無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的跨層式通信協(xié)議ECLC的設(shè)計與仿真研究

引 言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）是一種特殊的無線自組織通信網(wǎng)絡(luò)。其區(qū)別于傳統(tǒng)無線自組織網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用場境復(fù)雜、各種資源受限等。能量資源受限是WSN主要的瓶頸之一。

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(shè)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(luò)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(luò)能耗特性、減少傳感器網(wǎng)絡(luò)的熱點并延長整個網(wǎng)絡(luò)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 RC等人則直接設(shè)計了基于能量優(yōu)化的路由協(xié)議。然而后續(xù)研究表明，在網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(shè)計了一種簡單可靠的跨層式通信協(xié)議ECLC（Cross-Layer Communication Proto-c0l），仿真結(jié)果表明：ECLC協(xié)議在保障網(wǎng)絡(luò)流量和網(wǎng)絡(luò)效率的前提下，可以較好地改善網(wǎng)絡(luò)的能耗特性，延長網(wǎng)絡(luò)的生存時間。

1 ECLE協(xié)議的設(shè)計目標

ECLC協(xié)議首要目標是改善整個網(wǎng)絡(luò)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(shè)計目標完全以實際應(yīng)用的需求和可實現(xiàn)性為出發(fā)點。

1．1 能耗特性

網(wǎng)絡(luò)整體能耗效率：整個網(wǎng)絡(luò)的生存周期內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)總能量（全部節(jié)點的初始能量之和）與整個網(wǎng)絡(luò)采集到的數(shù)據(jù)量之比值。可表示為：

其中：ein-WSN表示整個WSN的初始能量；Dwsn為WSN在整個生存期內(nèi)探測到的數(shù)據(jù);ein-i為節(jié)點i的初始能量；Di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(luò)能耗平穩(wěn)度：在任意時刻，整個網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點剩余能量的均方誤差?？杀硎緸椋?/p>

其中：隨機變量erem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(luò)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(luò)生存時間：從網(wǎng)絡(luò)開始工作到有一定數(shù)量的節(jié)點死亡。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(yīng)用過程中，網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用環(huán)境復(fù)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(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的變化，這就要求網(wǎng)絡(luò)協(xié)議具有很強的擴展性。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，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)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(wù)質(zhì)量（QoS）

WSN協(xié)議的QoS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(wù)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A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VA。

前向鄰居（Forward Vicinage）：數(shù)據(jù)傳輸過程中可以成為節(jié)點A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FVSA。

后向鄰居（Backward Vicinage）：如果節(jié)點A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BVSA。

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。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。

2．3 鏈路選擇

當(dāng)系統(tǒng)布設(shè)完畢進入穩(wěn)定狀態(tài)后，Sink節(jié)點開始廣播HELL0消息，其格式如圖2所示。

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O，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(dāng)前剩余能量；

HELL0：消息內(nèi)容；

HOT：發(fā)送該消息的節(jié)點“熱度”；

0NM：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O。

當(dāng)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：

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(yīng)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HELL0消息的相應(yīng)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(yīng)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(dāng)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HELL0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(dāng)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(shè)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(shè)了120個節(jié)點，仿真環(huán)節(jié)的各項參數(shù)設(shè)置如表1所示。

3．1 ECLC的能耗特性分析

圖5表示了AODV，DSRE，SPEED，GPSR，SPIN（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(luò)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(luò)生存時間的影響

在仿真路由協(xié)議對網(wǎng)絡(luò)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，即在仿真時，當(dāng)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(luò)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(luò)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(dǎo)致部分區(qū)域過早出現(xiàn)熱點而引發(fā)連鎖效應(yīng)。

4 結(jié) 語

本文通過采用跨層機制來交換層間能耗信息，設(shè)計了一種簡單可靠的能量感知型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議ECL，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(shè)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(luò)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(luò)能耗的均衡性，從而延長了網(wǎng)絡(luò)的生存時間。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有很強的應(yīng)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。