王 雷，王 珺，朱志偉，吳 涵

(1.南京郵電大學(xué) 寬帶無線通信與傳感網(wǎng)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210003;2.南京郵電大學(xué) 江蘇省無線通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210003)

無線傳感網(wǎng)中基于能量均衡的機(jī)會路由算法

王 雷1,2，王 珺1,2，朱志偉1,2，吳 涵1,2

(1.南京郵電大學(xué) 寬帶無線通信與傳感網(wǎng)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210003;2.南京郵電大學(xué) 江蘇省無線通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210003)

機(jī)會路由實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)在有損無線鏈路中的高吞吐量傳輸?，F(xiàn)有的機(jī)會路由協(xié)議—MORE，雖然是第一個將網(wǎng)絡(luò)編碼應(yīng)用到機(jī)會路由中的，但是在選擇候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集時，僅考慮節(jié)點(diǎn)間的鏈路質(zhì)量，使得部分節(jié)點(diǎn)因?yàn)槟芰亢谋M而過早死亡，影響了無線傳感網(wǎng)的整體性。針對這一突出問題，提出了一種改進(jìn)的基于MORE協(xié)議的機(jī)會路由算法，以均衡節(jié)點(diǎn)的能量消耗。根據(jù)機(jī)會路由的傳輸機(jī)制，綜合考慮節(jié)點(diǎn)的期望傳輸次數(shù)(ETX)和剩余能量(RE)，提出了一種新的路由測度期望生存時間(ELT)和基于它的候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集的選擇策略。最后，基于NS2仿真平臺進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明：在考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量的基礎(chǔ)上，改進(jìn)MORE協(xié)議既保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，同時均衡了節(jié)點(diǎn)的能量消耗，提高了節(jié)點(diǎn)生存時間，延長了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

機(jī)會路由；期望傳輸次數(shù)；剩余能量；期望生存時間

0 引 言

作為21世紀(jì)最有影響力的技術(shù)之一，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)[1]正在深刻改變著人類的生活。而路由協(xié)議作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一，一直是近年來的研究熱點(diǎn)。

用于無線網(wǎng)絡(luò)的傳統(tǒng)路由協(xié)議，在實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸開始之前，會預(yù)先選擇一個或多個理想的、確定的路徑作為最佳路徑路由。這種策略的最大缺點(diǎn)是，它只是簡單應(yīng)用了最初設(shè)想用于有線網(wǎng)絡(luò)路由的解決方案和規(guī)則。事實(shí)上，傳統(tǒng)的無線路由協(xié)議不能很好地適應(yīng)無線環(huán)境的變化。因此，傳統(tǒng)無線路由協(xié)議將引起鏈路層的過度重傳，網(wǎng)絡(luò)資源的重傳，甚至可能導(dǎo)致系統(tǒng)的崩潰。此外，無線媒介被認(rèn)為是這些協(xié)議的限制，因?yàn)樗膭討B(tài)變化、擁擠等，是很難控制的。但是，在機(jī)會路由[2]中，共享無線介質(zhì)被認(rèn)為是機(jī)會而不是限制。

機(jī)會路由背后的關(guān)鍵思想是，利用無線媒介廣播特性克服無線傳輸不可靠的缺點(diǎn)。也就是說，不同于在每一次的傳輸過程中，預(yù)先選擇中繼節(jié)點(diǎn)，機(jī)會路由是廣播數(shù)據(jù)分組，以便它的鄰居節(jié)點(diǎn)能夠偵聽到該數(shù)據(jù)包，而后這些鄰居節(jié)點(diǎn)成為它的候選中繼節(jié)點(diǎn)集。之后，實(shí)際的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)將從這些成功接收到數(shù)據(jù)包的候選節(jié)點(diǎn)集中選擇。但是，在選擇候選節(jié)點(diǎn)集時，路由度量考慮不充分。

針對這一問題，在機(jī)會路由選取候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行改進(jìn)，定義新的路由度量，綜合考慮鏈路質(zhì)量和節(jié)點(diǎn)剩余能量，提出一種改進(jìn)的基于MORE協(xié)議的能量均衡的機(jī)會路由算法，并對此方案進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

