本文摘要：摘要:根據(jù)無線網(wǎng)狀網(wǎng)的網(wǎng)絡特征，以延長網(wǎng)絡生命周期為目的，設計了一種結(jié)合節(jié)點剩余能量與地理位置信息的機會主義路由協(xié)議GEOR，并給出了一種基于跳數(shù)的節(jié)點通訊范圍算法。實驗仿真結(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GEO
摘要:根據(jù)無線網(wǎng)狀網(wǎng)的網(wǎng)絡特征，以延長網(wǎng)絡生命周期為目的，設計了一種結(jié)合節(jié)點剩余能量與地理位置信息的機會主義路由協(xié)議GEOR，并給出了一種基于跳數(shù)的節(jié)點通訊范圍算法。實驗仿真結(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有效延長了網(wǎng)絡生命周期，均衡了節(jié)點能耗。
關(guān)鍵詞:生命周期,機會路由,無線傳感器網(wǎng)絡
無線傳感器網(wǎng)絡[1](WirelessSensorNetworks，WSNs)是由很多個傳感器節(jié)點構(gòu)成的多跳網(wǎng)絡，普遍應用于各個領(lǐng)域。由于網(wǎng)絡中節(jié)點的能量由電池供應，能量存儲有一定的限制，所以如何改善網(wǎng)絡的生存周期，使節(jié)點的能量消耗變得均衡尤為重要。
而在無線傳感器網(wǎng)絡中，在均衡能量消耗方面，設計低能耗的路由協(xié)議起到了舉足輕重的作用，其中，Biswas[2]等人首先提出的機會路由[3-4]充分利用無線鏈路的廣播特性和異變性，考慮節(jié)點選擇下一跳轉(zhuǎn)發(fā)路徑的機會性，從而有效提高了無線多跳網(wǎng)絡的可靠性，減少了數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)，對照傳統(tǒng)的路由協(xié)議，機會路由有效的提高了網(wǎng)絡的生命周期。在節(jié)能機會路由的研究中，文獻[5]結(jié)合節(jié)點的成功傳輸次數(shù)與節(jié)點剩余能量，提出了一種候選節(jié)點選擇策略，對網(wǎng)絡的生存時間有了明顯的提高。
文獻[6]利用地理信息，提出一種自適應轉(zhuǎn)發(fā)集優(yōu)化算法，優(yōu)化傳輸效率并最大化網(wǎng)絡生命周期。文獻[7]綜合考慮了節(jié)點剩余能量和鏈路上收發(fā)雙方總能耗，同時引入隨機網(wǎng)絡編碼，設計了一種轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點集選擇算法。不僅保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃�，也�?yōu)化了網(wǎng)絡生存時間。
上述研究從優(yōu)化節(jié)點候選集出發(fā)，通過減小節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)的能耗來降低網(wǎng)絡能量消耗。由于候選集節(jié)點的數(shù)量大小也會影響無線網(wǎng)絡的性能，文獻[8-10]分別提出幾種控制節(jié)點數(shù)量的方法。文獻[10]考慮了節(jié)點間隔距離、網(wǎng)絡密度等因素，設計了一種候選節(jié)點數(shù)量選取算法，減少了網(wǎng)絡中冗余的候選節(jié)點，提升了網(wǎng)絡的性能。智能電表網(wǎng)狀網(wǎng)(AMImeshnetwork)是由多個智能電表組成的一種多跳無線網(wǎng)絡，相比于有線通信的組網(wǎng)方式，無線通信的模式使得傳感器節(jié)點部署便利，成本低廉[11]。
文獻[12]以此為背景，將機會路由應用在智能電表網(wǎng)狀網(wǎng)中，提出盡快完成采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C會路由問題，將機會路由候選節(jié)點選擇問題建模并求解。文獻[13]考慮數(shù)據(jù)流的分布，將機會路由選擇問題描述成凸優(yōu)化問題，并且提出了一種多流機會路由算法以提升網(wǎng)絡吞吐量。本文以智能電表為應用背景，在多跳無線的組網(wǎng)形式下，結(jié)合該網(wǎng)絡固有的特征，設計了一種基于地理位置信息、以均衡節(jié)點能耗為目的的機會主義路由協(xié)議GEOR，旨在保證數(shù)據(jù)傳輸可靠性的同時，有效延長網(wǎng)絡的生命周期。
1問題描述
