高宏超 , 陳曉江,2 , 徐 丹,2 , 彭 瑤,2 , 湯戰(zhàn)勇,2 , 房鼎益,2

1(西北大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,陜西 西安 710127)

2(陜西省無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)國(guó)際聯(lián)合研究中心(西北大學(xué)),陜西 西安 710127)

目前,感知網(wǎng)絡(luò)中絕大部分感知節(jié)點(diǎn)是有源節(jié)點(diǎn),即采用電池供電[1].于是,電池能量耗盡就會(huì)導(dǎo)致感知網(wǎng)絡(luò)工作異?；蛘咚@信息失真.因此,節(jié)能降耗以延長(zhǎng)感知節(jié)點(diǎn)乃至感知網(wǎng)絡(luò)的工作時(shí)間,成為一個(gè)重要的研究課題.現(xiàn)有的在低功耗感知元器件、低功耗處理模塊芯片、低功耗通信等方面技術(shù)的不斷發(fā)展,在很大程度上緩解了節(jié)點(diǎn)能量有限性問(wèn)題,然而,它們無(wú)法從根本上解決感知節(jié)點(diǎn)能量耗竭導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)失效以及感知網(wǎng)絡(luò)異常這一難題.而且在一些特殊的應(yīng)用中,如在火山監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)這樣的自然條件惡劣的野外環(huán)境中[2],或者軍事作戰(zhàn)中要監(jiān)視敵方行動(dòng)這樣的需求,有些待監(jiān)測(cè)本體如農(nóng)作物需要在24 小時(shí)全天候監(jiān)控[3]等場(chǎng)景下,由于環(huán)境具有監(jiān)測(cè)范圍大、部署區(qū)域偏遠(yuǎn)、難以進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的人力監(jiān)測(cè)等特點(diǎn),我們無(wú)法定期更換布置在惡劣環(huán)境或敵對(duì)環(huán)境中的感知節(jié)點(diǎn)的電池.因此,解決感知節(jié)點(diǎn)不因電池電量耗竭而停止工作,一直是需要解決的問(wèn)題.

近年來(lái),無(wú)源感知網(wǎng)絡(luò)研究的興起給感知網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇,為解決節(jié)點(diǎn)電量有限問(wèn)題帶來(lái)了曙光.這種網(wǎng)絡(luò)的主要特點(diǎn)是:(1) 網(wǎng)絡(luò)中感知節(jié)點(diǎn)自身不攜帶電池,節(jié)點(diǎn)通過(guò)能量捕獲技術(shù)將環(huán)境中的能源充分利用,來(lái)補(bǔ)充自己的能耗,本文中將這類節(jié)點(diǎn)稱為能量收集型節(jié)點(diǎn),即無(wú)源節(jié)點(diǎn);(2) 無(wú)源感知網(wǎng)絡(luò)中的感知節(jié)點(diǎn)具有低功耗的感知模塊、處理模塊以及低能耗通信協(xié)議,能夠完成特定的感知和數(shù)據(jù)傳輸任務(wù).利用能量收集型節(jié)點(diǎn)的特性,無(wú)源感知網(wǎng)絡(luò)能夠獲得更長(zhǎng)的生存周期,從而更好地完成長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)型任務(wù).

根據(jù)無(wú)源網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn),節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)能量收集技術(shù)[4],利用存在于人們周圍的可利用的能源,如光能、熱能、風(fēng)能、電磁波等,周期性地為自己供電,以保證其正常工作.然而,無(wú)源節(jié)點(diǎn)在每一個(gè)周期內(nèi)所捕獲的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于有源節(jié)點(diǎn)中電池所提供的能量,因此,如何在節(jié)點(diǎn)所獲能量如此小的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)中降低節(jié)點(diǎn)能耗,以保證節(jié)點(diǎn)足以支撐自身順利完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程,成為亟需解決的問(wèn)題.再者,網(wǎng)絡(luò)延遲的問(wèn)題一直是有源網(wǎng)絡(luò)中致力于要解決的挑戰(zhàn),在無(wú)源網(wǎng)絡(luò)中也不例外.如在火山監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)中,因?yàn)閿?shù)據(jù)傳輸?shù)拈L(zhǎng)時(shí)間延遲而導(dǎo)致沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情,就會(huì)造成人員傷害及重大財(cái)產(chǎn)損失等嚴(yán)重后果.但是,無(wú)源節(jié)點(diǎn)每一次捕獲的能量和電池所提供的能量有很大差別,已有的用于傳統(tǒng)有源網(wǎng)絡(luò)中降低延遲的方法不能直接用在無(wú)源網(wǎng)絡(luò)中.因此,在節(jié)點(diǎn)能夠持續(xù)收集能量,但每一次所捕獲的能量都非常小的約束下去提高網(wǎng)絡(luò)的延遲性能,以滿足在無(wú)源感知網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用需求很有必要.

然而,現(xiàn)有的路由協(xié)議在應(yīng)用于無(wú)源感知網(wǎng)絡(luò)環(huán)境時(shí),大多缺乏兼顧能耗和延遲性能的考慮.如何設(shè)計(jì)一種在無(wú)源網(wǎng)絡(luò)中能夠兼顧能耗和延遲的合理的路由協(xié)議,盡可能低地降低節(jié)點(diǎn)能耗的同時(shí)降低網(wǎng)絡(luò)延遲,是本文所面臨的挑戰(zhàn).因此,本文提出能耗和延遲平衡的機(jī)會(huì)路由協(xié)議(balance of energy and delay opportunistic routing protocol,簡(jiǎn)稱EDOR).該協(xié)議通過(guò)提出節(jié)點(diǎn)能耗模型,并考慮轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)占空比的綜合影響來(lái)進(jìn)行路由決策,獲得能耗和延遲平衡的良好效果,并提出合理的退避策略實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包被單一轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā),來(lái)減少通信過(guò)程中碰撞帶來(lái)的能量和時(shí)間的消耗,減少網(wǎng)絡(luò)中無(wú)效的數(shù)據(jù)副本數(shù)量,延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存周期和提高數(shù)據(jù)傳輸效率,以完成在自然條件惡劣的野外環(huán)境中的監(jiān)測(cè)任務(wù).

本文的貢獻(xiàn)在于分析了在無(wú)源感知網(wǎng)絡(luò)中所面臨的挑戰(zhàn)是兼顧能耗和延遲,即在盡可能降低網(wǎng)絡(luò)中能耗的同時(shí),如何合理地權(quán)衡考慮延遲問(wèn)題,以提高數(shù)據(jù)的傳輸效率,使得網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)達(dá)到能耗和延遲平衡的工作狀態(tài).而且,針對(duì)這一挑戰(zhàn)提出了能耗和延遲平衡的機(jī)會(huì)路由協(xié)議EDOR.

1 相關(guān)研究

近年來(lái),科研人員在能量收集技術(shù)方面展開了研究.相比于太陽(yáng)能、風(fēng)能等能源,泛在的電磁波是未來(lái)無(wú)源感知網(wǎng)絡(luò)的最主要能量來(lái)源之一.科研人員對(duì)如何從泛在的電磁波中獲取能量這一問(wèn)題有了一些研究成果.例如,研究人員在射頻識(shí)別(RFID)系統(tǒng)[5]中RFID 閱讀器發(fā)送射頻波給周圍RFID 標(biāo)簽時(shí),RFID 標(biāo)簽通過(guò)捕獲來(lái)自閱讀器的射頻能量來(lái)驅(qū)動(dòng)內(nèi)置微芯片工作,并通過(guò)調(diào)制反射電磁波,將其自身ID 調(diào)制在反射電磁波中發(fā)送給閱讀器.2007 年,Sample 等人開發(fā)了無(wú)線識(shí)別和感知平臺(tái)(wireless identification sensing platform,簡(jiǎn)稱WISP)[6,7],它是第一個(gè)以射頻讀取器的射頻信號(hào)為能量源、且能夠通過(guò)反射電磁波將所感知到的數(shù)據(jù)回復(fù)給射頻讀取器.2011 年,Vyas 等人設(shè)計(jì)了能夠捕獲470MHz～570MHz 頻段射頻能量的電路;用超級(jí)電容給微控制器和無(wú)線收發(fā)器供電,以實(shí)現(xiàn)能夠無(wú)源自主感知和自主發(fā)送數(shù)據(jù)的無(wú)線傳感器[8].2013 年,Parks 等人研究了從無(wú)線蜂窩射頻信號(hào)和電視廣播射頻信號(hào)中捕獲能量的技術(shù),設(shè)計(jì)出射頻能量捕獲電路,其測(cè)試結(jié)果表明:所設(shè)計(jì)的基于能量捕獲的低功耗傳感節(jié)點(diǎn)在距離發(fā)送功率為1mW 的電視塔約10km 范圍內(nèi)能夠正常工作[9].Liu 等人進(jìn)一步研究了無(wú)源節(jié)點(diǎn)之間的通信技術(shù),使無(wú)源節(jié)點(diǎn)能夠以泛在射頻作為唯一的能量源來(lái)獲取能量,且通過(guò)控制射頻信號(hào)的反射給鄰近無(wú)源節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)了1Kbps 傳輸速率[10].

