孫 毅， 孫 躍， 曾璐琨， 陸 俊

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206)

0 引 言

網(wǎng)絡(luò)生命周期延長(zhǎng)優(yōu)化是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks，WSNs)[1]路由算法設(shè)計(jì)的首要研究問(wèn)題。但由于傳感器節(jié)點(diǎn)能量受限，且隨機(jī)部署，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化頻繁，傳統(tǒng)的路由協(xié)議難以保障網(wǎng)絡(luò)鏈路的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性等要求。而功率控制技術(shù)不僅能夠有效控制并降低無(wú)線通信過(guò)程中的能耗，同時(shí)對(duì)路由協(xié)議中轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的選擇和數(shù)據(jù)融合中融合節(jié)點(diǎn)的選擇起著重要的作用[2]，是延長(zhǎng)WSNs生命周期、實(shí)現(xiàn)服務(wù)質(zhì)量(quality of service,QoS)支持的有效手段。

跨層路由優(yōu)化是通過(guò)節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)功率控制機(jī)制，在保證網(wǎng)絡(luò)連通性和減少通信干擾條件下，提高數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、可靠的傳輸，同時(shí)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)能量利用率[3]。目前，研究者們針對(duì)能量高效的跨層路由協(xié)議已經(jīng)取得一些研究成果。文獻(xiàn)[4]采用一種自適應(yīng)優(yōu)化轉(zhuǎn)發(fā)候選集和發(fā)射功率機(jī)制，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存周期;文獻(xiàn)[5]通過(guò)消除冗余節(jié)點(diǎn)和休眠調(diào)度機(jī)制設(shè)計(jì)了一種節(jié)能型路由算法;文獻(xiàn)[6]基于最優(yōu)鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)的建立功率調(diào)度表，并對(duì)干擾節(jié)點(diǎn)發(fā)送反饋幀控制其睡眠/偵聽(tīng)，從而降低通信能耗;文獻(xiàn)[7]在AODV路由協(xié)議的基礎(chǔ)上，為節(jié)點(diǎn)分配不同的功率等級(jí)，包括：廣播功率、單播功率和最大發(fā)射功率，以有效降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芎摹?/p>

文獻(xiàn)[4～7]雖然大部分算法在選取下一跳節(jié)點(diǎn)時(shí)綜合了剩余能量因素，以延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期，但是，以上算法沒(méi)有全面地考慮網(wǎng)絡(luò)連通情況和可能產(chǎn)生的空洞現(xiàn)象，易導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性下降。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了一種基于最優(yōu)連通功率控制的跨層路由優(yōu)化(cross-layer routing optimization based on optimal connectivity power control，CRCP)算法。算法通過(guò)最優(yōu)鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)確定節(jié)點(diǎn)最優(yōu)連通功率，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)連通，降低熱點(diǎn)地區(qū)干擾程度；綜合節(jié)點(diǎn)干擾等級(jí)、剩余能量和位置信息動(dòng)態(tài)選取下一跳節(jié)點(diǎn)，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期，保障路由QoS。

1 CRCP算法

1.1 問(wèn)題描述

CRCP算法重點(diǎn)解決兩個(gè)方面問(wèn)題：一方面是MAC層針對(duì)不同類型數(shù)據(jù)包進(jìn)行功率等級(jí)的調(diào)整，并將節(jié)點(diǎn)MAC層的功率調(diào)度信息提供給物理層；另一方面,網(wǎng)絡(luò)層通過(guò)共享物理層的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)信息來(lái)動(dòng)態(tài)選取最優(yōu)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，建立QoS保證的傳輸路徑。GPSR算法[8]基于局部最優(yōu)的貪婪算法，無(wú)需維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，路由開(kāi)銷(xiāo)小，但是容易造成局部節(jié)點(diǎn)死亡，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)割裂。每個(gè)節(jié)點(diǎn)以固定的功率等級(jí)傳輸數(shù)據(jù)，不僅造成了過(guò)多的能量開(kāi)銷(xiāo)，還易形成熱點(diǎn)區(qū)域。固定功率(通信半徑R=100 m)網(wǎng)絡(luò)連通性與節(jié)點(diǎn)干擾強(qiáng)度如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)連通性與節(jié)點(diǎn)干擾強(qiáng)度圖(R=100 m)

為了降低節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度和通信能耗，通常需要節(jié)點(diǎn)采用較小的發(fā)射功率，這使得網(wǎng)絡(luò)連通性變差，從而導(dǎo)致許多節(jié)點(diǎn)無(wú)法建立穩(wěn)定的通信鏈路，形成孤島節(jié)點(diǎn)群現(xiàn)象，固定功率(通信半徑R=60 m)網(wǎng)絡(luò)連通性與節(jié)點(diǎn)干擾強(qiáng)度如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)連通性與節(jié)點(diǎn)干擾強(qiáng)度(R=60 m)

