無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)中延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期的機(jī)會(huì)路由

　　摘要:根據(jù)無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)特征，以延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期為目的，設(shè)計(jì)了一種結(jié)合節(jié)點(diǎn)剩余能量與地理位置信息的機(jī)會(huì)主義路由協(xié)議GEOR，并給出了一種基于跳數(shù)的節(jié)點(diǎn)通訊范圍算法。實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果表明:相比于傳統(tǒng)的路由協(xié)議ExOR及以能耗為目的的路由協(xié)議PLOR，協(xié)議GEOR有效延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)生命周期，均衡了節(jié)點(diǎn)能耗。

　　關(guān)鍵詞:生命周期,機(jī)會(huì)路由,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[1](WirelessSensorNetworks，WSNs)是由很多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的多跳網(wǎng)絡(luò)，普遍應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。由于網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量由電池供應(yīng)，能量存儲(chǔ)有一定的限制，所以如何改善網(wǎng)絡(luò)的生存周期，使節(jié)點(diǎn)的能量消耗變得均衡尤為重要。

　　而在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，在均衡能量消耗方面，設(shè)計(jì)低能耗的路由協(xié)議起到了舉足輕重的作用，其中，Biswas[2]等人首先提出的機(jī)會(huì)路由[3-4]充分利用無(wú)線鏈路的廣播特性和異變性，考慮節(jié)點(diǎn)選擇下一跳轉(zhuǎn)發(fā)路徑的機(jī)會(huì)性，從而有效提高了無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)的可靠性，減少了數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)，對(duì)照傳統(tǒng)的路由協(xié)議，機(jī)會(huì)路由有效的提高了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。在節(jié)能機(jī)會(huì)路由的研究中，文獻(xiàn)[5]結(jié)合節(jié)點(diǎn)的成功傳輸次數(shù)與節(jié)點(diǎn)剩余能量，提出了一種候選節(jié)點(diǎn)選擇策略，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間有了明顯的提高。

　　文獻(xiàn)[6]利用地理信息，提出一種自適應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)集優(yōu)化算法，優(yōu)化傳輸效率并最大化網(wǎng)絡(luò)生命周期。文獻(xiàn)[7]綜合考慮了節(jié)點(diǎn)剩余能量和鏈路上收發(fā)雙方總能耗，同時(shí)引入隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼，設(shè)計(jì)了一種轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集選擇算法。不僅保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃�，也�?yōu)化了網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。

　　上述研究從優(yōu)化節(jié)點(diǎn)候選集出發(fā)，通過(guò)減小節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的能耗來(lái)降低網(wǎng)絡(luò)能量消耗。由于候選集節(jié)點(diǎn)的數(shù)量大小也會(huì)影響無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的性能，文獻(xiàn)[8-10]分別提出幾種控制節(jié)點(diǎn)數(shù)量的方法。文獻(xiàn)[10]考慮了節(jié)點(diǎn)間隔距離、網(wǎng)絡(luò)密度等因素，設(shè)計(jì)了一種候選節(jié)點(diǎn)數(shù)量選取算法，減少了網(wǎng)絡(luò)中冗余的候選節(jié)點(diǎn)，提升了網(wǎng)絡(luò)的性能。智能電表網(wǎng)狀網(wǎng)(AMImeshnetwork)是由多個(gè)智能電表組成的一種多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，相比于有線通信的組網(wǎng)方式，無(wú)線通信的模式使得傳感器節(jié)點(diǎn)部署便利，成本低廉[11]。

　　文獻(xiàn)[12]以此為背景，將機(jī)會(huì)路由應(yīng)用在智能電表網(wǎng)狀網(wǎng)中，提出盡快完成采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C(jī)會(huì)路由問(wèn)題，將機(jī)會(huì)路由候選節(jié)點(diǎn)選擇問(wèn)題建模并求解。文獻(xiàn)[13]考慮數(shù)據(jù)流的分布，將機(jī)會(huì)路由選擇問(wèn)題描述成凸優(yōu)化問(wèn)題，并且提出了一種多流機(jī)會(huì)路由算法以提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量。本文以智能電表為應(yīng)用背景，在多跳無(wú)線的組網(wǎng)形式下，結(jié)合該網(wǎng)絡(luò)固有的特征，設(shè)計(jì)了一種基于地理位置信息、以均衡節(jié)點(diǎn)能耗為目的的機(jī)會(huì)主義路由協(xié)議GEOR，旨在保證數(shù)據(jù)傳輸可靠性的同時(shí)，有效延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

　　1問(wèn)題描述

　　其中，節(jié)點(diǎn)D作為目的節(jié)點(diǎn)，剩余節(jié)點(diǎn)均作為源節(jié)點(diǎn)。其網(wǎng)絡(luò)特征總結(jié)如下:(1)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)排列有序，節(jié)點(diǎn)間最小間隔距離相同;(2)已知地理位置信息，且網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基本不變;(3)在數(shù)據(jù)采集階段，源節(jié)點(diǎn)傳送單個(gè)數(shù)據(jù)包到目的端。

