徐 楠，孫亞民，于繼明，王 華

(1.南京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京 210094;2.浙江工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，杭州 310014;3.山東大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，濟(jì)南 250023)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于尺度的協(xié)同中繼跨層QoS路由算法

徐 楠1，孫亞民1，于繼明2，王 華3

(1.南京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京 210094;2.浙江工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，杭州 310014;3.山東大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，濟(jì)南 250023)

提出了一種基于尺度的協(xié)同中繼自主轉(zhuǎn)發(fā)跨層QoS路由算法(MCRICQR)。節(jié)點(diǎn)根據(jù)能量、信道、擁塞以及與匯點(diǎn)的距離等綜合因素形成一個(gè)選擇度量，度量最大的節(jié)點(diǎn)根據(jù)自己所處狀態(tài)自主選擇直接轉(zhuǎn)發(fā)、中繼轉(zhuǎn)發(fā)以及躍進(jìn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。仿真結(jié)果表明，該算法能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況及時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，提高網(wǎng)絡(luò)可靠性，對(duì)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載進(jìn)行均衡，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量和能量效率，從而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命，保障了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的QoS需求。

服務(wù)質(zhì)量;跨層設(shè)計(jì);協(xié)同中繼;自主轉(zhuǎn)發(fā);無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

1 前言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor network，WSN)是一種無(wú)基礎(chǔ)設(shè)施、多跳、自組織的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)具有感知、收集、聚合、處理、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的功能，通過(guò)無(wú)線信道進(jìn)行通信，可以廣泛地應(yīng)用在軍事、環(huán)境、健康、家庭、空間探索、災(zāi)難拯救和其他商業(yè)領(lǐng)域［1］。

無(wú)線介質(zhì)的廣播特性允許多個(gè)節(jié)點(diǎn)接收和處理同一個(gè)傳輸?shù)男盘?hào)［2］，協(xié)同中繼就是利用這一特性，使節(jié)點(diǎn)協(xié)同通信，成功將信息發(fā)送到匯點(diǎn)。與直接傳輸和傳統(tǒng)的經(jīng)典中繼相比，它能明顯降低獲得一定的中斷概率所需要的信噪比(SNR)。由于無(wú)線鏈路造成的獨(dú)特問(wèn)題、在無(wú)線鏈路上機(jī)會(huì)通信的可能性以及無(wú)線介質(zhì)所提供的通信模式，激發(fā)人們進(jìn)行跨層設(shè)計(jì)的嘗試。通過(guò)同時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)層次進(jìn)行優(yōu)化控制，跨層設(shè)計(jì)可以大幅度提高網(wǎng)絡(luò)容量，減少干擾和功率消耗［3］。

2 系統(tǒng)模型

WSN節(jié)點(diǎn)可以用一個(gè)無(wú)向圖G(V，E)來(lái)表示。V表示節(jié)點(diǎn)集合，E表示邊的集合。節(jié)點(diǎn)u和v間存在邊(u，v)∈E，意味著u和v間存在一條可以互相通信的無(wú)線鏈路。

2.1 基本定義

定義1 虛擬自主轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)是這樣的節(jié)點(diǎn)集合U

定義2 下一跳可行自主轉(zhuǎn)發(fā)虛擬節(jié)點(diǎn)集合J。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)i有DATA包要發(fā)送時(shí)，i就廣播一個(gè)RTS請(qǐng)求，其鄰居就會(huì)收到該廣播包，那些比節(jié)點(diǎn)i距離匯點(diǎn)更近，并且符合公式(1)的節(jié)點(diǎn)j的集合就形成下一跳可行自主轉(zhuǎn)發(fā)虛擬節(jié)點(diǎn)集合J，節(jié)點(diǎn)j會(huì)向節(jié)點(diǎn)i發(fā)送CTS。

定義3 虛擬中繼可行節(jié)點(diǎn)集合R。假定節(jié)點(diǎn)的i下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)是j，虛擬中繼可行轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集是這樣的節(jié)點(diǎn)集合:節(jié)點(diǎn)r在下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)j的傳輸范圍之內(nèi)，并收到來(lái)自節(jié)點(diǎn)i的一個(gè)RTS及一個(gè)DATA包，將該DATA包存儲(chǔ)，當(dāng)下一跳節(jié)點(diǎn)j不能解碼數(shù)據(jù)包時(shí)，節(jié)點(diǎn)j會(huì)發(fā)一個(gè)“重新傳輸請(qǐng)求”(RREQ)控制包給節(jié)點(diǎn)i，偷聽(tīng)到RREQ控制包的節(jié)點(diǎn)r的集合形成一個(gè)虛擬可行中繼節(jié)點(diǎn)集R。