1 相關(guān)工作

在麻省理工學(xué)院(MIT)的Biswas等[2]提出機(jī)會路由的概念之后，研究者們進(jìn)行了深入研究。Eric Rozner等[3]提出的SOAR協(xié)議，采用自適應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)路徑以避免重傳，并通過基于優(yōu)先級的定時器，局部損失恢復(fù)方案與自適應(yīng)速率控制，獲得了較好的性能。文獻(xiàn)[4]提出的多速率地理選擇路由(MGOR)，是以地理位置為基礎(chǔ)，并結(jié)合無線網(wǎng)絡(luò)中多速率傳輸?shù)奶攸c(diǎn)提出的機(jī)會路由。該協(xié)議引入OEOT路由度量，通過該路由度量達(dá)到傳輸速率和候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集的平均優(yōu)化的目的。而面對機(jī)會路由相關(guān)的開銷問題，許多研究人員利用網(wǎng)絡(luò)編碼來解決該問題。S.Chachulski等[5]抓住這一特點(diǎn)，將隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼引入到機(jī)會路由中，提出了MAC層獨(dú)立的機(jī)會路由(MORE)協(xié)議，以非常低的成本顯著降低了節(jié)點(diǎn)間的協(xié)作開銷，改進(jìn)了機(jī)會路由的性能。但是在該協(xié)議下，只能被動利用各節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)編碼機(jī)會。針對這一問題，文獻(xiàn)[6]提出了編碼感知機(jī)會路由協(xié)議(CAOR)。CAOR將局部流間網(wǎng)絡(luò)編碼策略和機(jī)會路由相結(jié)合，創(chuàng)造出更多的編碼機(jī)會，從而提高了多流情況下無線網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。文獻(xiàn)[7]提出的CoAOR協(xié)議，主要是為了解決CAOR中轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)需要其兩跳鄰居節(jié)點(diǎn)狀態(tài)信息這一突出問題。但是，在低功耗多跳無線網(wǎng)絡(luò)中，即無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，能量消耗是一個極為重要的因素。因此，最近的一些機(jī)會路由協(xié)議將能量消耗這個參數(shù)考慮進(jìn)去。

在節(jié)能路由的研究中，Mao等[8]提出了能量有效機(jī)會路由協(xié)議(EEOR)。在該協(xié)議中，候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的選擇及其優(yōu)先級都是以最小能量消耗為度量。此外，EEOR認(rèn)為可以通過調(diào)節(jié)傳輸功率，使得發(fā)送者逐漸增加它的發(fā)射功率達(dá)到最大閾值，從而增加候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的數(shù)目。文獻(xiàn)[9]提出的MDOR路由算法，利用動態(tài)能量計(jì)算的方式，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的端到端傳輸時延以及網(wǎng)絡(luò)的生存時間。Zorzi等[10]設(shè)計(jì)的地理路由協(xié)議(GeRaF)，運(yùn)用基于競爭的路由機(jī)制，允許節(jié)點(diǎn)自主休眠與蘇醒，從而提高了網(wǎng)絡(luò)整體的生存時間。文獻(xiàn)[11]提出的CL-EE算法，是結(jié)合物理層和介質(zhì)介入控制層感知的機(jī)會路由協(xié)議。該協(xié)議利用跨層之間的信息交換，以較小的能量消耗獲得了較高的端到端吞吐量。文獻(xiàn)[12]提出的基于拓?fù)浜玩溌焚|(zhì)量感知的地理機(jī)會路由協(xié)議(TLG-OR)，將地理位置、鏈路質(zhì)量以及節(jié)點(diǎn)的剩余能量考慮進(jìn)來。在候選節(jié)點(diǎn)集的選擇上，以地理位置為主要參考因素，選擇具有最少轉(zhuǎn)發(fā)時延的節(jié)點(diǎn)作為最佳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。文獻(xiàn)[13]提出了具有異步睡眠的機(jī)會路由協(xié)議(ORAS)，在保證發(fā)送者有潛在的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)并能高效接收數(shù)據(jù)包的同時，降低能耗。文獻(xiàn)[14]提出了一種適用于WSN的基于協(xié)同的機(jī)會路由協(xié)議，提出新的路由度量，轉(zhuǎn)發(fā)能效，以能量有效的方式提高了數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)速率，但是也增加了信令開銷。

