陳聰 冀肖榆 農(nóng)健

摘 要： 在真實(shí)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSNs）應(yīng)用環(huán)境中，傳感節(jié)點(diǎn)位于三維空間。為此，提出基于錐形轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域的三維地理位置路由協(xié)議。為了減少冗余數(shù)據(jù)包數(shù)、降低數(shù)據(jù)包碰撞概率，CFRG協(xié)議先建立錐形轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域，其目的在于限制轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)數(shù)。然后，再估計(jì)錐形轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)概率，最終選擇具有最大轉(zhuǎn)發(fā)概率的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。當(dāng)節(jié)點(diǎn)遭遇空洞節(jié)點(diǎn)問題，就自適應(yīng)地調(diào)整錐形轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域體積，擴(kuò)大選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的空間，即通過錐形轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域調(diào)整，解決VNP問題。仿真結(jié)果表明，提出的CFRG協(xié)議能夠處理VNP問題。與同類的三維路由協(xié)議相比，CFRG協(xié)議能夠提升端到端傳輸時延和數(shù)據(jù)包丟失率兩方面性能。

關(guān)鍵詞： 無線傳感網(wǎng)絡(luò); 地理位置路由; 三維路由協(xié)議; 錐形轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域; 空洞節(jié)點(diǎn)問題; 傳輸時延

中圖分類號： TN915.04?34; TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）09?0035?06

Abstract： In the actual application environment of wireless sensor networks （WSNs）， the sensor nodes are located in three?dimensional space. Therefore， the conical forwarding region?based 3D geographical （CFRG） routing protocol is proposed. In order to decrease the redundant data packets and reduce the collision probability of data packets， the conical forwarding region is constructed for the restriction of the forwarding node numbers. The forwarding probabilities of the nodes in the conical forwarding region are estimated to select the node forwarding data packet with the maximum forwarding probability. When the node experiences a void node problem （VNP）， the volume of the conical forwarding region is adjusted adaptively for enlarging the space of forwarding node selection to solve the VNP. The simulation results show that the proposed protocol can resolve the VNP， and reduce the end?to?end transmission delay and data packet loss ratio in comparison with the similar 3D routing protocols.

Keywords： wireless sensor network; geographical routing; three?dimensional routing protocol; conical forwarding region; void node problem; transmission delay

0 引 言

隨著傳感技術(shù)的迅速發(fā)展，無線傳感網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSNs）得到廣泛應(yīng)用[1?3]。通過部署WSNs傳感節(jié)點(diǎn)先收集環(huán)境數(shù)據(jù)，再傳輸至基站，最后通過Internet網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至后臺管理人員，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控環(huán)境的目的。這些應(yīng)用均要求實(shí)時、可靠地傳輸數(shù)據(jù)包[4]。地理位置路由（Geographical Routing Protocols，GRPs）無需維護(hù)路由和發(fā)現(xiàn)路由階段，因此，相比于拓?fù)渎酚蓞f(xié)議，GRPs能夠提供可靠、實(shí)時的數(shù)據(jù)包傳輸服務(wù)[5?6]。

在真實(shí)的WSNs環(huán)境中，傳感節(jié)點(diǎn)部署于三維（3D）空間，如海洋監(jiān)測[7?8]、森林火災(zāi)感測[9]。針對這些應(yīng)用，GRPs必須利用三維位置坐標(biāo)。而二維的GRPs只是利用平面路由技術(shù)選擇路由，與真實(shí)的三維空間不符。文獻(xiàn)[10?12]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，三維GRPs能夠提高數(shù)據(jù)包傳遞的可靠性。

此外，GRPs的關(guān)鍵在于給節(jié)點(diǎn)提供位置信息。而利用GPS系統(tǒng)能夠獲取節(jié)點(diǎn)的三維信息[13]。GRPs的另一個問題在于空洞節(jié)點(diǎn)問題（Void Node Problem，VNP）。所謂VNP就是在發(fā)送節(jié)點(diǎn)方向上沒有轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。二維GRPs通常采用平面路由技術(shù)處理VNP問題，然而，這些技術(shù)不能應(yīng)用于三維GRPs中。