　　傳統(tǒng)的以地理距離為測(cè)度的機(jī)會(huì)路由(如GeRaF)，僅考慮地理位置來(lái)決定節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級(jí)，造成過(guò)度利用距離目的節(jié)點(diǎn)較近節(jié)點(diǎn)的問(wèn)題，第一個(gè)死亡節(jié)點(diǎn)的出現(xiàn)時(shí)間較早，導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期較短。

　　針對(duì)上述問(wèn)題，將節(jié)點(diǎn)的剩余能量作為參考因素，提出了一種將節(jié)點(diǎn)剩余能量與地理距離結(jié)合的路由測(cè)度，在選擇節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)集時(shí)，優(yōu)先選擇距離目的節(jié)點(diǎn)近且能量高的節(jié)點(diǎn)�？紤]如下路由測(cè)度公式:REEi=REi/d(i，D)(1)其中，REi指代節(jié)點(diǎn)i的剩余能量，d(i，D)指代節(jié)點(diǎn)i與目的節(jié)點(diǎn)D之間的距離。以RRE作為一種候選集節(jié)點(diǎn)選擇測(cè)度，雖然提高了網(wǎng)絡(luò)生命周期，但在選取下一跳節(jié)點(diǎn)時(shí)，仍然會(huì)對(duì)距離目的節(jié)點(diǎn)較近的節(jié)點(diǎn)造成一種能量負(fù)擔(dān)。

　　S為源節(jié)點(diǎn)，D為目的節(jié)點(diǎn)，A，B，C作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。令d(S，D)表示兩節(jié)點(diǎn)S與D的間隔距離，其中，d(B，D)=20m，d(C，D)=10，初始能量EB=EC=50J，計(jì)算可得節(jié)點(diǎn)B與C的路由測(cè)度分別為:RREB=50/20，RREC=50/10，則選擇測(cè)度值較大的節(jié)點(diǎn)C作為下一跳節(jié)點(diǎn)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)C的能量消耗至25J時(shí)，RREB=RREC，此時(shí)節(jié)點(diǎn)B的能量值較大，與均衡節(jié)點(diǎn)能耗的初衷相悖，并且這樣更容易出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)過(guò)早死亡。

　　由上述描述，在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化較小的情況下，距離目的節(jié)點(diǎn)較近的節(jié)點(diǎn)有更大的機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，并且其余節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的機(jī)會(huì)受到候選集中節(jié)點(diǎn)間距離差值大小的影響。所以，如何結(jié)合節(jié)點(diǎn)剩余能量與位置信息選擇下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，盡可能使得每個(gè)節(jié)點(diǎn)的剩余能量在一個(gè)較小的范圍內(nèi)波動(dòng)，是本文所要解決的問(wèn)題。

　　2.節(jié)點(diǎn)通信范圍算法

　　在數(shù)據(jù)傳輸后期，隨著節(jié)點(diǎn)能量的消耗，節(jié)點(diǎn)間的能量分布開始表現(xiàn)出不均衡性。若仍然使用初始的固定功率，保持相同的通訊范圍，可能存在以下問(wèn)題:當(dāng)保持節(jié)點(diǎn)通信范圍不變時(shí)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)的剩余能量可能已經(jīng)不足以支持傳輸數(shù)據(jù)所要消耗的能量，從而造成節(jié)點(diǎn)死亡。但是如果縮小節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍，能更好的避免過(guò)早出現(xiàn)第一個(gè)死亡節(jié)點(diǎn)。

　　雖然這也加重了整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的能耗，但發(fā)送信息附近的節(jié)點(diǎn)有了更多的轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)會(huì)。下面通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)例進(jìn)行說(shuō)明，假設(shè)節(jié)點(diǎn)A的通信范圍為10m，傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包到10m遠(yuǎn)所消耗的能量為0.5J，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的數(shù)據(jù)傳輸后，節(jié)點(diǎn)A的剩余能量為0.5J，即如若保持節(jié)點(diǎn)A的通信范圍不變，那節(jié)點(diǎn)A再進(jìn)行一次數(shù)據(jù)傳輸后就會(huì)死亡。

　　但是，若將節(jié)點(diǎn)A的通信范圍變小，不僅滿足了自身發(fā)送數(shù)據(jù)所要消耗的能量，也增大了鄰居節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的機(jī)會(huì)，這樣能更好的延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期。通過(guò)以上描述，適當(dāng)改變節(jié)點(diǎn)通訊范圍更加充分考慮了節(jié)點(diǎn)剩余能量的運(yùn)用。這里，假設(shè)通訊范圍為10m的節(jié)點(diǎn)，最遠(yuǎn)可進(jìn)行三跳將數(shù)據(jù)傳遞到目的節(jié)點(diǎn)。