定義4 虛擬可行躍進(jìn)節(jié)點(diǎn)L。虛擬可行躍進(jìn)節(jié)點(diǎn)屬于這樣的節(jié)點(diǎn)集合:偷聽(tīng)到一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)腄ATA包的節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)從沒(méi)有收到這個(gè)DATA包的RTS，并能對(duì)所收到的DATA包進(jìn)行正確解碼，比下一跳節(jié)點(diǎn)距離匯點(diǎn)更近的節(jié)點(diǎn)I所形成的節(jié)點(diǎn)集合L。

2.2 鏈路和網(wǎng)絡(luò)假設(shè)

網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)具有自己的位置信息以及匯點(diǎn)sink的位置信息;除sink節(jié)點(diǎn)外，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在協(xié)同將數(shù)據(jù)包從源傳輸?shù)絽R點(diǎn)的過(guò)程中，可以作為下一跳的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)NHF(next_hop forwarding node)、中繼節(jié)點(diǎn)RFN(relay forwarding node)或作為躍進(jìn)節(jié)點(diǎn)LPF(leapfrogging node)，在這里，我們稱這些符合條件的節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)虛擬可行轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集合。下一跳節(jié)點(diǎn)與傳統(tǒng)的方法相似，將數(shù)據(jù)包逐跳轉(zhuǎn)發(fā)。為了確保虛擬節(jié)點(diǎn)集合中最適合的節(jié)點(diǎn)選擇來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，符合條件的虛擬節(jié)點(diǎn)集合中的節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)作為NHF、RFN、LPF節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)的選擇和節(jié)點(diǎn)的角色分配過(guò)程是基于尺度來(lái)進(jìn)行的。

假設(shè)有|V|個(gè)節(jié)點(diǎn)均勻地分布在整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都安裝了一幅全向天線，這樣每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以從其他節(jié)點(diǎn)接收到信息，并且網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都是工作在半雙工模式，即不能同時(shí)接收和發(fā)送。同時(shí)假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的背景噪聲是方差為σ2的高斯噪聲。每個(gè)節(jié)點(diǎn)接收采用最大比值合并和解碼中繼協(xié)議，即當(dāng)節(jié)點(diǎn)正確接收信息后，才將信息轉(zhuǎn)發(fā)到下一跳節(jié)點(diǎn)，這樣每一條的信息傳輸都是可靠傳輸，可以避免錯(cuò)誤信息被傳遞。MAC層協(xié)議利用帶RTS/CTS的CSMA協(xié)議。

信道模型。瑞利平坦衰落模型［4］:任何兩個(gè)距離為d的傳感器節(jié)點(diǎn)之間傳輸數(shù)據(jù)包輸入輸出關(guān)系建模:

式(2)中，α是無(wú)線信道的路徑損失指數(shù)，2≤α≤6;r［t］和 s［t］分別是復(fù)合的接收信號(hào)和發(fā)射信號(hào)，g［t］是描述衰落的信道增益，g［t］～ CN(0，1)，方差被歸一化為1;w［t］是均值為零的復(fù)合加性白高斯過(guò)程，波譜功率密度為 N0，w［t］～ CN(0，N0)。

式(3)中，ε0是初始能量;si是在時(shí)間i時(shí)無(wú)線收發(fā)器的狀態(tài);εs是在狀態(tài)s的能量消耗。傳感器節(jié)點(diǎn)的無(wú)線收發(fā)器狀態(tài)可以是傳輸、發(fā)送、空閑。