2 基于MORE的改進(jìn)算法

2.1 無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)能耗模型

文獻(xiàn)[15]中提出了first-order能耗模型，該模型的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 first-order能耗模型

根據(jù)該能量消耗模型，傳輸k位數(shù)據(jù)包的發(fā)送能耗etx(d,k)與接收能耗erx(k)如下：

etx(d,k)=(eelec+eamp*d2)*k

(1)

erx(k)=eelec*k

(2)

其中，無線收發(fā)器的運(yùn)行開銷為eelec=50nJ/b；傳輸開銷eamp=100 pJ/(b*m2)。

Douglas等[16]提出了期望傳輸次數(shù)(ETX)路由度量。ETX值是一個預(yù)測值，用來衡量數(shù)據(jù)包在一對節(jié)點(diǎn)間傳輸數(shù)據(jù)直到成功時，可能需要的次數(shù)，自然包括重傳次數(shù)。但是對于一個完整的路由，不好直接預(yù)測ETX值，所以通過將各鏈路ETX值相加的形式，得到一條路由的ETX值。

ETX的計(jì)算，由兩個因素構(gòu)成，分別為前向轉(zhuǎn)發(fā)成功率df與反向ACK確認(rèn)成功率dr。那么，一次傳輸?shù)钠谕怕剩闯晒邮张c確認(rèn)，為df*dr。因?yàn)槊恳淮蝹鬏敂?shù)據(jù)包的嘗試，可以被認(rèn)為是伯努利實(shí)驗(yàn)，所以期望傳輸次數(shù)為：

(3)

通過對鏈路探測包的計(jì)算，可以得到轉(zhuǎn)發(fā)率df和dr。根據(jù)設(shè)定的發(fā)送周期τ，每個節(jié)點(diǎn)會發(fā)送固定大小的探測包。如果所有節(jié)點(diǎn)都在同一時間發(fā)送探測包，可能會導(dǎo)致同步效應(yīng)，所以每個節(jié)點(diǎn)探測包采用0.1τ的抖動發(fā)送。另外，因?yàn)樘綔y包的發(fā)送是以廣播的形式，而且在802.11b的機(jī)制下，不存在確認(rèn)和重傳機(jī)制。所以，每個節(jié)點(diǎn)只要記錄在過去的時間內(nèi)接收到的探測包的數(shù)據(jù)，就能夠計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)率，見式(4)。

(4)

其中，count(t-w,t)為在過去的ω時間內(nèi)實(shí)際接收到的探測包個數(shù)；ω/T為在ω時間內(nèi)應(yīng)該收到的探測包數(shù)量。

通過探測包，可以計(jì)算出節(jié)點(diǎn)間鏈路質(zhì)量，得到ETX值，這樣也能夠得出節(jié)點(diǎn)成功接收一個數(shù)據(jù)包時期望的能量消耗：

Erx=ETXi*erx(k)

(5)

其中，ETXi為節(jié)點(diǎn)i與其前一跳的ETX值。

同理，節(jié)點(diǎn)i成功發(fā)送一個數(shù)據(jù)包的預(yù)期能量消耗為：

Etx=ETXj*etx(d,k)

(6)

其中，ETXj為節(jié)點(diǎn)i與其下一條的ETX值。

那么節(jié)點(diǎn)i成功接收并發(fā)送一個數(shù)據(jù)包的預(yù)期能量消耗為：

EECi=Erx+Etx

(7)

