence of hot spots is avoided and the life span for the whole network is prolonged.

Keywords：wireless sensor networks;cross-layer protocol;energy-efficient;hotspot

0 引 言

無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Networks,WSN)是一種特殊的無線自組織通信網(wǎng)絡。其區(qū)別于傳統(tǒng)無線自組織網(wǎng)絡的特點包括：節(jié)點數(shù)量特別巨大、節(jié)點硬件功能簡單、應用場境復雜、各種資源受限等。能量資源受限是WSN主要的瓶頸之一［1］。

能量感知型WSN協(xié)議重點強調(diào)高效利用能量的重要性，其設計思想主要是在WSN各層協(xié)議中引入能量優(yōu)化算法，通過控制整個網(wǎng)絡的能耗平穩(wěn)性和高效性，從而達到在系統(tǒng)層面上改善傳感器網(wǎng)絡能耗特性、減少傳感器網(wǎng)絡的熱點并延長整個網(wǎng)絡的生存周期的目的。為了解決能耗問題，研究者提出了眾多的解決途徑，文獻［2］提出的SPEED協(xié)議采用基于位置的思想，提供擁塞控制和軟實時保障，從而降低通信沖突；文獻［3］提出的SPIN協(xié)議則是利用基于數(shù)據(jù)的思想，通過引入抽象的元數(shù)據(jù)概念避免資源的盲目利用；Shah R C等人則直接設計了基于能量優(yōu)化的路由協(xié)議［4］。然而后續(xù)研究表明［3,5,6］，在網(wǎng)絡某一層單獨引入能量優(yōu)化策略的效果并不明顯，并且可能會惡化其他層的能耗特性?？鐚觾?yōu)化思想利用網(wǎng)絡各層信息的有機交互，可以避免各層獨立優(yōu)化時引起的層間干擾。

本文基于這一思想，設計了一種簡單可靠的跨層式通信協(xié)議ECLC(Cross-Layer Communication Protocol),仿真結(jié)果表明：ECLC協(xié)議在保障網(wǎng)絡流量和網(wǎng)絡效率的前提下，可以較好地改善網(wǎng)絡的能耗特性，延長網(wǎng)絡的生存時間。

1 ECLE協(xié)議的設計目標

ECLC協(xié)議首要目標是改善整個網(wǎng)絡的能耗特性；利用路由層與MAC層之間交互各自的能量信息，因此設計目標完全以實際應用的需求和可實現(xiàn)性為出發(fā)點。

1.1 能耗特性

網(wǎng)絡整體能耗效率［2］ ：整個網(wǎng)絡的生存周期內(nèi)，網(wǎng)絡總能量(全部節(jié)點的初始能量之和)與整個網(wǎng)絡采集到的數(shù)據(jù)量之比值?？杀硎緸?

И

η=e玦n玙玏SN獶玏SN=∑ni=1e玦n玙i

/∑ni=1D璱

(1)

И

其中:玡璱n-WSN表示整個WSN的初始能量;獶璚SN為WSN在整個生存期內(nèi)探測到的數(shù)據(jù)量;玡璱n-玦為節(jié)點玦的初始能量;D璱為節(jié)點i在其生存期內(nèi)探測到的全部數(shù)據(jù);n為該WSN節(jié)點的個數(shù)。該指標衡量了WSN路由協(xié)議的整體能量效率。

網(wǎng)絡能耗平穩(wěn)度［2,4,7］：在任意時刻，整個網(wǎng)絡中所有節(jié)點剩余能量的均方誤差?？杀硎緸?

И

σ2=E［e玶em－E(e玶em)］2

(2)

И

其中:隨機變量玡璻em表示W(wǎng)SN節(jié)點的剩余能量。剩余能量均方誤差衡量了整個網(wǎng)絡能耗的平穩(wěn)性，通過控制剩余能量均方誤差，可防止部分節(jié)點過早耗盡能量。

網(wǎng)絡生存時間［8-10］：從網(wǎng)絡開始工作到有一定數(shù)量的節(jié)點死亡［7］。該指標主要從時間角度考察了路由協(xié)議的整體性能；在WSN的實際應用過程中，網(wǎng)絡生存時間是很關(guān)鍵的指標之一。

1.2 可擴展性與容錯能力

由于WSN的應用環(huán)境復雜多變，節(jié)點失效、節(jié)點位置變化、新節(jié)點的加入都會引起網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的變化，這就要求網(wǎng)絡協(xié)議具有很強的擴展性［5］。另外由于節(jié)點死亡或無線鏈路本身的缺點會造成通信失敗等故障，因而又對協(xié)議的容錯能力有較高要求。

1.3 快速收斂性

WSN的能量和通信帶寬等資源十分有限，因此要求協(xié)議能夠快速收斂［9］，以適應網(wǎng)絡拓撲的動態(tài)變化，減少通信協(xié)議開銷，提高信息傳輸效率。

1.4 服務質(zhì)量(QoS)