3 MCRICQR算法

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于尺度的協(xié)同中繼自主轉(zhuǎn)發(fā)跨層QoS路由算法(metric－based cooperative relay initiative forwarding cross－ layer qos routing，MCRICQR)，與以前所提出的QoS路由算法最大的不同是:下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的選擇由其通信范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)所形成的虛擬可行轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集合通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)決定，每個(gè)節(jié)點(diǎn)不用存儲(chǔ)鄰居節(jié)點(diǎn)的信息。即每個(gè)節(jié)點(diǎn)i根據(jù)自己當(dāng)前的能量、信道狀況、擁塞情況(由和來(lái)共同確定)以及與匯點(diǎn)的距離來(lái)決定自己所扮演的角色，節(jié)點(diǎn)的角色可以是NHF、RFN、LPF，然后節(jié)點(diǎn)自主轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。這樣，每個(gè)節(jié)點(diǎn)就不需要浪費(fèi)寶貴的存儲(chǔ)空間來(lái)存儲(chǔ)鄰居節(jié)點(diǎn)信息。由于競(jìng)爭(zhēng)是基于定時(shí)器時(shí)間的，可以減少信道爭(zhēng)用，提高信道利用率。此外，節(jié)點(diǎn)不用為維護(hù)路由等進(jìn)行額外的能量開(kāi)銷。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)i有數(shù)據(jù)包DATA要發(fā)送時(shí)，它首先廣播一個(gè)RTS控制信息包，該包包含的內(nèi)容有節(jié)點(diǎn)i的位置、DATA包標(biāo)識(shí)符以及響應(yīng)CTS的持續(xù)時(shí)間。RTS包可以讓收到該包的節(jié)點(diǎn)用來(lái)作為鏈路質(zhì)量指示器(RSSI)，計(jì)算瞬時(shí)信道增益 gi，j［t］，所有收到節(jié)點(diǎn)i的RTS包的節(jié)點(diǎn)根據(jù)公式(1)，同時(shí)滿足di，sink＜ dj，sink形成一個(gè)下一跳虛擬可行轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集合J，集合J中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)j根據(jù)公式(4)來(lái)計(jì)算尺度，根據(jù)公式(5)，選出NHF節(jié)點(diǎn)。

式(4)中，a，b，c為權(quán)重系數(shù)，一般設(shè)為常數(shù)。在t時(shí)刻，最佳下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)NHF為:

下一跳虛擬可行轉(zhuǎn)發(fā)集合中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)j，計(jì)算尺度后，設(shè)置一個(gè)定時(shí)器的等待時(shí)間，該定時(shí)器與mj［t］成反比，定時(shí)器結(jié)束時(shí)，發(fā)送 CTS包響應(yīng)該RTS包。當(dāng)節(jié)點(diǎn)在定時(shí)器超時(shí)前聽(tīng)到其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的CTS對(duì)同一個(gè)RTS響應(yīng)，則它放棄競(jìng)爭(zhēng)。這種競(jìng)爭(zhēng)基于尺度，可以提高無(wú)線鏈路的利用率。節(jié)點(diǎn)i將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給贏得競(jìng)爭(zhēng)的節(jié)點(diǎn)NHF。節(jié)點(diǎn)i忽略首次CTS到達(dá)后的所有針對(duì)該DATA的CTS包，其目的是為了避開(kāi)隱藏終端的影響。

節(jié)點(diǎn)i收到節(jié)點(diǎn)NHF發(fā)來(lái)的 CTS后，就將DATA包發(fā)送給下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)NHF。如果NHF能夠成功地將DATA包接收并解碼的話，則NHF就向節(jié)點(diǎn)i發(fā)送一個(gè)ACK控制信息包，該控制信息包包括DATA包標(biāo)識(shí)符等相關(guān)信息。由此可知，上一跳和下一跳節(jié)點(diǎn)間是基于RTS/CTS的交換。

如果節(jié)點(diǎn)NHF不能正確地解碼DATA包，則節(jié)點(diǎn)NHF就向節(jié)點(diǎn)i發(fā)出一個(gè)重新請(qǐng)求發(fā)送RREQ(該控制包也可以作為判斷NHF有無(wú)中繼節(jié)點(diǎn)的依據(jù)，當(dāng)RREQ≥2時(shí)，存在中繼節(jié)點(diǎn))，RREQ控制包攜帶的內(nèi)容有:DATA包的標(biāo)識(shí)符，下一跳節(jié)點(diǎn)的地理位置信息等。節(jié)點(diǎn)i收到RREQ包之后，就為該重傳包設(shè)置RREQ定時(shí)器，其值為NHF定時(shí)器值大小。當(dāng)虛擬中繼可行集合R中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)偷聽(tīng)到RREQ后，計(jì)算瞬時(shí)信道增益，并根據(jù)計(jì)算尺度選擇公式(6)，競(jìng)爭(zhēng)最佳中繼節(jié)點(diǎn)。根據(jù)公式(7)，可以找到RFN節(jié)點(diǎn)。虛擬可行中繼節(jié)點(diǎn)集合R中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置一個(gè)計(jì)時(shí)器，該計(jì)時(shí)器與mr［t］成反比，定時(shí)器最先到期的節(jié)點(diǎn)就是RFN，RFN就向節(jié)點(diǎn)NHF發(fā)送DATA包。其他中繼節(jié)點(diǎn)聽(tīng)到有DATA在傳送給NHF就放棄競(jìng)爭(zhēng)。節(jié)點(diǎn)NHF成功收到DATA包后，就向節(jié)點(diǎn)i發(fā)送一個(gè)ACK控制包，節(jié)點(diǎn)i收到該ACK包后，就取消 RREQ定時(shí)器。節(jié)點(diǎn)NHF扮演節(jié)點(diǎn)i的角色轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。如果虛擬可行中繼節(jié)點(diǎn)集合為空，則上一跳節(jié)點(diǎn)i在設(shè)置的定時(shí)器時(shí)間過(guò)期時(shí)重傳該DATA包。