為此，本文提出基于錐形轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域的三維地理位置路由（Conical Forwarding Region?based Geographical，CFRG）協(xié)議。CFRG協(xié)議通過建立錐形轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域控制數(shù)據(jù)包的冗余，并計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)概率，選擇最大概率的節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)包。同時，CFRG路由利用實(shí)時調(diào)整錐形轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域，使其包含更多的節(jié)點(diǎn)，提升選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的選擇空間。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，提出的CFRG路由協(xié)議能降低數(shù)據(jù)包傳輸時延和數(shù)據(jù)包丟失率，也能有效地處理VNP問題。

1 約束條件及CFRG路由概述

1.1 約束條件

假定無線傳感網(wǎng)絡(luò)內(nèi)有[N]個同構(gòu)節(jié)點(diǎn)，且隨機(jī)分布于興趣區(qū)域內(nèi)。這些節(jié)點(diǎn)是靜態(tài)的，每個節(jié)點(diǎn)的傳輸距離為[r ]m。[N]個同構(gòu)節(jié)點(diǎn)所形成的三維體積為[V]。

此外，假定網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)均知道目的節(jié)點(diǎn)、源節(jié)點(diǎn)的位置。這些信息均載入在數(shù)據(jù)包的首部中。在多數(shù)WSN中，目的節(jié)點(diǎn)（基站）均部署在預(yù)定位置，因此目的節(jié)點(diǎn)位置可認(rèn)為是已知的。

1.2 CFRG路由概述

CFRG路由目的在于提高數(shù)據(jù)傳輸效率，減少傳輸時延。CFRG路由先構(gòu)建錐形轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域，進(jìn)而控制轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)數(shù)，降低擁塞。同時，通過估算轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域內(nèi)每個節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的概率，擇優(yōu)選擇概率最大的節(jié)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，減少數(shù)據(jù)包的傳輸時延。

此外，CFRG路由的另一個特點(diǎn)在于解決了三維VNP問題，這也是GRPs的共性問題。CFRG路由通過實(shí)時調(diào)整錐形轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域，解決VNP問題。

2 CFRG路由

2.1 錐形轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域PFR

首先定義數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域，即錐形轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域。該區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)被認(rèn)為是潛在的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。為了減少傳輸次數(shù)，錐形轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域應(yīng)盡可能地小。即希望錐形轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域內(nèi)只含有一個最理想的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。從另一種角度而言，錐形轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域應(yīng)當(dāng)足夠大，即盡可能提高區(qū)域內(nèi)包含最理想的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)概率。

當(dāng)源節(jié)點(diǎn)[S]需要發(fā)送數(shù)據(jù)包時，先建立錐形轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域。最初，為了減少傳輸次數(shù)，盡可能地減少錐形轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域，使其含有足夠少，但存在合適的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。為此，錐形轉(zhuǎn)發(fā)角[β]反比于網(wǎng)絡(luò)密度[ρ=NV]。網(wǎng)絡(luò)密度越大，錐形轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域越小，反之，越大。據(jù)此，初始的錐形轉(zhuǎn)發(fā)角[βinit]為：

2.2 轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集

當(dāng)接收來自源節(jié)點(diǎn)或發(fā)送節(jié)點(diǎn)[S]發(fā)送的數(shù)據(jù)包，接收節(jié)點(diǎn)就需要判斷自己是否在錐形轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域內(nèi)。若在區(qū)域內(nèi)，就可成為候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，即納入轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集[ψ]內(nèi)。