由此可見,從周圍泛在的電磁波中捕獲能量以支持無(wú)源感知節(jié)點(diǎn)工作,已取得了一些成果.然而,它們無(wú)法直接應(yīng)用于無(wú)源感知網(wǎng)絡(luò),其主要原因有兩點(diǎn).其一,無(wú)源感知節(jié)點(diǎn)在捕獲能量時(shí)存在著瓶頸:儲(chǔ)能單元(如電容)只能儲(chǔ)存非常有限的電量,一旦電容儲(chǔ)存滿電量,就無(wú)法繼續(xù)捕獲能量;同時(shí),泛在的電磁波信號(hào)強(qiáng)度低導(dǎo)致充電過(guò)程非常緩慢;其二,感知節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)是感知環(huán)境變化,尤其是捕捉突發(fā)事件所產(chǎn)生的物理量,如火災(zāi)、泥石流等自然災(zāi)害等,對(duì)網(wǎng)絡(luò)延遲性能有很高的要求.因此,需要設(shè)計(jì)合理的路由協(xié)議,以實(shí)現(xiàn)無(wú)源網(wǎng)絡(luò)的感知.

傳統(tǒng)的確定性路由協(xié)議在應(yīng)對(duì)無(wú)線鏈路時(shí)存在諸多限制,其固定的路由選擇可能會(huì)因?yàn)闊o(wú)線鏈路的不穩(wěn)定性而造成嚴(yán)重的性能下降.因此,為了克服確定性路由協(xié)議的諸多局限性,機(jī)會(huì)路由策略被越來(lái)越廣泛地使用[11].這類協(xié)議充分利用廣播特性,使得在解決不可靠鏈路方面相比傳統(tǒng)路由有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì).該協(xié)議使得節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)選擇不再固定,而是很多下一跳節(jié)點(diǎn)都可能進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā),從而使得網(wǎng)絡(luò)性能在能耗、延遲等方面都有所提升.

現(xiàn)有的機(jī)會(huì)路由協(xié)議大多應(yīng)用在有源節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中,并在發(fā)展過(guò)程中逐漸形成了五大類別,分別是基于地理信息類、鏈路狀態(tài)感知類、隨機(jī)類、基于圖論和概率思想類以及跨層設(shè)定類.基于地理信息類的機(jī)會(huì)路由協(xié)議,如DTRP[12],LinGo[13]以及COR[14]等協(xié)議,利用地理定位信息克服傳感網(wǎng)絡(luò)中的基礎(chǔ)設(shè)備不足的問(wèn)題.鏈路狀態(tài)感知類的機(jī)會(huì)路由協(xié)議利用無(wú)線傳輸?shù)奶烊粡V播特性,通過(guò)某種計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)來(lái)交換評(píng)估鏈路質(zhì)量信息并作為轉(zhuǎn)發(fā)決策來(lái)提升包傳輸?shù)目煽啃?MORE[15]和CCACK[16]等協(xié)議都是基于這種思路設(shè)計(jì)的.而隨機(jī)類機(jī)會(huì)路由協(xié)議則是為了應(yīng)對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的情況,這種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下節(jié)點(diǎn)選擇轉(zhuǎn)發(fā)候選節(jié)點(diǎn)時(shí),很難判斷究竟選擇哪個(gè)候選節(jié)點(diǎn)可以得到低能耗或者延遲,因此采用隨機(jī)的策略如OPF[17]以及OOF[18]等策略.隨著前3 種策略的機(jī)會(huì)路由協(xié)議的發(fā)展,機(jī)會(huì)路由算法慢慢成熟.基于圖論和概率思想的機(jī)會(huì)路由算法是近年來(lái)受到關(guān)注的新思路,通過(guò)結(jié)合一些計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的新的研究點(diǎn)來(lái)提升協(xié)議的性能,例如基于圖論研究的MAP[19]以及基于學(xué)習(xí)的ORL[20]協(xié)議等.最后一類使用跨層策略的機(jī)會(huì)路由算法則利用底層的信息來(lái)輔助路由決策,例如利用物理層信息的EEOR[21]和HS-OR[22]協(xié)議、利用MAC 層信息的ORCD[23]和ORW[24]以及利用物理層和MAC 層兩層信息的CL-EE[25]和SCAD[26]協(xié)議,這些機(jī)會(huì)路由協(xié)議通過(guò)利用下層的關(guān)鍵信息來(lái)輔助決策,往往能夠取得很好的能耗或者延遲方面的性能.

然而,應(yīng)用于傳統(tǒng)使用電池的傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議雖然能夠很好地解決有源網(wǎng)絡(luò)中的能耗和延遲問(wèn)題,但卻不能把它們直接應(yīng)用到無(wú)源網(wǎng)絡(luò)中來(lái),因?yàn)檫@些方法未能充分考慮無(wú)源感知網(wǎng)絡(luò)的下述因素:(1) 無(wú)源節(jié)點(diǎn)每一次所捕獲的能量非常小,這使得節(jié)點(diǎn)可以用于探路以及發(fā)送數(shù)據(jù)包的能量極為受限,因此需要盡可能地降低能耗,以確保節(jié)點(diǎn)所獲得的能量足以支撐其完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù);(2) 在一些無(wú)法按期更換電池的應(yīng)用中,對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求較高,還要提高網(wǎng)絡(luò)的延遲性能,否則可能造成嚴(yán)重后果.鑒于此,需要設(shè)計(jì)適用于無(wú)源感知網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議.而現(xiàn)有的應(yīng)用于無(wú)源感知網(wǎng)絡(luò)的機(jī)會(huì)路由協(xié)議并不多,并且由于能量收集型節(jié)點(diǎn)能級(jí)的不穩(wěn)定以及相對(duì)較長(zhǎng)的生存周期,其應(yīng)用時(shí)的側(cè)重點(diǎn)和設(shè)計(jì)思路也有所區(qū)別[27].例如,文獻(xiàn)[28]提出的EoR 協(xié)議就是在ORW 協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),使其適用于無(wú)源感知網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn),并取得了較好的延遲效果;文獻(xiàn)[29]提出的TPGFPlus 協(xié)議同樣利用跨層思想降低了延遲;文獻(xiàn)[30]提出的OR-AHaD 協(xié)議在無(wú)源感知網(wǎng)絡(luò)中取得了較低的能耗效果;文獻(xiàn)[31]中提出的協(xié)議實(shí)現(xiàn)了處理不同延遲要求包的機(jī)會(huì)路由協(xié)議.所以,本文要設(shè)計(jì)一種適用于無(wú)源感知網(wǎng)絡(luò)的兼顧低延遲和低能耗特性的路由協(xié)議.

2 能耗和延遲平衡的機(jī)會(huì)路由協(xié)議EDOR

在無(wú)源感知網(wǎng)絡(luò)中,能量不再是唯一關(guān)注的因素,對(duì)延遲性能的提升,將會(huì)使節(jié)點(diǎn)向基站發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)獲得更高的效率.但現(xiàn)有的路由協(xié)議在應(yīng)用于無(wú)源節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境時(shí),大多缺乏兼顧能耗和延遲性能的考慮,因此,本節(jié)提出能耗和延遲平衡的機(jī)會(huì)路由協(xié)議(EDOR).該協(xié)議通過(guò)分析節(jié)點(diǎn)通信的過(guò)程來(lái)估算節(jié)點(diǎn)的預(yù)期能耗值,讓節(jié)點(diǎn)選擇令自己能耗較低的鄰居節(jié)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)發(fā)候選節(jié)點(diǎn).在最終確定轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)時(shí),本協(xié)議通過(guò)結(jié)合候選節(jié)點(diǎn)下一跳鄰居節(jié)點(diǎn)的占空比信息來(lái)進(jìn)行決策,使得發(fā)送節(jié)點(diǎn)選擇能更快將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)出去的候選節(jié)點(diǎn)來(lái)降低延遲,獲得了能耗和延遲平衡的良好效果;然后提出合理的退避策略,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)包被單一轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā),減少了網(wǎng)絡(luò)中無(wú)效的數(shù)據(jù)副本數(shù)量.

2.1 EDOR協(xié)議設(shè)計(jì)

2.1.1 機(jī)會(huì)路由策略

為了減少節(jié)點(diǎn)的能耗和延遲,不能使用確定性的路由方法來(lái)固定選擇某一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的唯一選擇.因?yàn)殡S著網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的變化以及無(wú)線鏈路狀態(tài)的不穩(wěn)定性,如果選定的唯一下一跳節(jié)點(diǎn)與當(dāng)前發(fā)送節(jié)點(diǎn)的工作周期恰好交錯(cuò)開,等待過(guò)程會(huì)增加節(jié)點(diǎn)的能耗和延遲;若節(jié)點(diǎn)在等待過(guò)程中持續(xù)發(fā)送探測(cè)包消耗了過(guò)多能量,可能造成將無(wú)源節(jié)點(diǎn)上一個(gè)周期收集的能量消耗殆盡,使節(jié)點(diǎn)得重新進(jìn)入能量收集階段而無(wú)法進(jìn)行通信.因此,我們考慮使用機(jī)會(huì)路由策略.