在t時(shí)刻，最佳中繼節(jié)點(diǎn)RFN為:

當(dāng)節(jié)點(diǎn)RFN向節(jié)點(diǎn)NHF發(fā)送DATA包時(shí)，RFN的通信范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)也會(huì)偷聽(tīng)到該DATA包。此時(shí)，若NHF節(jié)點(diǎn)還不能正確地接收該DATA包，NHF就會(huì)向節(jié)點(diǎn)i再次重新發(fā)出RREQ請(qǐng)求(此時(shí)RREQ=2，節(jié)點(diǎn)i就可以判斷有中繼節(jié)點(diǎn)存在，否則，在第一次RREQ到期時(shí)，節(jié)點(diǎn)i就會(huì)向節(jié)點(diǎn)NHF重傳DATA包)，RFN的通信范圍內(nèi)的距離比NHF更接近匯點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)就形成躍進(jìn)節(jié)點(diǎn)集合L，集合中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)l根據(jù)公式(8)來(lái)計(jì)算自己的度量，根據(jù)公式(9)，可以獲得躍進(jìn)節(jié)點(diǎn)LPF節(jié)點(diǎn)。然后節(jié)點(diǎn)l設(shè)置一個(gè)定時(shí)器，該定時(shí)器的值與ml［t］成反比，定時(shí)器最先結(jié)束的節(jié)點(diǎn)就發(fā)送ACK控制包到節(jié)點(diǎn)RFN，此時(shí)，節(jié)點(diǎn)NHF也會(huì)收到該 ACK控制信息包，節(jié)點(diǎn)NHF就會(huì)停止轉(zhuǎn)發(fā)處理該DATA包。此時(shí)，LPF就扮演節(jié)點(diǎn)i的角色，來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包給其下一跳節(jié)點(diǎn)。

在t時(shí)刻，最佳躍進(jìn)節(jié)點(diǎn)LPF為:

MCRICQR算法偽代碼:

躍進(jìn)節(jié)點(diǎn)LPF向中繼節(jié)點(diǎn)RFN發(fā)送ACK包，從而阻止節(jié)點(diǎn)NHF處的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程;節(jié)點(diǎn)LPF再扮演節(jié)點(diǎn)i的角色;

4 仿真結(jié)果和分析

通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)所提出的跨層設(shè)計(jì)方法進(jìn)行算法性能評(píng)估，下面依次給出實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及分析。

4.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

OMNET++［5］是一種面向?qū)ο蟮哪K化離散事件驅(qū)動(dòng)的開(kāi)源仿真器。在OMNET++環(huán)境下使用C++和NED實(shí)現(xiàn)了該算法，實(shí)驗(yàn)設(shè)備是一臺(tái)運(yùn)行 Windows XP SP2，具有 P42.8G Hz的 CPU，512M DDR內(nèi)存的PC。實(shí)驗(yàn)中，假設(shè)100個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)均勻地部署在500 m×500 m的監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，sink節(jié)點(diǎn)被部署在(0，0)位置，節(jié)點(diǎn)的傳輸半徑設(shè)為100 m。仿真過(guò)程中取權(quán)重系數(shù)a=b=c=1，表明能量和距離、信噪比以及剩余存儲(chǔ)空間在仿真過(guò)程中認(rèn)為它們按照相同權(quán)重來(lái)考慮。

4.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與性能分析

為了使仿真結(jié)果比較具有可信性，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)仿真的相關(guān)參數(shù)與文獻(xiàn)［6］中一致。QoS routing［6］路由基于節(jié)點(diǎn)知道自己的地理位置，使用802.11CSMA協(xié)議。實(shí)驗(yàn)中，能量節(jié)點(diǎn)的減少與文獻(xiàn)［6］中一致，即包接收和包發(fā)送的所消耗能量比為1.05∶1.4。數(shù)據(jù)包載荷的大小設(shè)為512 bytes，數(shù)據(jù)包在源節(jié)點(diǎn)的生成速率為 0.5、1、1.5、2 包/s。每個(gè)仿真運(yùn)行500 s，在仿真期間，網(wǎng)絡(luò)不斷裂。在仿真開(kāi)始，所有的節(jié)點(diǎn)能量為500單位。最后取平均值進(jìn)行比較。