因此，如何降低高密度區(qū)域節(jié)點(diǎn)的沖突區(qū)域，保證節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)信道的公平性和選擇低干擾、高能效的路由進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，是WSNs功率控制路由協(xié)議研究的重點(diǎn)問(wèn)題。CRCP算法分為最優(yōu)功率控制和路徑建立階段。

1.2 最優(yōu)連通功率控制

本節(jié)的討論是基于以下假設(shè)：

1)物理層中傳輸?shù)膸捎玫碾x散功率等級(jí)可以由MAC層通知。

2)在物理層可以測(cè)量接收幀的接收信號(hào)強(qiáng)度指示器(RSSI)。

3)節(jié)點(diǎn)的位置可以通過(guò)GPS獲取。

節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率的級(jí)別與節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量密切相關(guān)。大量研究表明，在最優(yōu)鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)[9]為6～8個(gè)時(shí)，能夠顯著地提高信道利用率和網(wǎng)絡(luò)吞吐量。節(jié)點(diǎn)最優(yōu)連通功率定義為：對(duì)于網(wǎng)絡(luò)中的任意節(jié)點(diǎn)v，計(jì)算它的最優(yōu)鄰居節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)為Nopt，則節(jié)點(diǎn)v到它的任意鄰居節(jié)點(diǎn)u的最優(yōu)發(fā)射功率定義為

Popt(u),1≤u≤Nopt.

(1)

最優(yōu)連通功率定義為

Poc(v)=max{Popt(u)|(1≤u≤Nopt)}.

(2)

雙向連通的定義為

(3)

其中，n和m為路由跳數(shù)，存在n>0,m>0;Pn(i,j)>0為經(jīng)過(guò)n跳，節(jié)點(diǎn)i能夠與節(jié)點(diǎn)j通信的概率;Pm(j,i)>0為經(jīng)過(guò)m跳，節(jié)點(diǎn)j能夠與節(jié)點(diǎn)i通信的概率。

為了在保證網(wǎng)絡(luò)QoS的基礎(chǔ)上，最大限度延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命，采取的措施是：初始化階段采用最大功率廣播消息，進(jìn)行最優(yōu)鄰居發(fā)現(xiàn)；之后,當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制分組時(shí)，采用最優(yōu)連通功率Poc(i)來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)的性能；當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)分組時(shí)，采用最優(yōu)發(fā)射功率Popt(i)將數(shù)據(jù)分組發(fā)送至最優(yōu)鄰居節(jié)點(diǎn)，因?yàn)閿?shù)據(jù)分組的數(shù)據(jù)量大且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，這樣可以最大限度降低能耗。

1.3 路徑建立

路徑建立由源節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求發(fā)起，綜合轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的干擾等級(jí)、剩余能量、位置信息3個(gè)屬性，選取路由代價(jià)最小的鄰居節(jié)點(diǎn)。發(fā)送節(jié)點(diǎn)根據(jù)MAC層收到鄰居節(jié)點(diǎn)回復(fù)的應(yīng)答消息，計(jì)算源節(jié)點(diǎn)前向區(qū)域中候選節(jié)點(diǎn)的SINR為

(4)

干擾等級(jí)定義為

(5)

為獲得較低的干擾，可以通過(guò)功率等級(jí)的調(diào)整，限制潛在干擾節(jié)點(diǎn)的數(shù)量和節(jié)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送的概率來(lái)控制節(jié)點(diǎn)受干擾程度。本文通過(guò)自適應(yīng)的最優(yōu)連通功率控制方法來(lái)降低鄰居節(jié)點(diǎn)對(duì)其干擾，減少丟包率。

計(jì)算隸屬于低干擾群組中鄰居節(jié)點(diǎn)i路由代價(jià)函數(shù)為

(6)

其中，Eres為節(jié)點(diǎn)的剩余能量，Eini為節(jié)點(diǎn)的初始能量，d(S,D)為源節(jié)點(diǎn)到Sink節(jié)點(diǎn)的距離，d(i,D)為前向區(qū)域中下一跳節(jié)點(diǎn)i與Sink節(jié)點(diǎn)之間的距離，lgSINRi為前向區(qū)域中低干擾群組節(jié)點(diǎn)i的信號(hào)噪聲干擾比。

路徑建立過(guò)程的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

1)網(wǎng)絡(luò)初始化：每個(gè)節(jié)點(diǎn)以最大功率廣播“Hello”控制幀，進(jìn)行鄰居發(fā)現(xiàn)過(guò)程。該幀中包括自身ID、剩余能量、自身位置信息參數(shù)。收到該數(shù)據(jù)幀的鄰居節(jié)點(diǎn)回復(fù)應(yīng)答消息，計(jì)算兩點(diǎn)之間的通信距離和SINR。

2)節(jié)點(diǎn)功率控制：每個(gè)節(jié)點(diǎn)在最大鄰居節(jié)點(diǎn)集合中，按照式(2),式(3)選取最優(yōu)鄰居節(jié)點(diǎn)，以建立雙向連通鏈路。