機(jī)會(huì)路由的主要思路可以總結(jié)如下:用Cu表示節(jié)點(diǎn)u使用某種機(jī)會(huì)路由策略向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)包時(shí)預(yù)計(jì)所需消耗的能量,初始階段,目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的期望能耗值設(shè)定為0,其他所有節(jié)點(diǎn)的期望能耗值設(shè)定為正無(wú)窮.同基于距離向量的路由機(jī)制類似,機(jī)會(huì)路由協(xié)議機(jī)制中,每個(gè)節(jié)點(diǎn)的期望能耗值以及轉(zhuǎn)發(fā)列表將會(huì)周期性地計(jì)算并且更新.當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送或者轉(zhuǎn)發(fā)包時(shí),該節(jié)點(diǎn)只需簡(jiǎn)單地將數(shù)據(jù)包朝著基站方向廣播出去,并利用一定的選擇策略選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn),從而完成整個(gè)發(fā)送過(guò)程[32].如圖1 所示.

Fig.1 Model of opportunistic routing圖1 機(jī)會(huì)路由傳輸實(shí)例

假定發(fā)送節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)兩跳到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn),并且發(fā)送節(jié)點(diǎn)的下一跳范圍內(nèi)有v1,v2,…,vn共n個(gè)節(jié)點(diǎn).從發(fā)送節(jié)點(diǎn)到下一跳每個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳輸錯(cuò)誤率都是en,而下一跳的所有節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)都是完美鏈路,即傳輸錯(cuò)誤概率都是0.對(duì)于傳統(tǒng)路由方法而言,每次傳輸時(shí),源節(jié)點(diǎn)都會(huì)選擇固定的節(jié)點(diǎn),比如vi作為下一跳進(jìn)行傳輸,則根據(jù)假設(shè)整個(gè)傳輸成功所需要的預(yù)期次數(shù)為.而如果使用機(jī)會(huì)路由策略,由于發(fā)送節(jié)點(diǎn)會(huì)監(jiān)聽所有下一跳節(jié)點(diǎn)的狀態(tài),只要至少有1 個(gè)節(jié)點(diǎn)醒來(lái)就立刻傳輸數(shù)據(jù),因此傳輸成功需要預(yù)期次數(shù)降到了(證明過(guò)程見下).尤其當(dāng)e值越接近于1,n值也較大時(shí),兩種策略下的預(yù)期傳輸次數(shù)差距也會(huì)越大,消耗能量的差距也就越大.也就是說(shuō),機(jī)會(huì)路由對(duì)于鏈路質(zhì)量較差并且節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)較多的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境性能有著較明顯的提升.同樣,如果下一跳中哪個(gè)節(jié)點(diǎn)最先醒來(lái)進(jìn)入工作狀態(tài),機(jī)會(huì)路由就最先將其選擇為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的話,整個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程的延遲相較于固定節(jié)點(diǎn)也會(huì)顯著降低.

證明:假設(shè)從發(fā)送節(jié)點(diǎn)到下一跳每個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳輸錯(cuò)誤率是e,則傳輸成功率為1?e,在傳統(tǒng)路由方法中,傳輸成功的預(yù)期次數(shù)即為.當(dāng)使用機(jī)會(huì)路由策略時(shí),只要有至少1 個(gè)節(jié)點(diǎn)醒來(lái)時(shí)就會(huì)立刻傳輸數(shù)據(jù),則傳輸失敗的概率為en,因此傳輸成功所需要的預(yù)期次數(shù)降低為.證明完畢. □

2.1.2 EDOR 協(xié)議設(shè)計(jì)思路

現(xiàn)有的機(jī)會(huì)路由協(xié)議,有些僅從能耗角度出發(fā),雖然取得了不錯(cuò)的效果,但是完全舍棄了延遲;有些協(xié)議則從延遲入手,卻忽略了能耗的計(jì)算,這些都不符合使用能量收集型節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn).本文提出一種適用于異構(gòu)占空比網(wǎng)絡(luò)下的兼顧延遲和能耗問(wèn)題的路由協(xié)議,該協(xié)議整體的設(shè)計(jì)思路如圖2 所示.

Fig.2 Overview of the EDOR protocol圖2 EDOR 協(xié)議設(shè)計(jì)思路

發(fā)送節(jié)點(diǎn)通過(guò)廣播探測(cè)包獲取周圍鄰居節(jié)點(diǎn)反饋的關(guān)于能耗的信息,確定轉(zhuǎn)發(fā)候選集合.候選集中的節(jié)點(diǎn)則根據(jù)考慮了延遲因素的通信代價(jià)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)來(lái)決定自己的退避時(shí)間,退避時(shí)間短的節(jié)點(diǎn)即為選中的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn),從而實(shí)現(xiàn)發(fā)送節(jié)點(diǎn)選擇使自己能耗和延遲性能平衡的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn).

2.2 能耗和延遲的影響因素

2.2.1 網(wǎng)絡(luò)模型

為了保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)有著穩(wěn)定和合適的任務(wù)循環(huán)周期,同時(shí)為了不同類型的節(jié)點(diǎn)完成不同的數(shù)據(jù)采集和傳輸任務(wù),本文設(shè)定所有節(jié)點(diǎn)擁有相同的總周期長(zhǎng)度L和各自不同的占空比Dv.

設(shè)定傳感網(wǎng)中所有的節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的id 號(hào)i∈[1,n].在野外部署的多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下,本文抽象出一個(gè)圖的模型,并將其表示為G=(V,E),其中,V代表網(wǎng)絡(luò)中n個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的集合,E表示兩個(gè)可以直接通信的節(jié)點(diǎn)之間的鏈路.比如,對(duì)網(wǎng)絡(luò)中任意兩個(gè)可以直接通信的節(jié)點(diǎn)u∈V,v∈V而言,(u,v)代表兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的一條鏈路,每條鏈路都有一個(gè)非負(fù)的權(quán)值,表示為w(u,v),這個(gè)權(quán)值代表了節(jié)點(diǎn)u給節(jié)點(diǎn)v發(fā)包成功所耗費(fèi)的能量,稱其為傳輸功率.這個(gè)值根據(jù)所處監(jiān)測(cè)環(huán)境的不同,以及能量收集型節(jié)點(diǎn)能量源的不同而有所區(qū)別.由于當(dāng)節(jié)點(diǎn)u以不同的傳輸功率進(jìn)行通信時(shí),其通信范圍會(huì)不同,進(jìn)而單跳范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)也會(huì)有所差別,因此這種情況下,路由更新的代價(jià)將會(huì)增大,并且網(wǎng)絡(luò)的通信會(huì)不穩(wěn)定.因此對(duì)節(jié)點(diǎn)i,為了整個(gè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定傳輸,假定在其通信過(guò)程中擁有的傳輸功率w保持不變.本文以NW(u)用來(lái)表示當(dāng)節(jié)點(diǎn)u以w能量進(jìn)行通信時(shí)它的鄰居節(jié)點(diǎn)的集合,為了簡(jiǎn)化起見,當(dāng)節(jié)點(diǎn)以設(shè)定好的傳輸功率進(jìn)行通信時(shí),省略下標(biāo)W,記為N(u).另外,現(xiàn)實(shí)環(huán)境部署情況下節(jié)點(diǎn)間的通信鏈路不可能是完美鏈路,將每條鏈路(u,v)的傳輸不成功的概率表示為euv.通過(guò)以上假設(shè)可以得出:對(duì)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)u,其傳輸一次至少會(huì)消耗w(u,v)的能量,并且傳輸成功的概率為1?euv.為了提升網(wǎng)絡(luò)性能,接下來(lái),本文將從影響能耗和延遲的因素對(duì)協(xié)議的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析.

2.2.2 節(jié)點(diǎn)的預(yù)期能耗

雖然無(wú)源節(jié)點(diǎn)的生存周期得到顯著延長(zhǎng),但并不意味著其能量可以無(wú)限使用.在路由過(guò)程中,選擇能量消耗少的節(jié)點(diǎn)更有利于網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)期生存.我們首先研究了將節(jié)點(diǎn)發(fā)包時(shí)的預(yù)期能耗計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)(expected consumed cost,簡(jiǎn)稱ECC)來(lái)作為發(fā)送節(jié)點(diǎn)選擇轉(zhuǎn)發(fā)候選節(jié)點(diǎn)的依據(jù).