其中，節(jié)點D作為目的節(jié)點，剩余節(jié)點均作為源節(jié)點。其網(wǎng)絡特征總結(jié)如下:(1)網(wǎng)絡中節(jié)點排列有序，節(jié)點間最小間隔距離相同;(2)已知地理位置信息，且網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)基本不變;(3)在數(shù)據(jù)采集階段，源節(jié)點傳送單個數(shù)據(jù)包到目的端。
傳統(tǒng)的以地理距離為測度的機會路由(如GeRaF)，僅考慮地理位置來決定節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級，造成過度利用距離目的節(jié)點較近節(jié)點的問題，第一個死亡節(jié)點的出現(xiàn)時間較早，導致整個網(wǎng)絡的生命周期較短。
針對上述問題，將節(jié)點的剩余能量作為參考因素，提出了一種將節(jié)點剩余能量與地理距離結(jié)合的路由測度，在選擇節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)集時，優(yōu)先選擇距離目的節(jié)點近且能量高的節(jié)點�？紤]如下路由測度公式:REEi=REi/d(i，D)(1)其中，REi指代節(jié)點i的剩余能量，d(i，D)指代節(jié)點i與目的節(jié)點D之間的距離。以RRE作為一種候選集節(jié)點選擇測度，雖然提高了網(wǎng)絡生命周期，但在選取下一跳節(jié)點時，仍然會對距離目的節(jié)點較近的節(jié)點造成一種能量負擔。
S為源節(jié)點，D為目的節(jié)點，A，B，C作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。令d(S，D)表示兩節(jié)點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，計算可得節(jié)點B與C的路由測度分別為:RREB=50/20，RREC=50/10，則選擇測度值較大的節(jié)點C作為下一跳節(jié)點，當節(jié)點C的能量消耗至25J時，RREB=RREC，此時節(jié)點B的能量值較大，與均衡節(jié)點能耗的初衷相悖，并且這樣更容易出現(xiàn)節(jié)點過早死亡。
由上述描述，在網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)變化較小的情況下，距離目的節(jié)點較近的節(jié)點有更大的機會轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，并且其余節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的機會受到候選集中節(jié)點間距離差值大小的影響。所以，如何結(jié)合節(jié)點剩余能量與位置信息選擇下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，盡可能使得每個節(jié)點的剩余能量在一個較小的范圍內(nèi)波動，是本文所要解決的問題。
2.節(jié)點通信范圍算法
在數(shù)據(jù)傳輸后期，隨著節(jié)點能量的消耗，節(jié)點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，可能存在以下問題:當保持節(jié)點通信范圍不變時，發(fā)送節(jié)點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)點死亡。但是如果縮小節(jié)點的傳輸范圍，能更好的避免過早出現(xiàn)第一個死亡節(jié)點。
雖然這也加重了整個數(shù)據(jù)傳輸過程中的能耗，但發(fā)送信息附近的節(jié)點有了更多的轉(zhuǎn)發(fā)機會。下面通過一個簡單的實例進行說明，假設節(jié)點A的通信范圍為10m，傳輸一個數(shù)據(jù)包到10m遠所消耗的能量為0.5J，經(jīng)過一段時間的數(shù)據(jù)傳輸后，節(jié)點A的剩余能量為0.5J，即如若保持節(jié)點A的通信范圍不變，那節(jié)點A再進行一次數(shù)據(jù)傳輸后就會死亡。
但是，若將節(jié)點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)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的機會，這樣能更好的延長網(wǎng)絡生命周期。通過以上描述，適當改變節(jié)點通訊范圍更加充分考慮了節(jié)點剩余能量的運用。這里，假設通訊范圍為10m的節(jié)點，最遠可進行三跳將數(shù)據(jù)傳遞到目的節(jié)點。