2.2 ELT路由測度

ETX值代表節(jié)點(diǎn)間的鏈路質(zhì)量，數(shù)值越小，意味著數(shù)據(jù)在節(jié)點(diǎn)間重傳的可能性越小，節(jié)點(diǎn)間的預(yù)期能量消耗也越小(根據(jù)式(7))。但是，如果單純的以ETX作為路由度量，鏈路質(zhì)量較好的節(jié)點(diǎn)將持續(xù)不斷地作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，那么這些節(jié)點(diǎn)將因?yàn)槟芰亢谋M而過早死亡。為了保證網(wǎng)絡(luò)的整體性，避免部分節(jié)點(diǎn)的過早死亡而退出網(wǎng)絡(luò)，期望既保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，又能夠考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量(Eres)，防止某些節(jié)點(diǎn)能量過早耗盡。因此，綜合了ETX和節(jié)點(diǎn)的剩余能量，提出了期望生存時間(ExpectedLifeTime,ELT)作為路由度量，計(jì)算公式為：

(8)

由式(8)知，ETX值越小且Eres越大，節(jié)點(diǎn)期望生存時間越長，那么選擇該節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的概率越大。

2.3 候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集的選取

和傳統(tǒng)路由協(xié)議相比，機(jī)會路由最主要的工作在于候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集的選擇。對于候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集，當(dāng)中的節(jié)點(diǎn)個數(shù)越多，可以認(rèn)為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的成功率越高?？墒沁@也帶來了另一方面的問題，節(jié)點(diǎn)過多，它們的協(xié)作開銷將非常困難。MORE協(xié)議是根據(jù)各個節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的ETX來選擇候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集。在該協(xié)議中，將節(jié)點(diǎn)的剩余能量考慮其中，并且假設(shè)候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集的集合大小為6，其候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集選擇確定的具體算法如圖2所示。

圖2 確定候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集的流程算法

2.4 改進(jìn)MORE協(xié)議的性能分析

對改進(jìn)MORE協(xié)議，定性分析其三大優(yōu)點(diǎn)：

(1)較高的可靠性。

經(jīng)典MORE協(xié)議以節(jié)點(diǎn)間的鏈路質(zhì)量作為路由測度，并采用網(wǎng)絡(luò)編碼的方法，在進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)前，將數(shù)據(jù)包隨機(jī)混合，保證了較高的數(shù)據(jù)傳輸成功率。改進(jìn)MORE協(xié)議，以經(jīng)典MORE協(xié)議為基礎(chǔ)，繼承了其高可靠性的特點(diǎn)。另外，以ELT作為路由度量，考慮了節(jié)點(diǎn)剩余能量，保證了網(wǎng)絡(luò)的整體性，同時提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

(2)均衡能耗，延長網(wǎng)絡(luò)生存時間。

所提出的ELT路由測度，綜合考慮了節(jié)點(diǎn)間的鏈路質(zhì)量和節(jié)點(diǎn)的剩余能量，在保證數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的同時，也保證了網(wǎng)絡(luò)的整體性。以圖3為例，假設(shè)一個數(shù)據(jù)包的能耗E為1，ETX值和剩余能量如圖所示。經(jīng)典MORE協(xié)議，將選擇節(jié)點(diǎn)B作為下一跳，那將導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)B因能量耗盡而死亡。而根據(jù)式(8)計(jì)算得ELTA≈3.57，ELTB≈1.67，改進(jìn)MORE協(xié)議將選擇節(jié)點(diǎn)A進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。所以，以ELT為路由測度，考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量，減少剩余能量較少節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)，以防止其因能量耗盡而過早死亡，均衡節(jié)點(diǎn)間傳輸數(shù)據(jù)的能量消耗，延長網(wǎng)絡(luò)的生存時間。

圖3 下一跳路由選擇示意圖

(3)提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

經(jīng)典MORE協(xié)議，以節(jié)點(diǎn)間的鏈路質(zhì)量作為路由測度，在選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)時，將一直選擇鏈路質(zhì)量較好的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，導(dǎo)致這些節(jié)點(diǎn)因?yàn)槟芰亢谋M而過早死亡，影響了網(wǎng)絡(luò)整體性以及吞吐量。改進(jìn)MORE協(xié)議，以鏈路質(zhì)量和節(jié)點(diǎn)的剩余能量作為路由測度，均衡了節(jié)點(diǎn)能量消耗，延長了鏈路質(zhì)量較好的節(jié)點(diǎn)的生存時間，保證了網(wǎng)絡(luò)的整體性，也提高了在整個網(wǎng)絡(luò)生存周期中的網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