機(jī)會(huì)路由通信過(guò)程中,考慮從當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的下一跳節(jié)點(diǎn)中有節(jié)點(diǎn)收到包時(shí)到轉(zhuǎn)發(fā)出去為止這一整段過(guò)程,主要分為以下兩個(gè)部分:一部分為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)向其轉(zhuǎn)發(fā)候選集廣播探測(cè)包發(fā)現(xiàn)候選節(jié)點(diǎn)時(shí),其下一跳節(jié)點(diǎn)中至少有1 個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到這一過(guò)程,由于受鏈路質(zhì)量以及能量收集型節(jié)點(diǎn)剩余電量的影響,可能出現(xiàn)下一跳節(jié)點(diǎn)均未成功接收發(fā)送節(jié)點(diǎn)信息的情況,該部分能耗稱為失敗代價(jià);另一部分則是轉(zhuǎn)發(fā)候選集中至少有1 個(gè)節(jié)點(diǎn)成功將該包轉(zhuǎn)發(fā)出去這一過(guò)程,該過(guò)程的能耗稱為轉(zhuǎn)發(fā)代價(jià).針對(duì)這兩個(gè)過(guò)程,本文將分別討論其能耗的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn).

(1) 失敗代價(jià)

如果U表示一個(gè)節(jié)點(diǎn)集合,那么Usort表示一個(gè)節(jié)點(diǎn)集合,其中所包含的節(jié)點(diǎn)與U相同,但其中的元素排布順序按照每個(gè)節(jié)點(diǎn)向某一個(gè)固定的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)包時(shí)的期望能耗升序排列.假定Fwd(u)表示節(jié)點(diǎn)u的轉(zhuǎn)發(fā)候選集(該轉(zhuǎn)發(fā)候選集的選擇策略將在下一節(jié)進(jìn)行討論),那么Fwdsort(u)表示候選集中的點(diǎn)已經(jīng)按照其期望能耗升序排列.例如,如果i

其中,vi表示屬于集合Fwdsort(u)中的任意一個(gè)節(jié)點(diǎn),SumFwd表示Fwdsort(u)包含的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù).

當(dāng)前節(jié)點(diǎn)u是以w的能量功率進(jìn)行每次通信過(guò)程,即發(fā)包消耗的能量為w.令表示節(jié)點(diǎn)u發(fā)包給候選集中至少1 個(gè)節(jié)點(diǎn)預(yù)計(jì)消耗的能量,由于w消耗能量的過(guò)程是在該節(jié)點(diǎn)發(fā)送的包成功被其轉(zhuǎn)發(fā)候選集中節(jié)點(diǎn)接收到的情況下假定的,因此該過(guò)程中實(shí)際消耗的能量為

(2) 轉(zhuǎn)發(fā)代價(jià)

當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的候選集中有至少1 個(gè)節(jié)點(diǎn)成功收到發(fā)送的包后,這時(shí)進(jìn)入了轉(zhuǎn)發(fā)階段.這個(gè)階段經(jīng)歷的過(guò)程如下:首先選擇候選集中優(yōu)先級(jí)最高的節(jié)點(diǎn)作為下一跳完成轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程(候選集的節(jié)點(diǎn)選取和建立過(guò)程以及候選集中節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)的確定方法將在下一節(jié)詳細(xì)討論),如果轉(zhuǎn)發(fā)未能成功完成,在不考慮重傳的情況下,則繼續(xù)選擇優(yōu)先級(jí)第二高節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā),以此類推,直到至少有1 個(gè)候選節(jié)點(diǎn)完成了轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程.同時(shí),在節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中,轉(zhuǎn)發(fā)代價(jià)中已經(jīng)包含了節(jié)點(diǎn)由于占空比導(dǎo)致的等待和空閑監(jiān)聽?zhēng)?lái)的消耗.因?yàn)楫?dāng)前節(jié)點(diǎn)向下一跳轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí),當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的工作周期需要與下一跳節(jié)點(diǎn)的工作周期對(duì)應(yīng)上,若兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的工作周期沒(méi)有對(duì)接上時(shí),當(dāng)前節(jié)點(diǎn)就會(huì)等待下一跳節(jié)點(diǎn)醒來(lái)時(shí),再完成轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程.

假定節(jié)點(diǎn)u的轉(zhuǎn)發(fā)候選集已經(jīng)按照其中節(jié)點(diǎn)的預(yù)期能耗值按升序排列得到了含有優(yōu)先級(jí)的轉(zhuǎn)發(fā)候選集,則首先選擇其中的第1 個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā),如果沒(méi)有成功,則選擇第2 個(gè)節(jié)點(diǎn),依次類推.由此可以得到第1 個(gè)節(jié)點(diǎn)v1將以的概率成功轉(zhuǎn)發(fā),并消耗的能量,節(jié)點(diǎn)v2則將以的概率成功轉(zhuǎn)發(fā)并消耗的能量.由于該過(guò)程同樣建立在候選集中至少有1 個(gè)節(jié)點(diǎn)成功接收的基礎(chǔ)上,則該過(guò)程中預(yù)期消耗的能量可通過(guò)公式(3)計(jì)算.

令Cu表示節(jié)點(diǎn)u通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)候選集發(fā)包過(guò)程中產(chǎn)生的預(yù)期能量,那么通過(guò)前文分析可知,即

2.2.3 轉(zhuǎn)發(fā)候選集的選擇策略

機(jī)會(huì)路由過(guò)程中,合適的轉(zhuǎn)發(fā)候選集的選擇策略將會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的提升產(chǎn)生重要影響.本節(jié)提出一個(gè)基于ECC值的轉(zhuǎn)發(fā)候選集選擇策略.

首先,當(dāng)前節(jié)點(diǎn)u的轉(zhuǎn)發(fā)候選集合是其鄰居節(jié)點(diǎn)集的子集,即Fwd(u)?N(u).轉(zhuǎn)發(fā)候選集合中節(jié)點(diǎn)的數(shù)目的增加對(duì)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的預(yù)期能耗將會(huì)產(chǎn)生以下影響.

(1) 增加候選集中的節(jié)點(diǎn)數(shù)目,將會(huì)使得當(dāng)前發(fā)送節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)候選變多,從而提高至少1 個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到探測(cè)信息的可能性,對(duì)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的失敗代價(jià)產(chǎn)生正面的收益.

(2) 轉(zhuǎn)發(fā)候選集中節(jié)點(diǎn)數(shù)目過(guò)多,也可能會(huì)將與當(dāng)前發(fā)送節(jié)點(diǎn)通信鏈路失敗率較高的節(jié)點(diǎn)或其本身預(yù)期能耗較高的節(jié)點(diǎn)加入轉(zhuǎn)發(fā)的候選集,導(dǎo)致通信質(zhì)量不好的節(jié)點(diǎn)加入候選,如果發(fā)送節(jié)點(diǎn)選擇其作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn),將會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)代價(jià)帶來(lái)負(fù)面的收益.

因此,如何在當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)集中選擇合適的節(jié)點(diǎn)加入轉(zhuǎn)發(fā)候選集,是降低節(jié)點(diǎn)能耗的關(guān)鍵過(guò)程.

在確定轉(zhuǎn)發(fā)候選集的過(guò)程中,已知當(dāng)前節(jié)點(diǎn)u的鄰居節(jié)點(diǎn)集N(u),該集合中每個(gè)點(diǎn)的預(yù)期能耗值以及節(jié)點(diǎn)u與每一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)間傳輸成功的概率,于是,當(dāng)前的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為如何找到合適的轉(zhuǎn)發(fā)候選集Fwd(u)?N(u),使得發(fā)送節(jié)點(diǎn)的預(yù)期能耗Cu值最小.假設(shè)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)u的鄰居集中的節(jié)點(diǎn)已經(jīng)按照其預(yù)期能耗值進(jìn)行了升序排列,并將這個(gè)排好后的鄰居集記為Nsort(u),于是可以得到如下定理.

定理1.對(duì)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)u而言,如果現(xiàn)在起鄰居集中有一個(gè)節(jié)點(diǎn)vk不屬于當(dāng)前已經(jīng)確定的轉(zhuǎn)發(fā)候選集,即vk?Fwdsort(u),那么如果,則

定理2.對(duì)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)u而言,如果現(xiàn)在起鄰居集中有一個(gè)節(jié)點(diǎn)vk不屬于當(dāng)前已經(jīng)確定的轉(zhuǎn)發(fā)候選集,即vk?Fwdsort(u),那么,如果,則Cu(Fwdsort(u)∪{vk})>Cu.