WSN協(xié)議的QoS［10］主要包括傳輸時延、數(shù)據(jù)精度、帶寬利用率等指標。一旦考慮了服務質(zhì)量，那么必然要在QoS和能耗特性之間選擇平衡。

2 ECLC協(xié)議的描述

2.1 基本定義

為了后面描述的方便，先給出以下基本定義:

鄰居(Vicinage)：與節(jié)點獳可以直接通信的節(jié)點稱為節(jié)點A的鄰居。節(jié)點A的所有鄰居構(gòu)成它的鄰域,記為V瑼 。

前向鄰居(Forward Vicinage)：數(shù)據(jù)傳輸過程中可以成為節(jié)點獳下一跳節(jié)點的鄰居。節(jié)點A的所有前向鄰居構(gòu)成它的前向鄰居集；記為FVS瑼。

后向鄰居(Backward Vicinage)：如果節(jié)點獳是節(jié)點B的前向鄰居，那么節(jié)點B就稱為節(jié)點A的后向鄰居。節(jié)點A的所有后向鄰居構(gòu)成它的后向鄰居集,記為BVS瑼 。

目的節(jié)點(Termini Node)：不需其他節(jié)點路由，可直接將數(shù)據(jù)包發(fā)送給Sink的節(jié)點。

熱度：節(jié)點建立通信鏈路的頻繁程度。

2.2 信道接入

無線信道訪問機制采用IEEE802.11 CSMA/CA機制［11］。需要使用信道的節(jié)點首先偵聽信道是否空閑，如果信道空閑且經(jīng)過一個DIFS時序間隔后仍為空閑狀態(tài)，那么發(fā)送節(jié)點直接開始發(fā)送分組數(shù)據(jù)；否則發(fā)送節(jié)點一直偵聽信道直至信道最終空閑下來并且超過DIFS時序間隔，此時發(fā)送節(jié)點將啟動退避機制。圖1描述了CSMA/CA機制的基本訪問方式。

圖1 CSMA/CA 的基本訪問機制

2.3 鏈路選擇

當系統(tǒng)布設完畢進入穩(wěn)定狀態(tài)后，Sink節(jié)點開始廣播HELLO消息，其格式如圖2所示。

圖2 HELLO消息幀格式

該數(shù)據(jù)包共16個字節(jié)，其各字段含義如下：

NOP：用來標識采用何種協(xié)議，包括協(xié)議的名稱代碼、版本號等信息；

TID：HELLO消息的來源，因為系統(tǒng)中往往不止一個節(jié)點可直接向Sink發(fā)送數(shù)據(jù)；

NOT：該數(shù)據(jù)包被轉(zhuǎn)發(fā)的次數(shù)，Sink節(jié)點廣播此消息時該字段為0，每轉(zhuǎn)發(fā)一次，該字段值加1，終節(jié)點發(fā)送時此字段值為1；

TRID：發(fā)出該數(shù)據(jù)包的節(jié)點ID；

EREM：發(fā)出該數(shù)據(jù)包的節(jié)點的當前剩余能量；

HELLO:消息內(nèi)容；

HOT:發(fā)送該消息的節(jié)點“熱度”；

ONM：用來標記每次建立路由，在一次建立路由過程中，消息編碼固定，Sink節(jié)點移動位置或其他情況下需要重建路由時，修改該字段；

SP：用來填補該數(shù)據(jù)包的空余，該字段值為0。

當某個節(jié)點收到此消息后，完成下面動作:

(1) 檢測數(shù)據(jù)幀，檢測步驟如下：

① 查看數(shù)據(jù)包的消息代碼字段，檢查與上次接收到的協(xié)議編號是否相同(首次接收到判為不同)；若相同轉(zhuǎn)步驟③；否則轉(zhuǎn)步驟②；

② 清除鄰居列表信息，重新建表；

③ 查看HELLO消息數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點ID字段，若該節(jié)點已包括在后向鄰居列表中，則丟棄該包；

④ 將轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點ID添加到前向鄰居列表。

(2) 發(fā)送一個名為“COUNTERSIGN” 的確認消息數(shù)據(jù)包，消息格式如圖3所示：

圖3 COUNTERSIGN消息幀格式

該數(shù)據(jù)包共有16個字節(jié)，各字段含義如下：

NOP：與HELLO消息的相應字段相同；

TRID：產(chǎn)生并發(fā)送該消息的節(jié)點ID；

COUNTERSIGN：消息內(nèi)容；

REIDL：該字段包含了需接收該消息的全部節(jié)點ID；

SP：與HELLO消息的相應字段相同。

(3) 轉(zhuǎn)發(fā)HELLO消息，其過程為：

① 修改轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)字段，給其值加1；

② 將轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點ID、“熱度”、剩余能量替換為自己的相應值；

③ 發(fā)送HELLO消息。

(4) 接收確認消息，修改其后向鄰居表。

2.4 建立通信鏈路

當某個節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，它在自己的前向鄰居中選擇一個節(jié)點作為接收點,其選擇步驟如下：