那么，通過逐級遞減其跳數(shù)來控制節(jié)點的通信范圍。本文會通過第3小結(jié)的實驗來檢測該節(jié)點通信范圍算法的優(yōu)劣。具體算法為:while0
3.參數(shù)設置
仿真實驗中，采用Shadowing模型反映無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)點傳輸范圍15m.無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點有序排列在大小為45*45區(qū)間內(nèi)，節(jié)點橫坐標范圍[20，62]，縱坐標范圍[20，62]，節(jié)點間最小間隔距離Mindis為3m，共部署了225個節(jié)點，目的節(jié)點位于坐標(65，41)處，節(jié)點初始能量為1J，目的節(jié)點能量不設限，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，仿真時間以第一個死亡節(jié)點為準。
實驗結(jié)果以網(wǎng)絡生存周期及節(jié)點能量均衡性作為評估標準，定義評價指標如下:(1)網(wǎng)絡生存周期:以出現(xiàn)第一個死亡節(jié)點為標準，評估整個網(wǎng)絡成功完成一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇螖?shù)(源節(jié)點到目的節(jié)點成功完成一次數(shù)據(jù)傳輸記為一次循環(huán)r);(2)節(jié)點能耗均衡性:第一個節(jié)點死亡時，用網(wǎng)絡節(jié)點剩余能量的分布和方差來反應其均衡性。
3.1實驗結(jié)果分析
(1)網(wǎng)絡生命周期的比較�？梢缘弥�，路由協(xié)議ExOR最先出現(xiàn)死亡節(jié)點，PLOR協(xié)議次之，路由協(xié)議GEOR出現(xiàn)第一個死亡節(jié)點時的傳輸次數(shù)更長。結(jié)果表明，GEOR的網(wǎng)絡生命周期得到了有效的提高。
ExOR協(xié)議雖然第一個節(jié)點死亡時間較早，但并沒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)點死亡的情況，這是由于節(jié)點能量均衡性較好，在數(shù)據(jù)傳輸后期，多數(shù)節(jié)點都已瀕臨死亡，但其整體的數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)沒有ExOR表現(xiàn)的好。本文提出的路由協(xié)議GEOR不僅有效延長了網(wǎng)絡生命周期，也表現(xiàn)出較好的成功傳輸數(shù)據(jù)的性能。
4結(jié)束語
針對無線網(wǎng)狀網(wǎng)的網(wǎng)絡特征，本文設計了一種新的路由協(xié)議GEOR.該協(xié)議結(jié)合節(jié)點剩余能量和位置信息，給出一種新的路由測度，并設計了一種新的節(jié)點通訊范圍算法。實驗結(jié)果表明:協(xié)議GEOR較好的延長了網(wǎng)絡生命周期，實現(xiàn)了節(jié)點能量的均衡消耗。但在參數(shù)α，β的取值研究上無形加重了實驗的負擔，還有所欠缺。下一步工作中期望結(jié)合智能優(yōu)化算法來改善參數(shù)值的選取。
參考文獻:
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[3]田克，張寶賢，馬建，等.無線多跳網(wǎng)絡中的機會路由[J].軟件學報，2010，21(10):2542-2553.
[4]郭東岳，劉林峰.一種基于區(qū)域朋友關(guān)系的機會路由算法[J].計算機科學，2017，44(3):105-109.
相關(guān)刊物推薦：《軟件學報》創(chuàng)刊于1990年，是一本刊登計算機軟件各領(lǐng)域原創(chuàng)性研究成果的期刊，所刊登的論文均經(jīng)過嚴格的同行專家評議。主要面向全球華人計算機軟件學者，致力于創(chuàng)辦與世界計算機科學和軟件技術(shù)發(fā)展同步的以中文為主的“中文國際軟件學術(shù)期刊”，為全球華人同行提供學術(shù)交流平臺。
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