假定節(jié)點(diǎn)[S]的位置坐標(biāo)為[Sx，Sy，Sz]。節(jié)點(diǎn)[S]所發(fā)送的數(shù)據(jù)包的首部包含其位置坐標(biāo)信息。任何節(jié)點(diǎn)（假定為節(jié)點(diǎn)[ni]）接收了該數(shù)據(jù)包，節(jié)點(diǎn)[ni]就確認(rèn)自己是否在錐形轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域內(nèi)。

假定節(jié)點(diǎn)[ni]和目的節(jié)點(diǎn)[D]的位置坐標(biāo)分別為[nx，ny，nz，][Dx，Dy，Dz]。先計(jì)算兩個矢量[SD→]與[Sn→]的夾角[θ]：

式中[β]為錐形轉(zhuǎn)發(fā)角。如果滿足，則說明該節(jié)點(diǎn)在錐形轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域內(nèi)，并納入候選轉(zhuǎn)發(fā)集[ψ]（[ψ←ni]），成為潛在轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn);否則，將該數(shù)據(jù)包納入空洞節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包清單Void_node_packetlist，便于后續(xù)處理。

當(dāng)然，最初所有節(jié)點(diǎn)均按式（3）判斷是否在錐形轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域。如果發(fā)送節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)包后，經(jīng)一段時間后，節(jié)點(diǎn)仍沒有監(jiān)聽到數(shù)據(jù)包被轉(zhuǎn)發(fā)，說明該數(shù)據(jù)包沒有被節(jié)點(diǎn)接收。因此，源節(jié)點(diǎn)或發(fā)送節(jié)點(diǎn)就重傳該數(shù)據(jù)包，并調(diào)整轉(zhuǎn)發(fā)角[β]，具體過程見2.4節(jié)。

2.3 轉(zhuǎn)發(fā)概率

2.3.1 時 延

當(dāng)錐形轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域內(nèi)有多個節(jié)點(diǎn)時，就需要計(jì)算每個節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)概率，主要通過時延估計(jì)計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)概率。

先計(jì)算錐形轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域內(nèi)每個節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)包傳輸至目的節(jié)點(diǎn)所需要的時間，即估計(jì)傳輸時延[τreq。][τreq]主要取決于兩個因素：轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)[ni]和目的節(jié)點(diǎn)[D]間的跳數(shù)[h];每跳的時延[τh]。

對于跳數(shù)[h]可通過[SD→r]決定。而每跳的時延[τh]由多個因素決定：

2.3.2 適度性

如果節(jié)點(diǎn)位于錐形轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域，并發(fā)現(xiàn)自己能夠在數(shù)據(jù)包有效期[Tthreshold]前傳遞數(shù)據(jù)包，那么該節(jié)點(diǎn)就可成為潛在轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。如果錐形轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域中有多個節(jié)點(diǎn)時，就進(jìn)一步分析這些節(jié)點(diǎn)中哪個節(jié)點(diǎn)更適合傳輸數(shù)據(jù)包，即節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)包的“適度性”。

可利用潛在轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的隊(duì)列時延以及它之前傳輸[m]個數(shù)據(jù)包的平均傳輸時延[τav]估算節(jié)點(diǎn)的“適度性”。由源節(jié)點(diǎn)計(jì)算時延[τav，]如式（6）所示：

2.4 VNP處理

在GRPs路由中，節(jié)點(diǎn)可能遭遇路由空洞問題，這也是GRPs路由的共性問題。CFRG主要通過自適應(yīng)調(diào)整轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域體積，即調(diào)整[β]角處理VNP問題。

錐形轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域調(diào)整機(jī)制如圖2所示。若基于初始[βinit]角建立的轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域[PFR1]內(nèi)沒有轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，就意味著遭遇VNP。因此，一旦轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)[S]遭遇VNP，就需要重新建立錐形轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域。轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)[S]發(fā)送了數(shù)據(jù)包后，經(jīng)時期[τω]后，若沒有監(jiān)測到鄰居節(jié)點(diǎn)重傳數(shù)據(jù)包，說明它（轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)[S]）遭遇VNP問題。在這種情況下，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)[S]就重傳數(shù)據(jù)包。此外，時間[τω]可依據(jù)文獻(xiàn)[14]調(diào)整。