3)干擾等級(jí)劃分：當(dāng)前節(jié)點(diǎn)MAC層根據(jù)收到的應(yīng)答消息中的SINR和目標(biāo)SINR閾值進(jìn)行比較，為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集劃分干擾等級(jí)，并將該信息通知網(wǎng)絡(luò)層。

4)計(jì)算路由代價(jià)：當(dāng)前節(jié)點(diǎn)根據(jù)鄰居節(jié)點(diǎn)信息，按照式(6)計(jì)算低干擾等級(jí)中備選節(jié)點(diǎn)的路由代價(jià)，選取綜合代價(jià)最小的鄰居節(jié)點(diǎn)作為下一跳。

2 仿真結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證CRCP算法的性能，本文對(duì)CRCP和GPSR算法設(shè)定了3組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析。節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在場(chǎng)景區(qū)域?yàn)?00 m×500 m的范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為150個(gè)，數(shù)據(jù)包為2 048 bits，初始能量為1 J，Eelec為50 nJ/bit，εamp為0.001 3 pJ/bit/m4，εfs為100 pJ/bit/m2。Sink節(jié)點(diǎn)位置在(0,0)m處，源節(jié)點(diǎn)為距離Sink節(jié)點(diǎn)的最遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)。

2.1 最優(yōu)連通功率控制性能分析

圖3給出了采用最優(yōu)連通功率建立的雙向連通鏈路。CRCP算法實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)間雙向連通路由，同時(shí)有效降低網(wǎng)絡(luò)中熱點(diǎn)區(qū)域干擾強(qiáng)度，避免孤立節(jié)點(diǎn)群的產(chǎn)生。隨著網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)部分失效，CRCP算法能夠?qū)崟r(shí)感知最優(yōu)鄰居節(jié)點(diǎn)，自適應(yīng)調(diào)整發(fā)送功率，保證網(wǎng)絡(luò)的雙向連通。

圖3 最優(yōu)連通功率雙向連通鏈路

節(jié)點(diǎn)干擾強(qiáng)度可以被定義為傳輸范圍內(nèi)的期望競(jìng)爭(zhēng)同一信道的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)越高，存在較多的節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)同一無(wú)線信道，即較高的干擾強(qiáng)度。從表1中可以看出：CRCP算法通過(guò)感知最優(yōu)鄰居節(jié)點(diǎn)，動(dòng)態(tài)調(diào)整節(jié)點(diǎn)功率，有效降低了節(jié)點(diǎn)潛在的干擾和競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度。

表1 節(jié)點(diǎn)干擾強(qiáng)度

2.2 QoS分析

圖4比較了在不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的情況下，CRCP和GPSR算法的路由跳數(shù)。仿真結(jié)果表明:在網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為150,160,170,180,190,200時(shí)，CRCP與GPSR算法相比，時(shí)延分別降低了21.1 %，20 %，16.7 %，15 %，5 %，10 %。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目較少時(shí)，CRCP算法能夠保證網(wǎng)絡(luò)的連通性，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求。

圖4 路由跳數(shù)

圖5反映了CRCP和GPSR算法丟包率對(duì)比曲線。當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)從150～200時(shí)，CRCP算法的丟包率較GPSR分別降低了2 %，11.8 %，11.4 %，18.9 %，25.3 %，27.5 %。CRCP算法隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大，丟包率保持平穩(wěn)變化。這主要由于CRCP算法通過(guò)最優(yōu)鄰居節(jié)點(diǎn)策略，降低了每個(gè)節(jié)點(diǎn)潛在的干擾節(jié)點(diǎn)數(shù)量。因此，CRCP算法具有較高的傳輸可靠性。

圖5 丟包率

2.3 網(wǎng)絡(luò)生命周期

圖6比較了CRCP算法和GPSR算法網(wǎng)絡(luò)生命周期,可以看出:CRCP算法的網(wǎng)絡(luò)生命周期與GPSR算法相比，提高了12.5 %。這是因?yàn)椴捎米顑?yōu)連通功率控制在保證網(wǎng)絡(luò)的連通性的同時(shí)，能夠顯著降低節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率的富余量，以延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

圖6 網(wǎng)絡(luò)生命周期

3 結(jié) 論

本文在分析了GPSR算法的基礎(chǔ)上，提出了一種CRCP算法。與GPSR算法相比，在選擇下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)時(shí)，綜合考慮了節(jié)點(diǎn)剩余能量、位置信息和干擾等級(jí)，從而均衡網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，降低數(shù)據(jù)分組碰撞概率，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求。仿真結(jié)果表明：CRCP算法在拓?fù)漕l繁變化的網(wǎng)絡(luò)中，保證網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定連通，最大限度延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期，優(yōu)化傳輸時(shí)延和可靠性等QoS要求。

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