3 仿真結(jié)果分析

采用NS2(NetworkSimulatorVerson2)軟件完成仿真實(shí)驗(yàn)，將改進(jìn)的MORE協(xié)議與經(jīng)典MORE協(xié)議進(jìn)行比較。具體的仿真參數(shù)為：網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浯笮?00m*500m；節(jié)點(diǎn)數(shù)目為50個，初始能量為10J；節(jié)點(diǎn)傳輸距離為100m；網(wǎng)絡(luò)編碼數(shù)據(jù)包大小為1 400B。

3.1 評價指標(biāo)

在路由度量的設(shè)計(jì)上，綜合了鏈路質(zhì)量和節(jié)點(diǎn)剩余能量。為了進(jìn)行有效的對比，設(shè)計(jì)了以下指標(biāo)：

(1)節(jié)點(diǎn)剩余能量方差：每經(jīng)過一段時間，統(tǒng)計(jì)各節(jié)點(diǎn)的剩余能量，并計(jì)算所有節(jié)點(diǎn)剩余能量的平均值，計(jì)算所有節(jié)點(diǎn)與該平均值之差的平方和。

(2)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)存活數(shù)：每經(jīng)過一段時間，統(tǒng)計(jì)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)剩余能量還能支撐節(jié)點(diǎn)工作的節(jié)點(diǎn)個數(shù)。

(3)網(wǎng)絡(luò)吞吐量：在MORE協(xié)議中，傳輸吞吐量定義為數(shù)據(jù)塊的大小(一個數(shù)據(jù)塊所包含的個數(shù))除以數(shù)據(jù)塊的傳輸時間(即從源節(jié)點(diǎn)開始發(fā)送當(dāng)前數(shù)據(jù)塊到源節(jié)點(diǎn)收到來自目的節(jié)點(diǎn)的ACK確認(rèn)信息為止)。從這里可以看出，傳輸吞吐量是由每秒發(fā)送多少個數(shù)據(jù)包為單位的，即Packets/s。設(shè)傳輸吞吐量為100 Packets/s，換算成常用單位bps，換算關(guān)系式如式(9)所示：

100 Packets/s=100*1 400*8/1 024= 1 093.75kbps

(9)

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 節(jié)點(diǎn)剩余能量方差

由圖4可以看出，0～20 s內(nèi)，改進(jìn)MORE協(xié)議和經(jīng)典MORE協(xié)議的節(jié)點(diǎn)剩余能量方差相差無幾,但在20 s之后，節(jié)點(diǎn)的剩余能量方差出現(xiàn)了分歧。由于經(jīng)典MORE協(xié)議不考慮節(jié)點(diǎn)的能量消耗，優(yōu)先選擇鏈路質(zhì)量較好的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，導(dǎo)致部分節(jié)點(diǎn)的能耗較大，所有節(jié)點(diǎn)的剩余能量方差較大。而改進(jìn)MORE協(xié)議，在路由度量上，考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量，在選擇候選節(jié)點(diǎn)時，分散了節(jié)點(diǎn)的能量消耗，從而均衡了網(wǎng)絡(luò)的能量消耗。

圖4 節(jié)點(diǎn)剩余能量方差

3.2.2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)存活數(shù)