位于初始錐形轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域外的節(jié)點(diǎn)，通過確認(rèn)Void_node_packetlist內(nèi)數(shù)據(jù)包ID號。若數(shù)據(jù)包在它的Void_node_packetlist內(nèi)，就將[β]擴(kuò)大1倍，即將錐形轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域擴(kuò)大，使其包含更多潛在轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。將這一過程稱為錐形轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域調(diào)整過程。

如圖2所示，其描述了錐形轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域調(diào)整機(jī)制。最初，源節(jié)點(diǎn)[S]通過[PFR1]區(qū)域轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，后發(fā)現(xiàn)[PFR1]區(qū)域內(nèi)沒有轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn);然后調(diào)整[β]形成了[PFR2]區(qū)域，再試圖轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，仍發(fā)現(xiàn)[PFR2]區(qū)域內(nèi)沒有轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，無法將數(shù)據(jù)包傳遞至目的節(jié)點(diǎn)[D]。至此，再次調(diào)整[β]形成[PFR3]區(qū)域。最后，發(fā)現(xiàn)[PFR3]區(qū)域內(nèi)有節(jié)點(diǎn)[n1]，且其能夠?qū)?shù)據(jù)包傳輸至目的節(jié)點(diǎn)。盡管節(jié)點(diǎn)[n1]不是通過最短路徑向目的節(jié)點(diǎn)[D]傳輸數(shù)據(jù)包，但是它能夠解決VNP問題。

3 數(shù)值分析

3.1 仿真場景

利用OMNeT++[15]仿真軟件建立仿真平臺。仿真運(yùn)行時間為5 min，且每個數(shù)據(jù)包的截止時長為250 ms。具體仿真參數(shù)如表1所示。

此外，為了更好地評估CFRG協(xié)議性能，選擇ABLAR和3D 貪婪（Greedy）路由作為參考。前者利用隨機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)解決3D VNP問題，而后者是典型的GRPs策略，并利用平面路由技術(shù)解決3D VNP問題。這兩者與CFRG協(xié)議存在可比性。

在分析CFRG協(xié)議性能時，選擇端到端傳輸時延和數(shù)據(jù)包丟失率作為性能指標(biāo)。每次實(shí)驗(yàn)獨(dú)立重復(fù)10次，取平均值作為最終的仿真數(shù)據(jù)，最終的仿真數(shù)據(jù)如圖4～圖7所示。

3.2 CFRG協(xié)議性能

單獨(dú)分析CFRG協(xié)議性能時，主要分析其端到端傳輸時延、數(shù)據(jù)包丟失率隨錐形轉(zhuǎn)發(fā)角[β]的變化情況， 且[β]從0～360°間變化，仿真結(jié)果如圖4，圖5所示。

圖4描述了端到端傳輸時延隨[β]的變化曲線。從圖4可知，在網(wǎng)絡(luò)密集區(qū)域，[β]越大，端到端傳輸時延也就越大，原因在于密集區(qū)域，一旦[β]增加，意味著更多的節(jié)點(diǎn)需要轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，加劇網(wǎng)絡(luò)擁塞，最終提升了端到端傳輸時延。

圖5繪制了數(shù)據(jù)包丟失率隨錐形轉(zhuǎn)發(fā)角[β]的變化曲線。從圖5可知，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)（12 packets/s）大的環(huán)境下，錐形轉(zhuǎn)發(fā)角[β]對數(shù)據(jù)包丟失率有重要的影響。原因在于網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)越大，節(jié)點(diǎn)需要傳輸更多的數(shù)據(jù)包，這也會造成數(shù)據(jù)包傳輸擁塞，甚至數(shù)據(jù)包碰撞，便增加了數(shù)據(jù)包丟失率。這些數(shù)據(jù)表明，依據(jù)網(wǎng)絡(luò)密度選擇合適的[β]是非常重要的。

