余修武,周利興,張 楓,張 可,夏 凡,劉 永

(1.南華大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院,湖南 衡陽(yáng) 421001;2.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 馬鞍山 243000;3.湖南省鈾尾礦庫(kù)退役治理技術(shù)工程技術(shù)研究中心,湖南 衡陽(yáng) 421001)

基于退避機(jī)制的有向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議*

余修武1,2,3*,周利興1,2,3,張 楓1,2,3,張 可1,3,夏 凡1,劉 永1,2,3

(1.南華大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院,湖南 衡陽(yáng) 421001;2.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 馬鞍山 243000;3.湖南省鈾尾礦庫(kù)退役治理技術(shù)工程技術(shù)研究中心,湖南 衡陽(yáng) 421001)

針對(duì)有向帶狀無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點(diǎn)能量受限導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)存活時(shí)間難以保證的問題,提出一種基于時(shí)間退避機(jī)制與能量效率的地理路由協(xié)議(GRBE)。以單位能耗傳遞數(shù)據(jù)包的有效距離,作為選擇下一跳節(jié)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn),在建立帶狀網(wǎng)絡(luò)模型基礎(chǔ)上,通過基于時(shí)間退避機(jī)制選取下游節(jié)點(diǎn),減少了上游節(jié)點(diǎn)與下游節(jié)點(diǎn)間不必要的通訊和數(shù)據(jù)傳輸能量消耗。經(jīng)模擬對(duì)比仿真,新路由協(xié)議GRBE網(wǎng)絡(luò)壽命分別是GEAR的1.96倍、OFEB的1.31倍。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò);路由協(xié)議;退避機(jī)制;能量效率;有向網(wǎng)絡(luò)

帶狀傳感器網(wǎng)絡(luò)是WSN(Wireless Sensor Network)[1-3]中重要的網(wǎng)絡(luò)類型,已廣泛應(yīng)用于巷道、橋梁、隧道、壩體等基礎(chǔ)設(shè)施的監(jiān)測(cè)中[4]。通常WSN節(jié)點(diǎn)的能量受限,采用合適的路由算法優(yōu)化數(shù)據(jù)傳遞路徑,可以降低網(wǎng)絡(luò)能耗,延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間[5-7]。在眾多路由算法中,根據(jù)地理位置信息建立優(yōu)化傳播路徑的路由受到國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視,諸多地理位置路由被相繼提出。地理和能量感知路由協(xié)GEAR(Geographical and Energy Aware Routing)[8]是一種經(jīng)典的地理位置路由,其采用地理信息傳播問詢包到適當(dāng)區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)中,每個(gè)節(jié)點(diǎn)利用其估計(jì)成本與學(xué)習(xí)成本選取中間節(jié)點(diǎn),被大多數(shù)路由協(xié)議繼承。Wu SB等人在GEAR的基礎(chǔ)上提出了地理和能量有效路由(GPER)[9],該路由協(xié)議選取距上游節(jié)點(diǎn)最近的下游節(jié)點(diǎn)作為中間節(jié)點(diǎn),數(shù)據(jù)分組始終沿著同一路徑傳遞。近年來,一種能量均衡的路由協(xié)議OFEB(Optimal Forward with Energy Balance)[10-11]被提出,其基于所采用的能量模型,分析了網(wǎng)絡(luò)能量消耗特征,當(dāng)前節(jié)點(diǎn)在最大傳輸范圍內(nèi),按照一定公式選擇節(jié)點(diǎn)作為下一跳。Zhang等人提出的EEGR[12]路由則設(shè)定了臨界轉(zhuǎn)發(fā)值,將當(dāng)前節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的歐氏距離與其比較,判斷選取中間節(jié)點(diǎn)或直接傳輸。以上路由大多采用問詢式,即上游節(jié)點(diǎn)發(fā)出問詢包,下游節(jié)點(diǎn)收到信號(hào)后,將自身相關(guān)信息發(fā)回上游節(jié)點(diǎn),并由上游節(jié)點(diǎn)計(jì)算后選取合適的中間節(jié)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是在此過程中,問詢包的收發(fā)浪費(fèi)了相當(dāng)?shù)哪芰俊?duì)此提出一種適用于帶狀網(wǎng)絡(luò)的基于時(shí)間退避機(jī)制與能量效率的地理路由協(xié)議GRBE(Geographical Routing Based on Back-off Time and Energy Efficiency)。以單位能耗傳遞數(shù)據(jù)包的有效距離,作為選擇下一跳節(jié)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn),在建立帶狀網(wǎng)絡(luò)的模型基礎(chǔ)上,通過基于時(shí)間退避機(jī)制選取下游節(jié)點(diǎn),減少了上游節(jié)點(diǎn)與下游節(jié)點(diǎn)間不必要的通訊和數(shù)據(jù)傳輸能量消耗,新算法(GRBE)可大大延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。