證明:根據(jù)公式(4)可知,節(jié)點(diǎn)u當(dāng)前的ECC值為

嘗試加入鄰居節(jié)點(diǎn)vk后,節(jié)點(diǎn)u的ECC值更新為

于是,兩項(xiàng)相減可得:

則通分后可得:

兩個(gè)定理共同指出,為了使當(dāng)前發(fā)送節(jié)點(diǎn)的ECC最小而判斷一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)是否可以加入當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)候選集時(shí),根據(jù)自身不斷更新的ECC值即可:如果該鄰居節(jié)點(diǎn)的ECC值小于當(dāng)前候選節(jié)點(diǎn)集情況下確定的發(fā)送節(jié)點(diǎn)的ECC值,則加入該鄰居節(jié)點(diǎn)到候選集中會(huì)使發(fā)送節(jié)點(diǎn)的ECC值變小,所以策略上應(yīng)該將該鄰居節(jié)點(diǎn)加入轉(zhuǎn)發(fā)候選集;反之,當(dāng)該鄰居節(jié)點(diǎn)的ECC值大于當(dāng)前候選節(jié)點(diǎn)集情況下確定的發(fā)送節(jié)點(diǎn)的ECC值,則不加入該節(jié)點(diǎn).由于Nsort(u)中的節(jié)點(diǎn)已經(jīng)按照ECC值升序排列,因此當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)遇到第1 個(gè)大于當(dāng)前ECC值的鄰居節(jié)點(diǎn)時(shí),轉(zhuǎn)發(fā)候選集的構(gòu)建便宣告完畢.下面是創(chuàng)建當(dāng)前發(fā)送節(jié)點(diǎn)u的候選集的算法描述,通過(guò)該算法確定的轉(zhuǎn)發(fā)候選集會(huì)將通信過(guò)程中預(yù)期能耗較大的節(jié)點(diǎn)剔除,使得當(dāng)前節(jié)點(diǎn)在能耗較低的鄰居節(jié)點(diǎn)中選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn).

算法1.構(gòu)建轉(zhuǎn)發(fā)候選集.

輸入:N(u)中所有節(jié)點(diǎn)的EEC值.

輸出:當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的EEC值Cu以及轉(zhuǎn)發(fā)候選集Fwdsort(u).

顯然,該算法中存在一個(gè)以鄰居節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為長(zhǎng)度的循環(huán),并且節(jié)點(diǎn)最多需要保存所有鄰居節(jié)點(diǎn),因此,該算法的時(shí)間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度均為O(SumFwd).

2.2.4 占空比對(duì)延遲的影響

為了降低節(jié)點(diǎn)能耗的同時(shí)降低延遲,在利用ECC值完成了轉(zhuǎn)發(fā)候選集的構(gòu)建之后,本協(xié)議還需要考慮節(jié)點(diǎn)運(yùn)行的整個(gè)過(guò)程中,影響延遲的因素.

大多數(shù)文獻(xiàn)和現(xiàn)有機(jī)會(huì)路由方法中考慮節(jié)點(diǎn)能耗和延遲時(shí)只從通信過(guò)程入手,分析從下一跳節(jié)點(diǎn)中至少有1 個(gè)節(jié)點(diǎn)收到包時(shí)到轉(zhuǎn)發(fā)出去為止這一段過(guò)程中,就是上一節(jié)中討論過(guò)的組成ECC度量標(biāo)準(zhǔn)的兩個(gè)部分.然而當(dāng)考慮如下情況時(shí):一個(gè)節(jié)點(diǎn)跟另一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信,如果其工作周期與另一個(gè)節(jié)點(diǎn)的工作周期沒(méi)有對(duì)接上,那么發(fā)送節(jié)點(diǎn)就得不停地發(fā)探測(cè)包等待該節(jié)點(diǎn)醒,這樣會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)延遲.這一部分可以稱為等待代價(jià),如圖3 所示,發(fā)送節(jié)點(diǎn)前3 次探測(cè),接收節(jié)點(diǎn)都處于休眠狀態(tài),直到探測(cè)到第4 次才成功遇上接收節(jié)點(diǎn)的工作周期,因此整個(gè)傳輸分為前后兩部分過(guò)程.本次傳輸?shù)难舆t也如圖3 所示分為等待過(guò)程和通信過(guò)程兩部分.文獻(xiàn)[22]中提出了一種考慮等待代價(jià)的路由協(xié)議,其思路是利用MAC 信息進(jìn)行跨層處理,本文參考其方法并做出了改進(jìn).

Fig.3 Waiting cost during transmission圖3 節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)程中等待代價(jià)示意圖

當(dāng)前節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),由于使用了基于CSMA 的MAC 層協(xié)議,因此必須通過(guò)探測(cè)的方式來(lái)進(jìn)行通信.然而當(dāng)真正選擇某個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)時(shí),考慮該節(jié)點(diǎn)獲得數(shù)據(jù)后再向后進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)的過(guò)程,顯然是該轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)的工作周期覆蓋越全面,該轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的等待時(shí)間就越短,延遲就越低,如圖4 所示.

Fig.4 Waiting costs in the network layer圖4 網(wǎng)絡(luò)層中的等待代價(jià)示例

當(dāng)前節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)A和B,而A,B分別擁有兩個(gè)和3 個(gè)下一跳的鄰居節(jié)點(diǎn),其中,A的兩個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)的占空比分別為50%和60%,B的3 個(gè)候選節(jié)點(diǎn)的占空比為10%,20%和10%,并且工作周期在總周期中的位置如圖中所示.因此可以看出,如果選擇A節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā),那么A節(jié)點(diǎn)在下一跳時(shí)可以很快將數(shù)據(jù)繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)下去(因?yàn)锳節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)的占空比之和達(dá)到了100%);如果選擇B節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā),則意味著B拿到數(shù)據(jù)后有70%的時(shí)間是不能直接轉(zhuǎn)發(fā)的,必須等待候選節(jié)點(diǎn)的蘇醒(因?yàn)锽節(jié)點(diǎn)鄰居節(jié)點(diǎn)之間除去重疊部分,其占空比之和只有30%).因此,如果按照ECC的值排序,B的預(yù)期能耗小于A,從而優(yōu)先選擇B進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)的話僅僅是在當(dāng)前情況下的最優(yōu)選擇,而在進(jìn)行到下一跳的轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程時(shí),B的選擇代價(jià)是大于A的.因此當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)候選集確定后,具體選擇哪個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā),本文協(xié)議考慮了通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)候選節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)占空比之和的判斷因素.

在節(jié)點(diǎn)的每個(gè)周期中,易知其周期性醒來(lái)工作的時(shí)間為Twake=L×Du.假設(shè)使用表示轉(zhuǎn)發(fā)候選集中節(jié)點(diǎn)i和j醒來(lái)時(shí)間的重疊部分,那么對(duì)于該過(guò)程的等待代價(jià)而言,所有鄰居節(jié)點(diǎn)除過(guò)重疊部分的占空比之和越大,該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)的等待代價(jià)就越低.可以通過(guò)公式(10)計(jì)算對(duì)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)u的所有鄰居節(jié)點(diǎn)的有效工作時(shí)間占總周期的比例RoFu:

在上式的分子表示的時(shí)間段內(nèi),由于鄰居節(jié)點(diǎn)中總有節(jié)點(diǎn)是處于喚醒狀態(tài),因此在該時(shí)間段內(nèi),當(dāng)前節(jié)點(diǎn)總是能夠立刻將數(shù)據(jù)發(fā)送出去.而等待階段則由于沒(méi)有任何一個(gè)候選節(jié)點(diǎn)處于喚醒狀態(tài),故當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的等待時(shí)間所占總周期的比例RoWu為

可以看出,轉(zhuǎn)發(fā)候選節(jié)點(diǎn)的RoWu越小,其等待代價(jià)越小,節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的延遲也就越小.

2.3 EDOR協(xié)議原理

2.3.1 協(xié)議概述

上一小節(jié)中討論了在異構(gòu)占空比網(wǎng)絡(luò)中影響節(jié)點(diǎn)能耗和延遲的因素,為了達(dá)到平衡能耗和延遲性能的目的,本節(jié)提出綜合能耗和延遲代價(jià)的機(jī)會(huì)路由協(xié)議.

本協(xié)議主要分為探測(cè)鄰居節(jié)點(diǎn)、構(gòu)建轉(zhuǎn)發(fā)候選集以及選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)這幾個(gè)過(guò)程.其中,探測(cè)鄰居節(jié)點(diǎn)即為廣播探測(cè)包獲取鄰居節(jié)點(diǎn)ECC值以及RoW值的過(guò)程,而轉(zhuǎn)發(fā)候選集將根據(jù)第2.3.3 節(jié)中提出的轉(zhuǎn)發(fā)候選集選擇策略來(lái)構(gòu)建.接下來(lái),本節(jié)將重點(diǎn)討論選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的過(guò)程.

2.3.2 轉(zhuǎn)發(fā)代價(jià)Cost

本協(xié)議使用Cost值作為節(jié)點(diǎn)的通信代價(jià)來(lái)作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的選擇標(biāo)準(zhǔn).考慮轉(zhuǎn)發(fā)代價(jià)時(shí),為了實(shí)現(xiàn)平衡能耗和延遲的目標(biāo),該值將通過(guò)各個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)候選節(jié)點(diǎn)的ECC值以及RoWu來(lái)聯(lián)合確定.

RoWu的值顯然處于[0,1]之間,因此當(dāng)候選集確定后選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)時(shí),也必須將傳輸代價(jià)的值歸一化到[0,1]區(qū)間內(nèi).假設(shè)由算法1 確定的轉(zhuǎn)發(fā)候選集中存在n個(gè)候選節(jié)點(diǎn),其ECC值分別為,則對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)候選節(jié)點(diǎn)vi而言,通過(guò)公式(12)將其進(jìn)行歸一化處理.