圖5給出了經(jīng)典MORE協(xié)議和改進(jìn)MORE協(xié)議關(guān)于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)存活數(shù)的對比情況。在0～20 s內(nèi)，兩種協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)死亡數(shù)目都為0。之后，經(jīng)典MORE協(xié)議下的節(jié)點(diǎn)開始因?yàn)槟芰亢谋M而不斷死亡；改進(jìn)MORE協(xié)議下節(jié)點(diǎn)也出現(xiàn)死亡，但相比較而言，出現(xiàn)的時間晚一些。在30～100 s之間，經(jīng)典MORE協(xié)議下節(jié)點(diǎn)的存活數(shù)目都小于改進(jìn)MORE協(xié)議下的。特別是在100 s時，經(jīng)典MORE協(xié)議下的節(jié)點(diǎn)已經(jīng)全部死亡；而改進(jìn)MORE協(xié)議下還有少量節(jié)點(diǎn)存活，還能完成少部分的數(shù)據(jù)傳輸工作。綜上所述，改進(jìn)MORE協(xié)議能夠延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。

圖5 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)存活數(shù)

3.2.3 網(wǎng)絡(luò)吞吐量

由圖6可以看出，在30 s之前，兩種協(xié)議的吞吐量大致相當(dāng)。而在30 s，根據(jù)圖5，經(jīng)典MORE協(xié)議下部分節(jié)點(diǎn)已經(jīng)因?yàn)槟芰亢谋M而死亡，所以吞吐量有所降低。而改進(jìn)MORE協(xié)議考慮了節(jié)點(diǎn)的剩余能量，在選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)時，會舍棄部分能量較低的節(jié)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，使得整個網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量消耗較為平均，節(jié)點(diǎn)不會出現(xiàn)像經(jīng)典MORE協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)間鏈路質(zhì)量較好，卻過早因能量耗盡而退出網(wǎng)絡(luò)的情況。但是即便如此，畢竟節(jié)點(diǎn)的能量有限，還是會有節(jié)點(diǎn)因能量耗盡而退出網(wǎng)絡(luò)，那么網(wǎng)絡(luò)的整體性能也勢必會降低。

圖6 吞吐量

4 結(jié)束語

經(jīng)典MORE協(xié)議，率先將網(wǎng)絡(luò)編碼引入到機(jī)會路由中，進(jìn)一步提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量，但是在選擇候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)時，僅考慮節(jié)點(diǎn)間的鏈路質(zhì)量，使得部分節(jié)點(diǎn)因?yàn)槟芰亢谋M而過早地退出網(wǎng)絡(luò)。針對這一突出問題，提出了以ELT為路由度量選擇候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集的標(biāo)準(zhǔn)，并設(shè)計(jì)了基于新路由度量的候選節(jié)點(diǎn)選擇策略，提出了改進(jìn)MORE協(xié)議。通過分析以及仿真結(jié)果表明，改進(jìn)MORE協(xié)議在選擇候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)時，同等條件下，會舍棄能量較低的節(jié)點(diǎn)，均衡能量消耗，保證節(jié)點(diǎn)的存活率，提高網(wǎng)絡(luò)的完整性，延長網(wǎng)絡(luò)的生存周期。在今后的研究中，將針對數(shù)據(jù)傳輸時延進(jìn)行優(yōu)化，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省?/p>

[1] 崔 莉,鞠海玲,苗 勇,等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究進(jìn)展[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展,2005,42(1):163-174.

[2] Biswas S,Morris R.Opportunistic routing in multihop wireless networks[J].ACM SIGCOMM Computer Communication Review,2004,34(1):69-74.

[3] Rozner E,Seshadri J,Mehta Y,et al.SOAR:simple opportunistic adaptive routing protocol for wireless mesh networks[J].IEEE Transactions on Mobile Computing,2009,8(12):1622-1635.

[4] Zeng K,Lou W,Zhai H.Capacity of opportunistic routing in multi-rate and multi-hop wireless networks[J].IEEE Transactions on Wireless Communications,2008,7(12):5118-5128.

[5] Chachulski S,Jennings M,Katti S,et al.Trading structure for randomness in wireless opportunistic routing[C]//Proceedings of the ACM SIGCOMM 2007.New York:ACM Press,2007:169-180.

[6] Yan Y,Zhang B,Mouftah H T,et al.Practical coding-aware mechanism for opportunistic routing in wireless mesh networks[C]//IEEE international conference on communications.[s.l.]:IEEE,2008:2871-2876.