1 系統(tǒng)模型

1.1 數(shù)據(jù)傳輸能量模型

在分析無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)的能量消耗時(shí),采用如圖1所示的無線傳輸能量消耗模型。節(jié)點(diǎn)接收nbit數(shù)據(jù)時(shí)耗能ET(l,n),節(jié)點(diǎn)發(fā)送nbit數(shù)據(jù)給相距l(xiāng)的節(jié)點(diǎn)總耗能ER(l,n),如式(1)所示:

E(l,n)=ET(l,n)+ER(l,n)

(1)

式中:ET(l,n)、ER(l,n)由式(2)～式(4)得出:

(2)

l0=(εfs/εamp),1/2

(3)

ER(l,n)=nEelec

(4)

式中:Eelec表示發(fā)送單位數(shù)據(jù)電路的能耗。εfs表示在自由空間模型下的衰減系數(shù),εamp表示在多路徑模型下衰減系數(shù),l0表示通信距離閾值。

圖1 節(jié)點(diǎn)收發(fā)數(shù)據(jù)能量模型

圖2 傳感網(wǎng)絡(luò)模型

1.2 有向帶狀網(wǎng)絡(luò)模型

在一個(gè)M×N大小的區(qū)域內(nèi)布置傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的無線傳感網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點(diǎn)傳輸半徑為R,節(jié)點(diǎn)平均間距為r,如若M?R?N,則在路由傳輸中,可將其等同于帶狀傳感模型,如圖2所示。假設(shè)該無線傳感網(wǎng)絡(luò)具有如下特點(diǎn):①所有節(jié)點(diǎn)靜止,位置坐標(biāo)已知,且定位誤差影響較小;②所有普通節(jié)點(diǎn)初始能量相同,Sink節(jié)點(diǎn)能量無限;③各普通節(jié)點(diǎn)隨機(jī)產(chǎn)生數(shù)據(jù)向Sink節(jié)點(diǎn)傳播,傳播過程中延遲遠(yuǎn)小于數(shù)據(jù)產(chǎn)生周期,即不會(huì)形成網(wǎng)絡(luò)擁堵;④通信能耗占節(jié)點(diǎn)能耗的比重極大,其余能耗不考慮;⑤各節(jié)點(diǎn)可以調(diào)節(jié)發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度,即通信距離,調(diào)節(jié)精度小于節(jié)點(diǎn)間距r;⑥假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)單位時(shí)間采集的數(shù)據(jù)量相同。

2 GRBE路由

一般平面路由中,上游節(jié)點(diǎn)在眾多下游節(jié)點(diǎn)中選取下一跳節(jié)點(diǎn)時(shí),采用問詢式,即上游節(jié)點(diǎn)將向周圍發(fā)送問詢信號(hào),其通信半徑內(nèi)的節(jié)點(diǎn)接收到信號(hào)后,將相關(guān)數(shù)據(jù)傳遞回發(fā)送信號(hào)的上游節(jié)點(diǎn),再由上游節(jié)點(diǎn)選取合適的節(jié)點(diǎn)。在這一過程中,雖然問詢信號(hào)數(shù)據(jù)量較小,但為了提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性,上游節(jié)點(diǎn)必然會(huì)選取其最大通信半徑發(fā)送信號(hào),而下游節(jié)點(diǎn)回應(yīng)上游節(jié)點(diǎn)時(shí)也會(huì)由于下游節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多,部分距離較遠(yuǎn)而產(chǎn)生較高的能耗,為減少這部分能耗,提出GRBE路由。

2.1 能耗效率

在帶狀網(wǎng)絡(luò)中,能量消耗主要源于數(shù)據(jù)的傳播,為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)壽命的最大化,需利用一定的能量將更多的數(shù)據(jù)傳播至更遠(yuǎn)的距離。故引入能耗效率d|l|/dE的概念,即單位能耗可傳播單位數(shù)據(jù)包的有效距離,能耗效率越高,傳播數(shù)據(jù)包所需能耗越小,路徑越佳。能耗效率如式(5)所示:

(5)

式中:φ為上下游節(jié)點(diǎn)間方向與上游節(jié)點(diǎn)與Sink節(jié)點(diǎn)方向的夾角,如圖2所示。在帶狀網(wǎng)絡(luò)中,遠(yuǎn)距離節(jié)點(diǎn)間方向與數(shù)據(jù)流傳播方向夾角較小,式(5)可近似表示為式(6)所示。

(6)

其圖像如圖3所示。

圖3 能耗效率

根據(jù)其圖像可知,帶狀網(wǎng)絡(luò)中,并非節(jié)點(diǎn)越近傳輸越高效,由于Eelcc的關(guān)系,在一定范圍內(nèi),能耗效率較高。