(1) 根據(jù)前向鄰居表內(nèi)各個鄰居的“熱度”，避開比較熱的節(jié)點；

(2) 啟用功率管理算法計算最佳傳輸距離范圍；

(3) 在最佳傳輸距離范圍內(nèi)選擇剩余能量最大的節(jié)點作為它的下一跳。

2.5 數(shù)據(jù)傳輸

傳感器節(jié)點產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包格式如圖4所示，數(shù)據(jù)包中各字段含義如下：

NOP：與HELLO消息相同；

REID：接收該數(shù)據(jù)包的節(jié)點ID；

NOT：表示該數(shù)據(jù)包被發(fā)送的次數(shù)；源節(jié)點發(fā)送時該字段值為1;

TRID：發(fā)送該數(shù)據(jù)包的節(jié)點ID；

DATE：數(shù)據(jù)包的內(nèi)容；

SP：補充數(shù)據(jù)包的空余，該字段值為0。

圖4 數(shù)據(jù)幀格式

數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)過程如下：

(1) 當某個節(jié)點接收到該數(shù)據(jù)包時，檢測接收節(jié)點ID是否與自己ID一致，若不一致丟棄該包，再檢測發(fā)送節(jié)點ID是否在自己的后向鄰居列表中，若發(fā)送節(jié)點ID不在自己后向鄰居列表中，則丟棄該包。否則接收該包并緩存。

(2) 數(shù)據(jù)包被緩存后，該節(jié)點將該數(shù)據(jù)包的接收節(jié)點ID字段替換為它的下一跳ID，將發(fā)送節(jié)點ID字段修改為自己的ID,然后將數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。

3 仿真分析

利用OPNET仿真平臺對設計的通信協(xié)議進行了仿真，在200×100的區(qū)域中，共隨機布設了120個節(jié)點，仿真環(huán)節(jié)的各項參數(shù)設置如表1所示。

表1 仿真過程的參數(shù)設置

參數(shù)項值

路由協(xié)議AODV/DSR/SPEED/GPSR/SPIN/ECLC

MAC協(xié)議802.11

物理信道AWGN

數(shù)據(jù)包大小64 Kb

傳輸帶寬32 Kb/s

布設范圍200×100

最大通信距離30 m

節(jié)點分布方式隨機

節(jié)點數(shù)量120

3.1 ECLC的能耗特性分析

圖5表示了AODV［12］,DSR［13］,SPEED［2］,GPSR［14］,SPIN［3］(MAC層采用802.11協(xié)議),ECLC六種協(xié)議在傳輸相同數(shù)據(jù)量的條件下的能耗特性，可以看出：與其他幾種協(xié)議相比，未使用跨層交互機制時幾種協(xié)議能耗特性相差較小，原因是幾種協(xié)議的MAC層訪問機制相同；而在開啟跨層優(yōu)化功能后，ECLC可以很好地避免沖突與網(wǎng)絡擁擠，因而減少了能量浪費。圖5是未開啟跨層優(yōu)化時各種協(xié)議的能耗比較；圖6是開啟跨層優(yōu)化后各種協(xié)議的能耗比較。

3.2 ECLC網(wǎng)絡生存時間的影響

在仿真路由協(xié)議對網(wǎng)絡生存時間的影響時，選擇節(jié)點死亡數(shù)目超過1/3的時刻作為WSN的失效時刻［8］,即在仿真時，當死亡節(jié)點數(shù)量達到40時，表示W(wǎng)SN死亡。圖7表示了多次仿真取算術(shù)平均值的網(wǎng)絡生存時間比較圖。從圖中可以看出，ECLC可以最大限度地延長網(wǎng)絡生存周期，這是因為ECLC協(xié)議更好地控制了所有節(jié)點能量消耗的平穩(wěn)性，因而不會導致部分區(qū)域過早出現(xiàn)熱點而引發(fā)連鎖效應。

圖5 各種協(xié)議能耗比較圖(ECLC未采用跨層優(yōu)化)

圖6 各種協(xié)議能耗比較圖(ECLC啟用了跨層優(yōu)化)

圖7 網(wǎng)絡生存時間

4 結(jié) 語

本文通過采用跨層機制來交換層間能耗信息，設計了一種簡單可靠的能量感知型無線傳感器網(wǎng)絡通信協(xié)議ECLC，并給出了實現(xiàn)過程。在理論分析的基礎(chǔ)上，用OPNET仿真平臺對所設計的協(xié)議進行了仿真分析，結(jié)果表明：ECLC通信協(xié)議對節(jié)點數(shù)量特別巨大的傳感器網(wǎng)絡的能耗特性有很好的改善作用，可以顯著改善整個WSN網(wǎng)絡能耗的均衡性，從而延長了網(wǎng)絡的生存時間。由于無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議有很強的應用相關(guān)性，后續(xù)工作將包括：進一步優(yōu)化ECLC協(xié)議細節(jié)，增強其各種性能，尤其是增強可移植性，使其成為一種開放式WSN 通信協(xié)議。

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作者簡介 李 丹 女，1983年出生，碩士研究生。研究方向為無線傳感器網(wǎng)絡。