　　那么，通過(guò)逐級(jí)遞減其跳數(shù)來(lái)控制節(jié)點(diǎn)的通信范圍。本文會(huì)通過(guò)第3小結(jié)的實(shí)驗(yàn)來(lái)檢測(cè)該節(jié)點(diǎn)通信范圍算法的優(yōu)劣。具體算法為:while0newEtreturndoelsedo=do-MindisEt←newEtEndEnd3實(shí)驗(yàn)仿真及結(jié)果分析將GEOR路由協(xié)議算法在MATLAB下進(jìn)行仿真評(píng)估。與經(jīng)典的路由協(xié)議ExOR及以能耗為目的的路由協(xié)議PLOR進(jìn)行比較。

　　3.參數(shù)設(shè)置

　　仿真實(shí)驗(yàn)中，采用Shadowing模型反映無(wú)線信道多徑衰落的特征，參照距離記為1m，陰影方差記為4，路徑損耗系數(shù)記為2，節(jié)點(diǎn)傳輸范圍15m.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)有序排列在大小為45*45區(qū)間內(nèi)，節(jié)點(diǎn)橫坐標(biāo)范圍[20，62]，縱坐標(biāo)范圍[20，62]，節(jié)點(diǎn)間最小間隔距離Mindis為3m，共部署了225個(gè)節(jié)點(diǎn)，目的節(jié)點(diǎn)位于坐標(biāo)(65，41)處，節(jié)點(diǎn)初始能量為1J，目的節(jié)點(diǎn)能量不設(shè)限，參數(shù)α，β取值分別為10，3.數(shù)據(jù)包大小為512bytes，采用802.11MAC協(xié)議，最大傳輸率是250kb/s，仿真時(shí)間以第一個(gè)死亡節(jié)點(diǎn)為準(zhǔn)。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果以網(wǎng)絡(luò)生存周期及節(jié)點(diǎn)能量均衡性作為評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，定義評(píng)價(jià)指標(biāo)如下:(1)網(wǎng)絡(luò)生存周期:以出現(xiàn)第一個(gè)死亡節(jié)點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)估整個(gè)網(wǎng)絡(luò)成功完成一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇螖?shù)(源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)成功完成一次數(shù)據(jù)傳輸記為一次循環(huán)r);(2)節(jié)點(diǎn)能耗均衡性:第一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)，用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)剩余能量的分布和方差來(lái)反應(yīng)其均衡性。

　　3.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

　　(1)網(wǎng)絡(luò)生命周期的比較。可以得知，路由協(xié)議ExOR最先出現(xiàn)死亡節(jié)點(diǎn)，PLOR協(xié)議次之，路由協(xié)議GEOR出現(xiàn)第一個(gè)死亡節(jié)點(diǎn)時(shí)的傳輸次數(shù)更長(zhǎng)。結(jié)果表明，GEOR的網(wǎng)絡(luò)生命周期得到了有效的提高。

　　ExOR協(xié)議雖然第一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)間較早，但并沒(méi)有影響其整體傳輸數(shù)據(jù)的次數(shù);而PLOR在220次數(shù)據(jù)傳輸后，出現(xiàn)大批節(jié)點(diǎn)死亡的情況，這是由于節(jié)點(diǎn)能量均衡性較好，在數(shù)據(jù)傳輸后期，多數(shù)節(jié)點(diǎn)都已瀕臨死亡，但其整體的數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)沒(méi)有ExOR表現(xiàn)的好。本文提出的路由協(xié)議GEOR不僅有效延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)生命周期，也表現(xiàn)出較好的成功傳輸數(shù)據(jù)的性能。

　　4結(jié)束語(yǔ)

　　針對(duì)無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)特征，本文設(shè)計(jì)了一種新的路由協(xié)議GEOR.該協(xié)議結(jié)合節(jié)點(diǎn)剩余能量和位置信息，給出一種新的路由測(cè)度，并設(shè)計(jì)了一種新的節(jié)點(diǎn)通訊范圍算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:協(xié)議GEOR較好的延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)生命周期，實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)能量的均衡消耗。但在參數(shù)α，β的取值研究上無(wú)形加重了實(shí)驗(yàn)的負(fù)擔(dān)，還有所欠缺。下一步工作中期望結(jié)合智能優(yōu)化算法來(lái)改善參數(shù)值的選取。

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　　相關(guān)刊物推薦：《軟件學(xué)報(bào)》創(chuàng)刊于1990年，是一本刊登計(jì)算機(jī)軟件各領(lǐng)域原創(chuàng)性研究成果的期刊，所刊登的論文均經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的同行專家評(píng)議。主要面向全球華人計(jì)算機(jī)軟件學(xué)者，致力于創(chuàng)辦與世界計(jì)算機(jī)科學(xué)和軟件技術(shù)發(fā)展同步的以中文為主的“中文國(guó)際軟件學(xué)術(shù)期刊”，為全球華人同行提供學(xué)術(shù)交流平臺(tái)。

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