2.2 退避機(jī)制路由

退避機(jī)制本身源于物理層和數(shù)據(jù)鏈路層MAC子層中,為節(jié)點(diǎn)在進(jìn)入無線媒體接入時(shí),用來減少?zèng)_突所提出的。以IEEE802.11DCF為例,節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)前,都要保證信道處于空閑狀態(tài),并等待一個(gè)信道持續(xù)空閑DIFS間隔,然后進(jìn)入競(jìng)爭(zhēng)窗口(執(zhí)行退避算法),計(jì)算隨機(jī)退避時(shí)間TB(Back-off Time),以便競(jìng)爭(zhēng)接入到信道。

本研究引入退避時(shí)間競(jìng)爭(zhēng)的方式,接收到上游問詢信號(hào)的下游節(jié)點(diǎn),通過一定的退避時(shí)間延遲,得出中間節(jié)點(diǎn),其過程如下:

①上游節(jié)點(diǎn)i需要發(fā)送數(shù)據(jù)包前,發(fā)出一個(gè)包含自身電量、位置信息的問詢信號(hào)。②通信范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)jk接收該信號(hào)后,根據(jù)節(jié)點(diǎn)i電量、位置與自身電量及位置判斷自身是否距Sink節(jié)點(diǎn)更近。③若節(jié)點(diǎn)jk距Sink節(jié)點(diǎn)更近,則計(jì)算并得出一個(gè)退避時(shí)間TB,在該時(shí)間過后自動(dòng)成為中間節(jié)點(diǎn),并向周圍公布該信息及發(fā)送新的問詢信號(hào)。④若節(jié)點(diǎn)jk在TB前,接收到其他節(jié)點(diǎn)成為中間節(jié)點(diǎn)的信息,將放棄原TB時(shí)間。

退避時(shí)間TB由式(7)得出,

(7)

式中:Ei、Ejk分別為節(jié)點(diǎn)i、jk的剩余電量。A為常數(shù),用于調(diào)節(jié)TB的大小,使TB造成的延時(shí)不會(huì)引發(fā)網(wǎng)絡(luò)擁堵。當(dāng)下游節(jié)點(diǎn)jk為Sink節(jié)點(diǎn)時(shí),Ei=Ejk。

3 仿真模擬

通過仿真實(shí)驗(yàn),分析基于時(shí)間退避機(jī)制路由協(xié)議GRBE與經(jīng)典的GEAR路由及近年來新提出的OFEB進(jìn)行仿真對(duì)比,并在網(wǎng)絡(luò)壽命及剩余能量等方面進(jìn)行分析。傳感器節(jié)點(diǎn)帶狀均勻分布,簇頭融合數(shù)據(jù)的能量忽略不計(jì),一旦信號(hào)無法傳播至Sink節(jié)點(diǎn),傳感網(wǎng)絡(luò)失效。仿真模擬條件參數(shù)如表1所示,仿真對(duì)比結(jié)果如圖4所示。

表1 模擬參數(shù)

此時(shí)設(shè)置A=109ms,TB最大值為60 ms。OFEB算法中間節(jié)點(diǎn)選取f(Eres,l)值最大的節(jié)點(diǎn),其計(jì)算如式(8)所示,其中系數(shù)α取0.5,Eres為剩余能量,Ecap為初始能量。

(8)

圖4 網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間仿真結(jié)果(k=5)

仿真結(jié)果如圖4～圖7所示,顯示的是網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)剩余總能量隨運(yùn)行時(shí)間增加而變化的情況。當(dāng)存在節(jié)點(diǎn)信號(hào)無法傳遞至Sink節(jié)點(diǎn)時(shí),網(wǎng)絡(luò)終止(失效),各節(jié)點(diǎn)不再監(jiān)測(cè)及發(fā)送數(shù)據(jù),節(jié)點(diǎn)總剩余能量恒定(即網(wǎng)絡(luò)壽命終止)。網(wǎng)絡(luò)終止時(shí)間為圖中斜率開始為0處(圖中已標(biāo)出)。

由圖4可知,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)布設(shè)節(jié)點(diǎn)數(shù)量為5時(shí)(k=5),GEAR算法網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間為303 s,生存期單位時(shí)間平均能耗1.65 mJ;OFEB算法網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間為642 s,生存期單位時(shí)間平均能耗1.40 mJ;GRBE算法網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間為816 s,較GEAR算法延長(zhǎng)了169.3%,較OFEB延長(zhǎng)了27.1%,生存期單位時(shí)間平均能耗0.98 mJ,較GEAR算法降低了40.6%,較OFEB算法降低了30.0%。

由圖5可知,當(dāng)k=10時(shí),GEAR算法網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間為1 278 s,生存期單位時(shí)間平均能耗1.12 mJ;OFEB算法網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間為1 917 s,生存期單位時(shí)間平均能耗1.16 mJ;GRBE算法網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間為2 508 s,較GEAR算法延長(zhǎng)了96.2%,較OFEB算法延長(zhǎng)了30.8%,生存期單位時(shí)間平均能耗0.76 mJ,較GEAR算法降低了32.1%,較OFEB算法降低了34.5%。