于是,真正衡量轉(zhuǎn)發(fā)候選節(jié)點(diǎn)通信代價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的Cost值將由公式(13)計(jì)算.

其中,系數(shù)a的數(shù)值將決定能耗因素和延遲因素的占比,將在評(píng)估與實(shí)驗(yàn)章節(jié)通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)具體驗(yàn)證確定.轉(zhuǎn)發(fā)候選集中Cost值最低的節(jié)點(diǎn),即為應(yīng)該選擇的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn).

2.3.3 轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)退避策略

這一節(jié)中,本協(xié)議討論當(dāng)前發(fā)送節(jié)點(diǎn)如何將數(shù)據(jù)單播給通過(guò)上一節(jié)方法選定的轉(zhuǎn)發(fā)候選節(jié)點(diǎn),從而減少網(wǎng)絡(luò)中無(wú)效數(shù)據(jù)副本的數(shù)量.利用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的廣播特性,當(dāng)前節(jié)點(diǎn)可以很容易將數(shù)據(jù)包發(fā)送給轉(zhuǎn)發(fā)候選集中的節(jié)點(diǎn),但這樣也會(huì)造成潛在的問(wèn)題:如果一個(gè)數(shù)據(jù)包被很多候選節(jié)點(diǎn)收到而沒(méi)有合適的退避處理策略的話,這些候選節(jié)點(diǎn)將都給發(fā)送節(jié)點(diǎn)回復(fù)ACK,會(huì)大大提升碰撞的可能性,造成不必要的能量消耗;即便合理地使用了退避策略,如果一個(gè)候選節(jié)點(diǎn)不知道已經(jīng)有其他候選節(jié)點(diǎn)完成了轉(zhuǎn)發(fā)而選擇繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā),就會(huì)使同一個(gè)數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中存在很多不必要的副本,造成能量浪費(fèi)和無(wú)效吞吐.針對(duì)這些問(wèn)題,本協(xié)議提出基于選擇策略度量值Cost的退避策略以及ACK 壓制策略.

為了減少碰撞帶來(lái)的能量和時(shí)間消耗,本協(xié)議利用Cost值設(shè)計(jì)一種退避策略.當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)確定了自己的轉(zhuǎn)發(fā)候選集并計(jì)算出ECC值后,該節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)將轉(zhuǎn)發(fā)候選集中最大的ECC值Cmax以及轉(zhuǎn)發(fā)候選集中所有節(jié)點(diǎn)的ECC值之和包含在內(nèi).收到數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)通過(guò)與自身的ECC值進(jìn)行對(duì)比:如果,則該鄰居節(jié)點(diǎn)將自己選為轉(zhuǎn)發(fā)候選節(jié)點(diǎn),并在回復(fù)ACK 之前執(zhí)行退避過(guò)程.該節(jié)點(diǎn)的退避時(shí)間應(yīng)該同Cost值成正比,假設(shè)Bmax是MAC 層預(yù)設(shè)的最大的隨機(jī)退避時(shí)間,那么對(duì)候選集中的節(jié)點(diǎn)vi,其退避時(shí)間由公式(14)計(jì)算:

通過(guò)這種退避機(jī)制,候選集中代價(jià)最小的節(jié)點(diǎn)將會(huì)退避最短的時(shí)間,即其擁有了最高的轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級(jí).當(dāng)其退避時(shí)間結(jié)束后,將優(yōu)先廣播ACK 信息.這樣,當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)接收到第1 個(gè)ACK 信息時(shí),得知其數(shù)據(jù)包已經(jīng)被成功接收.而其他收到該數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)候選節(jié)點(diǎn)由于退避時(shí)間較長(zhǎng),在其退避時(shí)間內(nèi)如果收到了來(lái)自其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包ACK 信息,則該節(jié)點(diǎn)將收到的數(shù)據(jù)包丟棄,不再進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)和回復(fù).通過(guò)這樣的退避以及ACK 壓制策略,本協(xié)議就實(shí)現(xiàn)了發(fā)送節(jié)點(diǎn)把數(shù)據(jù)單播給某一選定的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn),從而減少了該過(guò)程中額外的能量消耗.

2.3.4 網(wǎng)絡(luò)初始化

在網(wǎng)絡(luò)第1 次啟動(dòng)時(shí),整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的初始建立過(guò)程將從基站(sink)開始到邊緣節(jié)點(diǎn),直到每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都完成自身的初始化過(guò)程后進(jìn)入休眠狀態(tài)為止.每個(gè)節(jié)點(diǎn)在其初始化階段保持工作狀態(tài)不休眠,直到完成該節(jié)點(diǎn)的初始化過(guò)程后將休眠一整個(gè)時(shí)間周期L,之后,將根據(jù)其設(shè)定好的占空比開始正常的工作周期.

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)初始化開始時(shí),基站首先向全網(wǎng)發(fā)送廣播信息.廣播信息中包括其占空比D、ECC值C和其等待代價(jià)度量標(biāo)準(zhǔn)RoW(對(duì)基站而言,由于其是組網(wǎng)的第1 個(gè)節(jié)點(diǎn)并且不休眠,因此Dsink=100%,Csink=0,RoWsink=0).因?yàn)閟ink 是該網(wǎng)絡(luò)中所有數(shù)據(jù)包的歸宿,因此收到其廣播包的節(jié)點(diǎn)都將其視為自己的下一跳以及轉(zhuǎn)發(fā)唯一的轉(zhuǎn)發(fā)候選節(jié)點(diǎn),并據(jù)此計(jì)算自己相應(yīng)的ECC值.計(jì)算完畢后,為了防止碰撞消耗不必要的能量,每個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)退避一個(gè)時(shí)間后,繼續(xù)將含有自己占空比和ECC值信息的包廣播出去.節(jié)點(diǎn)廣播之后,將會(huì)監(jiān)聽一段時(shí)間(T1)來(lái)確認(rèn)自己的包是否被至少1 個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到,如果沒(méi)有問(wèn)題,節(jié)點(diǎn)將休眠一整個(gè)周期.

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)中距離匯聚節(jié)點(diǎn)兩跳及以上的節(jié)點(diǎn)u,當(dāng)其接受到其他節(jié)點(diǎn)廣播包中的信息時(shí),將其id 號(hào)加入到自己的鄰居節(jié)點(diǎn)集N(u).當(dāng)經(jīng)過(guò)一段監(jiān)聽時(shí)間(T2)不再收到廣播信息時(shí),利用前文中提出的轉(zhuǎn)發(fā)候選集構(gòu)建方案,將N(u)中的節(jié)點(diǎn)按C值排序后依次嘗試加入并最終形成候選集Fwdsort(u),同時(shí)計(jì)算出該轉(zhuǎn)發(fā)候選集情況下當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的預(yù)期能耗值Cu,并根據(jù)當(dāng)前時(shí)間和廣播包中的占空比信息計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的RoWu,以便為之后的轉(zhuǎn)發(fā)決策服務(wù).通過(guò)每個(gè)廣播包,可以計(jì)算該發(fā)包節(jié)點(diǎn)(即轉(zhuǎn)發(fā)候選節(jié)點(diǎn))下次醒來(lái)的時(shí)間為

則其工作時(shí)間的范圍即為

通過(guò)此計(jì)算方法,還可以估算出不同發(fā)送節(jié)點(diǎn)占空比的重疊部分,從而計(jì)算出當(dāng)前轉(zhuǎn)發(fā)候選集情況下節(jié)點(diǎn)u的RoWu值.之后,當(dāng)前節(jié)點(diǎn)同樣隨機(jī)退避一個(gè)時(shí)間之后將自己的占空比D、ECC值C及其等待代價(jià)度量標(biāo)準(zhǔn)RoW值加入包中廣播出去,廣播完成后,使用同樣的機(jī)制監(jiān)聽一段時(shí)間(T1)進(jìn)入休眠.同理,網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)初始化過(guò)程中都執(zhí)行這樣一整套流程后,整個(gè)網(wǎng)絡(luò)初始化過(guò)程結(jié)束.這時(shí),網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)候選集以及等待代價(jià)度量標(biāo)準(zhǔn)RoWu都得以確定.