在圖1中，MCRICQR比QoS routing平均時(shí)延低的原因在于，前者基于尺度選出最適的節(jié)點(diǎn)來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包;當(dāng)有中繼節(jié)點(diǎn)存在時(shí)，不需要上一跳節(jié)點(diǎn)直接重傳數(shù)據(jù)包。圖2中，由于MCRICQR在進(jìn)行選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的時(shí)候，考慮了節(jié)點(diǎn)的能量效用均衡，以及節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡的原因，獲得較長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。QoS routing方法中，沒(méi)有考慮中間結(jié)點(diǎn)緩沖區(qū)溢出問(wèn)題，一旦數(shù)據(jù)發(fā)生溢出，會(huì)產(chǎn)生丟包，就會(huì)造成數(shù)據(jù)的重傳，以及額外的控制包傳送而消耗網(wǎng)絡(luò)能量。圖3中，當(dāng)數(shù)據(jù)包的期限足夠長(zhǎng)的時(shí)候，兩種方法的數(shù)據(jù)傳遞率都很高，當(dāng)數(shù)據(jù)包的期限短的時(shí)候，兩者的數(shù)據(jù)傳輸率都發(fā)生急劇降低。MCRICQR比QoS routing下降得稍微慢些，其原因在于，前者在調(diào)度時(shí)，綜合考慮了信道情況、擁塞情況等因素，避免了不必要的等待和沖突。圖4中，MCRICQR和QoS routing在數(shù)據(jù)生成速率低的時(shí)候，平均吞吐量都很高。隨著數(shù)據(jù)生成率的增加，兩者的吞吐量也隨之降低。前者進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的選擇基于尺度，競(jìng)爭(zhēng)成為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，處在最有利轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)，才會(huì)競(jìng)爭(zhēng)成功，因此，其數(shù)據(jù)傳輸成功的概率就高，從而提高了網(wǎng)絡(luò)的平均吞吐量。

圖1 不同QoS路由平均包延遲Fig.1 Average packet delay for different routing schemes

圖2 不同路由方法下網(wǎng)絡(luò)生命時(shí)間Fig.2 Network lifetime for different routing schemes

圖3 不同期限下包傳遞率Fig.3 Packet delivery ratio for different deadlines

圖4 不同包生成率下吞吐量Fig.4 Throughput for different packet generation rates

5 結(jié)語(yǔ)

基于尺度的協(xié)同中繼自主轉(zhuǎn)發(fā)跨層QoS路由算法(MCRICQR)應(yīng)用在WSN中。節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身所處的位置、剩余能量、信道狀況、中繼隊(duì)列通信流以及節(jié)點(diǎn)緩沖區(qū)使用情況，形成一個(gè)綜合的度量尺度，根據(jù)尺度值進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)成為NHF、RFN、LPF節(jié)點(diǎn)，自主轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。仿真結(jié)果表明，MCRICQR方法能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)及時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，時(shí)延低，提高網(wǎng)絡(luò)可靠性，具有較強(qiáng)的魯棒性和自適應(yīng)性;MCRICQR方法是基于尺度進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)自主轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行負(fù)載均衡，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命，保障了WSN的QoS需求。同時(shí)，MCRICQR方法不需要為保持網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒑蛯?shí)現(xiàn)復(fù)雜的路由發(fā)現(xiàn)算法而消耗計(jì)算資源，它不會(huì)招致任何端到端的路由維護(hù)過(guò)程的過(guò)度開(kāi)銷，提高了能量效率。

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Cross-layer QoS routing algorithm of metric-based cooperative relay in WSNs

Xu Nan1，Sun Yamin1，Yu Jiming2，Wang Hua3

(1.School of Computer Science and Technology，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China;2.School of Computer Science and Technology，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014，China;3.School of Computer Science and Technology，Shandong University，Jinan 250023，China)

We proposed a cross-layer QoS routing algorithm which is metric-based cooperative relay initiative forwarding(MCRICQR).Nodes form a metric according to energy，channel，congestion and distance to sink.The node with maximal metric forwards or relays or leapfrogs the data in term of it’s own states.Simulation results show that MCRICQR can prolong the lifetime of network and guarantee the required QoS.It also can transmit data in time and load balance which improve the reliability and energy efficiency and throughput of WSN(wireless sensor network).

quality of service;cross-layer design;cooperative relay;initiative forwarding;wireless sensor network

TP393

A

1009－1742(2011)03－0045－05

2009－09－20;

2010－12－20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(60773101)

孫亞民(1946—)，男，江蘇張家港市人，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信;E－mail:sunym@mail.njust.edu.cn