圖5 網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間仿真結(jié)果(k=10)

圖6 網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間仿真結(jié)果(k=20)

由圖6可知,當(dāng)k=20時(shí),GEAR算法網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間為2455 s,生存期單位時(shí)間平均能耗1.10 mJ;OFEB算法網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間為3 571 s,生存期單位時(shí)間平均能耗0.99 mJ;GRBE算法網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間為4 652 s,較GEAR算法延長(zhǎng)了89.5%,較OFEB算法延長(zhǎng)了30.3%,生存期單位時(shí)間平均能耗0.72 mJ,較GEAR算法降低了34.5%,較OFEB算法降低了27.3%。

從圖7可知,在600 m的帶狀仿真區(qū)域內(nèi)GRBE算法網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間在節(jié)點(diǎn)布設(shè)數(shù)量k不同情況下,均較GEAR和OFEB算法有較大的延長(zhǎng),生存期單位時(shí)間平均能耗有較大的降低。當(dāng)通信間距(d)太大(k=5,d=120 m),網(wǎng)絡(luò)通信不可靠;距離太小(k=20,d=30 m),網(wǎng)絡(luò)成本較高。通常為了兼顧可靠性和成本問題,節(jié)點(diǎn)通信距離為最大通信半徑的1/2左右(即k=10,d=60 m),GRBE算法網(wǎng)絡(luò)生存壽命較GEAR和OFEB算法分別延長(zhǎng)了96.2%、30.8%,生存期單位時(shí)間平均能耗較GEAR和OFEB算法分別降低了32.1%、34.5%。

圖7 網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間對(duì)比

4 結(jié)論

針對(duì)帶狀WSN中,節(jié)點(diǎn)能量受限問題,提出了一種基于能量效率的時(shí)間退避機(jī)制路由協(xié)議GRBE,主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)有:(1)提出一種能耗效率的概念,并用于模型中,使該路由協(xié)議提高了對(duì)能量的利用率,從而延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)壽命;(2)采用了一種基于時(shí)間退避機(jī)制的競(jìng)爭(zhēng)式節(jié)點(diǎn)選取方式,減少了選取中間節(jié)點(diǎn)過程中的能耗。仿真驗(yàn)證了新路由協(xié)議GRBE在不同節(jié)點(diǎn)密度條件下,對(duì)延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命較GEAR和OFEB算法均有較好的效果(壽命為GEAR的1.96倍及OFEB的1.31倍)。

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余修武(1976-),男,江西九江人,博士,副教授,碩導(dǎo),主要研究方向?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò),安全智能監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù),yxw2008xy@163.com;

周利興(1993-),男,山西朔州人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法技術(shù),無線定位技術(shù),zhoulixingx@163.com;

張楓(1993-),女,湖南邵陽(yáng)人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合技術(shù);

張可(1995-),男,湖南衡陽(yáng)人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)。

ARoutingProtocolofDirectedWirelessSensorNetworkBasedonBack-offTime*

YUXiuwu1,2,3*,ZHOULixing1,2,3,ZHANGFeng1,2,3,ZHANGKe1,3,XIAFan1,LIUYong1,2,3

(1.Environment and Safety Engineering Institute,University of South China,Hengyang Hu’nan 421001,China;2.State Key Laboratory of Safety and Health for Metal Mines,Maanshan Anhui 243000,China;3.Hunan Engineering Technology Research Center for Decommission Uranium Tailings,Hengyang Hu’nan 421001,China)

In order to solve the difficulty in guaranteeing the network lifetime caused by limited node energy in directed band-like wireless sensor network,a geographic routing protocol based on time Back-off mechanism and energy efficiency(GRBE)was proposed. The effective distance of transmitting the data packet by the unit energy consumption was used as the criterion of selecting the next-hop node. The downstream nodes were selected based on the band-like network model and time Back-off mechanism,thus reducing the unnecessary energy consumption by communication and data transmission between the upstream node and the downstream nodes. Simulation comparison demonstrated that the average network lifetime of the new routing protocol GRBE was 1.96 times that of GEAR and 1.31 times that of OFEB.

Wireless sensor network;routing protocol;back-off time;energy efficiency;directed network

TP393.3

A

1004-1699(2017)11-1729-05

項(xiàng)目來源:金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(2016-JSKSSYS-04);湖南省教育廳科研重點(diǎn)項(xiàng)目(15A161);湖南省研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(CX2016B453);湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目(2017-320);南華大學(xué)博士科研基金項(xiàng)目(2013XQD12);國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201710555004)

2017-03-05修改日期2017-07-22

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.11.019