2.3.5 網(wǎng)絡(luò)通信過(guò)程

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的初始化過(guò)程完成后,網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)將陸續(xù)醒來(lái)進(jìn)行發(fā)送或轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的工作.當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)包要發(fā)送時(shí),首先廣播探測(cè)包,然后利用收到回復(fù)的節(jié)點(diǎn)中根據(jù)其ECC值參考前文提出的算法選擇是否加入轉(zhuǎn)發(fā)候選集.由于初始化過(guò)程結(jié)束后網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的ECC值是按照遠(yuǎn)離匯聚節(jié)點(diǎn)逐漸增大而排布的,因此根據(jù)算法中加入候選集的節(jié)點(diǎn)都是ECC值小于當(dāng)前值這一規(guī)則,可以避免將上一跳的節(jié)點(diǎn)加入候選集而形成路由環(huán)路.當(dāng)前節(jié)點(diǎn)也隨著候選集中節(jié)點(diǎn)的不斷加入而重新計(jì)算自己的C值,直到不再有可以降低本身ECC值的節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)時(shí),當(dāng)前發(fā)送節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)候選集就確定了.轉(zhuǎn)發(fā)候選集的確定會(huì)使一部分能耗代價(jià)較高的鄰居節(jié)點(diǎn)被排除,這樣可以降低節(jié)點(diǎn)之間通信的能耗.之后,轉(zhuǎn)發(fā)候選節(jié)點(diǎn)通過(guò)公式(13)計(jì)算出的Cost值執(zhí)行退避,從而完成轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程.在此過(guò)程中,把轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的延遲降到最小.如圖5 所示為一個(gè)節(jié)點(diǎn)通信過(guò)程示例.

Fig.5 Example of communication process圖5 通信過(guò)程示例

如圖5 所示,Sender 為發(fā)送節(jié)點(diǎn),其含有3 個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)A,B,C;同時(shí),節(jié)點(diǎn)A有3 個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)B,D和E,節(jié)點(diǎn)B有鄰居節(jié)點(diǎn)A,C,E和F,節(jié)點(diǎn)C的鄰居節(jié)點(diǎn)為B,F,G,H.Sender 首先廣播探測(cè)包,假設(shè)得到節(jié)點(diǎn)A,B,C回復(fù)的各自的ECC值分別為1,1.5 和3.假設(shè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)同A,B,C之間鏈路的錯(cuò)誤率都為0.5,而發(fā)送功率為1.

(1) Sender 根據(jù)ECC值將A,B,C節(jié)點(diǎn)從小到大排序,首先將節(jié)點(diǎn)A加入轉(zhuǎn)發(fā)候選集,并計(jì)算出自己當(dāng)前的ECC值為3;之后比較節(jié)點(diǎn)B的ECC值小于3,于是將B也加入轉(zhuǎn)發(fā)候選集,重新計(jì)算自己的ECC值為2.25;此時(shí)發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)C的ECC值大于當(dāng)前計(jì)算出的ECC值,于是不將C值加入,轉(zhuǎn)發(fā)候選集構(gòu)建結(jié)束,將能耗代價(jià)較高的鄰居節(jié)點(diǎn)C被排除,降低節(jié)點(diǎn)之間通信的能耗.

(2) Sender 將轉(zhuǎn)發(fā)候選集中節(jié)點(diǎn)最大的ECC值1.5 作為閾值和所有ECC值之和2.5 加入數(shù)據(jù)包進(jìn)行廣播,收到數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)A,B,C將自己的ECC值與閾值1.5 進(jìn)行對(duì)比,其中,節(jié)點(diǎn)A,B發(fā)現(xiàn)自己的ECC值小于等于該閾值,于是將自己視為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn),準(zhǔn)備執(zhí)行退避后轉(zhuǎn)發(fā),節(jié)點(diǎn)C則丟棄該數(shù)據(jù)包.

(3) 節(jié)點(diǎn)A,B根據(jù)退避計(jì)算公式計(jì)算自己需要退避的時(shí)間,如果節(jié)點(diǎn)A退避時(shí)間短,則首先廣播ACK,Sender 節(jié)點(diǎn)收到ACK 后得知轉(zhuǎn)發(fā)成功;而節(jié)點(diǎn)B收到A的ACK 則得知自己的轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級(jí)較低,于是丟棄收到的數(shù)據(jù)包,使得轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的延遲最短,實(shí)現(xiàn)能耗和延遲的平衡.

在該過(guò)程中,單個(gè)節(jié)點(diǎn)的占空比雖然不會(huì)發(fā)生變化,但是由于網(wǎng)絡(luò)中鏈路質(zhì)量有可能改變,從而造成節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)集可能發(fā)生變化;并且由于時(shí)鐘累計(jì)后出現(xiàn)誤差現(xiàn)象的存在,節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)工作周期的重疊部分也可能發(fā)生變化,這些都可能改變一個(gè)節(jié)點(diǎn)的RoW值,從而影響路由決策.為了解決這個(gè)問(wèn)題,本協(xié)議設(shè)計(jì)了更新節(jié)點(diǎn)RoW值的策略:初始化階段時(shí),鄰居節(jié)點(diǎn)回復(fù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)時(shí)會(huì)捎帶自己的占空比等信息;而在網(wǎng)絡(luò)結(jié)束初始化過(guò)程開始正常運(yùn)行時(shí),鄰居節(jié)點(diǎn)將在回復(fù)的信息中添加一項(xiàng)Tpass,代表其睡醒后經(jīng)過(guò)的時(shí)間;而發(fā)送節(jié)點(diǎn)接收到后,可以根據(jù)自身的時(shí)鐘來(lái)修正時(shí)鐘漂移帶來(lái)的誤差.

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

為了驗(yàn)證所提出的路由協(xié)議的有效性,本文利用Omnet++仿真平臺(tái)在MAC 層使用CSMA 的基礎(chǔ)上對(duì)EDOR 協(xié)議進(jìn)行了多組實(shí)驗(yàn).由于能量收集型節(jié)點(diǎn)的能量收集過(guò)程對(duì)上層來(lái)說(shuō)是隱藏的,并且該過(guò)程也不是本協(xié)議研究的范疇,因此本文使用占空比較高的節(jié)點(diǎn)模擬代替能量收集型節(jié)點(diǎn),并研究所提出的EDOR 協(xié)議的能耗和延遲性能.

本文對(duì)不同數(shù)量、不同占空比類型的節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境都進(jìn)行了測(cè)試.由于本協(xié)議適用于擁有相對(duì)較高占空比的能量收集型節(jié)點(diǎn),因此將使用4 種不同占空比類型的節(jié)點(diǎn),分別是占空比為40%,30%,20%以及低于10%的節(jié)點(diǎn).實(shí)驗(yàn)中使用N-X%-Y%-Z%分別表示節(jié)點(diǎn)的總個(gè)數(shù)為N、占空比為40%的節(jié)點(diǎn)占比為X%、30%的占比為Y%、20%的占比為Z%、其余為占空比低于10%的節(jié)點(diǎn).所有節(jié)點(diǎn)的總周期長(zhǎng)度L一致,其他一些網(wǎng)絡(luò)設(shè)置的關(guān)鍵參數(shù)見表1.

Table 1 Settings of network parameter表1 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置

3.1 系數(shù)確定實(shí)驗(yàn)

為了確定轉(zhuǎn)發(fā)候選節(jié)點(diǎn)選擇標(biāo)準(zhǔn)Cost值計(jì)算公式中的系數(shù)a,本實(shí)驗(yàn)將系數(shù)a在[0,1]的區(qū)間內(nèi)每次變化0.1,從而產(chǎn)生11 組對(duì)比數(shù)據(jù);同時(shí),利用OMNeT++平臺(tái)的拓?fù)洚a(chǎn)生器隨機(jī)產(chǎn)生6 組不同規(guī)模和節(jié)點(diǎn)類型的拓?fù)?見表2.

Table 2 Example of test networking表2 測(cè)試網(wǎng)絡(luò)示例

本文首先對(duì)端到端延遲進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn),得到了如圖6 所示的結(jié)果.從圖中可以看出,隨著Cost值計(jì)算公式中系數(shù)a取值的不斷增大,不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚憩F(xiàn)出延遲上升的總體趨勢(shì).這時(shí),因?yàn)殡S著系數(shù)a取值的增大,RoW值在Cost中的占比就越來(lái)越小,因此在對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)候選集中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行選擇時(shí),候選節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)占空比之和對(duì)決策的影響就越小,發(fā)送節(jié)點(diǎn)更傾向于選擇能耗較小而不是延遲較低的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā),因而端到端延遲隨之變大.同時(shí)可以看出,隨著節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的增多,每個(gè)節(jié)點(diǎn)鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增多,網(wǎng)絡(luò)中平均延遲的數(shù)值是在減小的.對(duì)于具有相同節(jié)點(diǎn)數(shù)目的網(wǎng)絡(luò)T4,T5,T6,則隨著網(wǎng)絡(luò)中高占空比節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加使得通信節(jié)點(diǎn)之間工作周期相遇的概率提升,從而延遲減少.

對(duì)于節(jié)點(diǎn)的能量消耗問(wèn)題,本實(shí)驗(yàn)使用發(fā)包的數(shù)量來(lái)模擬衡量.本文使6 組網(wǎng)絡(luò)分別仿真相同的時(shí)間,在同樣的時(shí)間跨度內(nèi),發(fā)包次數(shù)越多,代表節(jié)點(diǎn)處于工作狀態(tài)的時(shí)間越長(zhǎng),進(jìn)行的通信過(guò)程越多,從而能耗越大.結(jié)果如圖7 所示.