[7] Hu Q,Zheng J.CoAOR:an efficient network coding aware opportunistic routing mechanism for wireless mesh networks[C]//IEEE GLOBECOM workshops.[s.l.]:IEEE,2013:4578-4583.

[8] Mao Xufei,Xu Xiaohua,Tang Shaojie,et al.Energy-efficient opportunistic routing in wireless sensor networks[J].IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems,2011,22(11):1934-1942．

[9] Sharma M,Singh Y.Middle position dynamic energy opportunistic routing for wireless sensor networks[C]//International conference on advances in computing,communications and informatics.[s.l.]:IEEE,2015.

[10] Zorzi M,Rao R R.Geographic random forwarding (GeRaF) for ad hoc and sensor networks:energy and latency performance[J].IEEE Transactions on Mobile Computing,2003,2(4):349-365.

[11] Jing Z,Chen D,Nguyen H V,et al.Cross-layer aided energy-efficient opportunistic routing in ad hoc networks[J].IEEE Transactions on Communications,2014,62(2):522-535.

[12] Zhao Z,Rosario D,Braun T,et al.Topology and link quality-aware geographical opportunistic routing in wireless ad-hoc networks[C]//International wireless communications and mobile computing conference.[s.l.]:[s.n.],2013:1522-1527.

[13] Liu S,Sha M,Huang L.ORAS:opportunistic routing with asynchronous sleep in wireless sensor networks[C]//2010 2nd international conference on future computer and communication.Hefei,China:ACM,2012:234-248.

[14] 胡海峰,楊 震.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于協(xié)同的機(jī)會路由[J].通信學(xué)報,2009,30(8):116-123.

[15] Heinzelman W R,Chandrakasan A,Balakrishnan H.Energy-efficient communication protocol for wireless sensor networks[C]//Proceedings of the 33rd IEEE Hawaii international conference on system sciences.Maui:IEEE Computer Society,2000:233-243.

[16] Couto D S J D,Aguayo D,Bicket J,et al.A high-throughput path metric for multi-hop wireless routing[J].Wireless Networks,2003,11(4):419-434.

Opportunistic Routing Algorithm Based on Energy Balance in Wireless Sensor Network

WANG Lei1,2，WANG Jun1,2，ZHU Zhi-wei1,2，WU Han1,2

(1.Key Lab of Broadband Wireless Communication and Sensor Network Technology of Ministry of Education,NJUPT,Nanjing 210003,China;2.Jiangsu Key Lab of Wireless Communication of NJUPT,Nanjing 210003,China)

Opportunistic routing achieves high throughput in the face of lossy wireless links.The current opportunistic routing protocol,MORE,is the first opportunistic routing work to adopt network coding,but in the selection of candidate forward node set,it only considers the quality of the link between nodes,which leads to premature dead for some nodes because of energy depletion,affecting the integrity of wireless sensor networks.Aiming at this outstanding issue,an improved routing protocol based on MORE is proposed,which balances energy consumption of wireless sensor nodes.According to transmission mechanism of opportunistic routing,considering the expected transmission count (ETX) and residual energy (RE),a new routing metric expected life time (ELT) and a selection strategy of candidate forward node set based on it is proposed.Finally,simulations are performed by NS2.The results show that in the basis of taking the residual energy into account,the improved MORE protocol not only ensures the reliability of data transmission,but also balances the energy consumption of nodes,improving survival of nodes and prolonging the network life cycle.

opportunistic routing;expected transmission count;residual energy;expected lifetime

2016-06-17

2016-09-21

時間：2017-03-07

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61401234)；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科工程資助項(xiàng)目；江蘇省政府留學(xué)獎學(xué)金

王 雷(1990-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榛诰W(wǎng)絡(luò)編碼的數(shù)據(jù)收集技術(shù)；王 珺，博士，副教授，研究方向?yàn)橄乱淮ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170307.0922.080.html

TP301.6

A

1673-629X(2017)04-0034-05

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.04.008