3.3 對比分析

本小節(jié)主要分析網(wǎng)絡(luò)流量對端到端傳輸時延、數(shù)據(jù)包丟失率的影響，其中網(wǎng)絡(luò)流量用源節(jié)點(diǎn)每秒產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包數(shù)表征。假定網(wǎng)絡(luò)內(nèi)有1 000個節(jié)點(diǎn)，4個源節(jié)點(diǎn)，源節(jié)點(diǎn)每秒產(chǎn)生數(shù)據(jù)包數(shù)從1～14變化。

3.3.1 端到端傳輸時延

首先，分析端到端傳輸時延隨網(wǎng)絡(luò)流量變化情況，如圖6所示。

從圖6可知，與3D Greedy和ABLAR相比，提出的CFRG協(xié)議的端到端傳輸時延最低，并且隨網(wǎng)絡(luò)流量變化波動小。這主要是因?yàn)镃FRG協(xié)議在決策轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時，考慮了轉(zhuǎn)發(fā)擁塞問題，并將時延信息融入了轉(zhuǎn)發(fā)概率，這有利于降低擁塞概率。

3.3.2 數(shù)據(jù)包丟失率

數(shù)據(jù)包丟失率是反映路由協(xié)議性能的重要指標(biāo)。三個協(xié)議的數(shù)據(jù)包丟失率隨網(wǎng)絡(luò)流量的變化曲線如圖7所示。從圖7可知，三個協(xié)議的數(shù)據(jù)包丟失率隨網(wǎng)絡(luò)流量的增加而上升。而與ABLAR協(xié)議和3D Greedy 協(xié)議相比，CFRG協(xié)議的數(shù)據(jù)包丟失率最低，特別是在低網(wǎng)絡(luò)流量情況下，CFRG協(xié)議在數(shù)據(jù)包丟失率方面的優(yōu)勢特別明顯。例如，在低網(wǎng)絡(luò)流量時，即當(dāng)數(shù)據(jù)包產(chǎn)生率不大于6 packets/s，CFRG協(xié)議的平均數(shù)據(jù)包丟失率約為8%，而3D Greedy協(xié)議、ABLAR協(xié)議分別高達(dá)32%，44%。

然而，當(dāng)數(shù)據(jù)包產(chǎn)生率大于6 packets/s后，CFRG協(xié)議的數(shù)據(jù)包丟失率急劇增加。盡管如此，CFRG協(xié)議的數(shù)據(jù)包丟失率仍遠(yuǎn)優(yōu)于ABLAR和3D Greedy協(xié)議。這主要?dú)w功于CFRG協(xié)議能夠?qū)崟r調(diào)整、擴(kuò)大轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域，增加了選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的空間，進(jìn)而有利于處理VNP問題。

4 結(jié) 語

本文針對無線傳感網(wǎng)絡(luò)的路由問題，提出基于錐形轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域的三維地理位置路由協(xié)議CFRG。CFRG路由充分考慮了節(jié)點(diǎn)位置的三維空間特性，通過網(wǎng)絡(luò)密度構(gòu)建錐形轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域。只有錐形轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)才能轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，通過這種方式控制轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的數(shù)量，降低數(shù)據(jù)包碰撞概率。一旦節(jié)點(diǎn)遭遇VNP問題，就調(diào)整錐形轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域。最終，通過計(jì)算錐形轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域內(nèi)每個節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)概率，擇優(yōu)選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)包。仿真結(jié)果表明，提出的CFRG路由能夠有效處理VNP問題。與同類的3D地理位置路由相比，CFRG路由降低了數(shù)據(jù)包傳遞時延，并提高了數(shù)據(jù)包傳輸成功率。

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