從圖7 中可以看出,隨著系數(shù)a值的不斷增大,Cost值計(jì)算中關(guān)于ECC值的占比不斷上升,即發(fā)送節(jié)點(diǎn)在從轉(zhuǎn)發(fā)候選集中選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)時(shí),會(huì)更傾向于能耗較少而不是延遲較低的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā).因此,節(jié)點(diǎn)平均發(fā)包數(shù)量整體在減少.同時(shí)還發(fā)現(xiàn),在T1和T2的網(wǎng)絡(luò)情況下,發(fā)包數(shù)量的下降并不明顯.這是因?yàn)樵诰W(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少時(shí),每個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)以及選定的轉(zhuǎn)發(fā)候選中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量都不會(huì)很多,在轉(zhuǎn)發(fā)候選集選擇過(guò)程中已經(jīng)將能耗較大的節(jié)點(diǎn)排除在外的情況下,節(jié)點(diǎn)發(fā)包數(shù)量的變化并不明顯.而隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大,能耗下降的趨勢(shì)就逐漸顯現(xiàn)出來(lái).從圖中可以看出,隨著網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的增加,節(jié)點(diǎn)的平均能耗也會(huì)增加.這是由于隨著鄰居節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的增多,節(jié)點(diǎn)的通信頻率增加造成的.T5,T6相比于T4則是隨著網(wǎng)絡(luò)中高占空比節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加,能耗相應(yīng)增加.

Fig.6 Average delay of end-to-end圖6 端到端延遲平均值

Fig.7 Average number of packets圖7 發(fā)包數(shù)量平均值

從兩個(gè)圖中可知,隨著系數(shù)a的增大,節(jié)點(diǎn)的延遲和能耗的整體變化趨勢(shì)是相反的,這符合前文的分析和設(shè)定.由于轉(zhuǎn)發(fā)候選集的確定已經(jīng)使得一部分能耗代價(jià)較高的鄰居節(jié)點(diǎn)被排除,因此在從轉(zhuǎn)發(fā)候選集中選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)時(shí),本協(xié)議更傾向于考慮降低延遲.從圖中可以看出,a值處于[0,0.4]范圍時(shí),延遲相對(duì)處在較低水平,能耗則在a值取得0.2 開始,T4,T5,T6均出現(xiàn)較明顯的能耗下降,因此本協(xié)議選擇a值為0.2.

3.2 單一轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為了減少網(wǎng)絡(luò)中無(wú)效的數(shù)據(jù)副本數(shù)量,本文協(xié)議設(shè)定了從轉(zhuǎn)發(fā)候選集中選擇單一節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)的退避過(guò)程.對(duì)6 種隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?分別測(cè)試了每個(gè)數(shù)據(jù)包被轉(zhuǎn)發(fā)的次數(shù),以此來(lái)驗(yàn)證該退避過(guò)程對(duì)于確定單一轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的有效性.仿真結(jié)果如圖8 所示.

Fig.8 Average number of forwarding nodes per hop圖8 每跳平均轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)

從上圖中可以看出,隨著網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟?guī)模的增大,真正轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)有所增加,但總體基本接近于一個(gè).這時(shí),由于雖然本文協(xié)議使用基于Cost值的退避來(lái)選擇唯一轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn),并且利用Cost值較小的節(jié)點(diǎn),使用ACK壓制了其他轉(zhuǎn)發(fā)候選節(jié)點(diǎn),但是因隱藏終端問(wèn)題的存在,有可能被選中的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的ACK 無(wú)法被所有轉(zhuǎn)發(fā)候選節(jié)點(diǎn)收到,而誤以為自己是被選中的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn).這種情況出現(xiàn)的次數(shù)隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大、鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增多而增加,因此使得有些數(shù)據(jù)包可能會(huì)被兩個(gè)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā).然而,因?yàn)樵谵D(zhuǎn)發(fā)候選集的構(gòu)建過(guò)程中已經(jīng)排除了一部分鄰居節(jié)點(diǎn),剩余的加入轉(zhuǎn)發(fā)候選集的節(jié)點(diǎn)彼此之間不在通信范圍內(nèi)的概率很低,所以出現(xiàn)兩個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的概率很低,兩個(gè)以上的情況幾乎沒(méi)有.因此,本文協(xié)議基本實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)包單一轉(zhuǎn)發(fā)的功能,從而有效減少了網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)用副本.

3.3 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

3.3.1 延遲比較

為了驗(yàn)證本協(xié)議(EDOR-Cost)的有效性,實(shí)驗(yàn)中對(duì)比了同樣是機(jī)會(huì)路由的比較經(jīng)典的ORW 協(xié)議(ORWETC)以及對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)的EoR 協(xié)議(EoR-ETC),從平均延遲和平均能耗兩方面,同樣使用了6 種隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn).

本文對(duì)6 種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎? 種方法的端到端延遲和單跳延遲進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),結(jié)果如圖9 和圖10 所示.

Fig.9 Comparison of the average end-to-end delay圖9 平均端到端延遲比較

Fig.10 Comparison of average one-hop delay圖10 平均單跳延遲比較

從兩圖中可以看出,無(wú)論是端到端延遲還是單跳延遲,本文提出協(xié)議的延遲都在ORW 和EoR 方法之間,并且更靠近延遲較低的EoR 方法.因?yàn)镺RW 只是根據(jù)候選節(jié)點(diǎn)的下一跳鄰居節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)來(lái)進(jìn)行選擇,相當(dāng)于忽略了等待過(guò)程產(chǎn)生的代價(jià),其選擇的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)并不是下一跳轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延遲較小的節(jié)點(diǎn).而EoR 方法則充分考慮了節(jié)點(diǎn)自身和其轉(zhuǎn)發(fā)候選節(jié)點(diǎn)占空比的情況,在進(jìn)行選擇時(shí)相比ORW 方法提升了延遲性能.本文的方法EDOR綜合考慮了節(jié)點(diǎn)的能耗和延遲兩方面因素,在平衡兩者的同時(shí),在延遲方面取得了接近EoR 方法的良好效果.

3.3.2 能耗比較

本文隨機(jī)選取了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銽3來(lái)比較3 個(gè)協(xié)議的節(jié)點(diǎn)能耗.為了使得能耗的數(shù)值更貼近于數(shù)據(jù)收集網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際情況,選取基站收集到同樣數(shù)量的數(shù)據(jù)包時(shí),節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的平均能耗,即當(dāng)基站收集到相同數(shù)量的數(shù)據(jù)包時(shí),節(jié)點(diǎn)平均能耗更低的協(xié)議可以使得網(wǎng)絡(luò)能夠更好地完成收集任務(wù).能量收集型節(jié)點(diǎn)的能量級(jí)別很低,節(jié)點(diǎn)一次發(fā)送或接收過(guò)程產(chǎn)生的能耗在10?1mA 甚至微安級(jí)別,本實(shí)驗(yàn)根據(jù)文獻(xiàn)[33]中提供的參考,將節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一次發(fā)送和傳輸?shù)哪芰肯姆謩e設(shè)定為0.56mW 和0.67mW 進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),得到的結(jié)果如圖11 所示.

Fig.11 Comparison of average energy consumption圖11 平均能耗比較

由上圖可以看出,隨著基站收集到的包的數(shù)量的增加,節(jié)點(diǎn)的能耗基本呈線性增加的趨勢(shì)(前提是該節(jié)點(diǎn)擁有足夠的能量).其中,EoR 方法由于減少了節(jié)點(diǎn)的平均等待時(shí)間,使得不用頻繁地發(fā)送探測(cè)包或者監(jiān)聽信道,從而能耗情況也優(yōu)于ORW 協(xié)議.而本協(xié)議由于能量模型的存在,轉(zhuǎn)發(fā)候選集中選擇的節(jié)點(diǎn)都向后轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)預(yù)計(jì)能量消耗較少的節(jié)點(diǎn),因此取得了最優(yōu)的能耗特性.

4 總結(jié)與展望

針對(duì)于無(wú)源感知網(wǎng)絡(luò),本文提出了基于綜合能耗和延遲代價(jià)的機(jī)會(huì)路由協(xié)議,利用節(jié)點(diǎn)的預(yù)期能耗模型以及單一轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)選擇策略,平衡了節(jié)點(diǎn)的能耗和延遲.通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn),證明了本文提出的協(xié)議取得了良好的能耗和延遲效果,并且成功降低了網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)效數(shù)據(jù)副本數(shù)目.在實(shí)驗(yàn)方面,將研制自己的無(wú)源感知節(jié)點(diǎn),考慮在HitchHike 的基礎(chǔ)上做進(jìn)一步的改進(jìn),參考WISP5 上的energy harvesting 部分的電路,使用能量收集技術(shù),結(jié)合無(wú)線能量獲取與太陽(yáng)能,為系統(tǒng)構(gòu)建專門的軟件,通過(guò)指令集優(yōu)化系統(tǒng),節(jié)約能耗,對(duì)實(shí)驗(yàn)加以擴(kuò)展.