李 華，劉占偉，郭育艷

(1.河南工程學(xué)院 a.計算機學(xué)院； b.理學(xué)院， 鄭州 451191；2.河南財經(jīng)政法大學(xué) 科研處， 鄭州 450046)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor network，WSN)是低成本、小型和能量有限的多功能微型傳感器節(jié)點的集合[1]，已被廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)場監(jiān)測、醫(yī)療保健、環(huán)境監(jiān)測、國土安全等領(lǐng)域[2-4]。當(dāng)WSN中節(jié)點密集部署時，通常會產(chǎn)生冗余數(shù)據(jù)，將這些冗余數(shù)據(jù)傳輸?shù)交緯黾泳W(wǎng)絡(luò)中的能量消耗和擁塞。 此時可以用一個聚合節(jié)點將這些數(shù)據(jù)包收集起來，然后再轉(zhuǎn)發(fā)給基站。將多個數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換為一個數(shù)據(jù)包的過程稱為數(shù)據(jù)聚合[5]。目前，數(shù)據(jù)聚合的方法主要包括統(tǒng)計方法[6]、概率方法和人工智能[7]等。

現(xiàn)有的用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)聚合協(xié)議大致分為兩類：基于結(jié)構(gòu)[8]和無結(jié)構(gòu)[9-10]的數(shù)據(jù)聚合協(xié)議。在基于結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)聚合中，傳感器節(jié)點以不同的結(jié)構(gòu)收集數(shù)據(jù)，通過創(chuàng)建鏈、樹、聚類、樹聚類或?qū)哟尉垲悓?shù)據(jù)傳輸?shù)交尽＝Y(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)聚合的性能取決于從下游節(jié)點接收到的中間節(jié)點數(shù)據(jù)的等待時間。一個小的等待期可能會導(dǎo)致較差的聚合，而長時間的等待可能會導(dǎo)致較高的延遲。文獻[11]提出一種基于樹的協(xié)議，在所有傳感器節(jié)點中隨機選擇根節(jié)點，然后開始構(gòu)建分層路徑以形成樹結(jié)構(gòu)。文獻[12]提出一種樹狀數(shù)據(jù)收集協(xié)議TCDGP，它是基于樹和簇的混合。TCDGP根據(jù)傳感器節(jié)點的位置和能量信息形成簇，在最小生成樹中建立一條路徑。接收器計算簇頭之間的距離以形成樹。 然而，這些基于結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)聚合協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建過程中消耗了大量的能量。

在無結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)聚合方法中，具有相似數(shù)據(jù)的多個源選擇相同的下游節(jié)點，使得冗余數(shù)據(jù)可以在該節(jié)點聚合，并且不需要構(gòu)建結(jié)構(gòu)而消耗能量。文獻[13]中提出一種無結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)聚合協(xié)議，不使用任何顯式的結(jié)構(gòu)進行數(shù)據(jù)聚合。該協(xié)議通過基于MAC層任意傳播的方法實現(xiàn)了空間收斂，稱為數(shù)據(jù)感知式傳播(DAA)。文獻[14]提出另一種無結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)聚合協(xié)議(RAG)處理冗余數(shù)據(jù)而不消耗構(gòu)建結(jié)構(gòu)所需的能量。RAG使用智能等待策略處理實時WSN中的時間和空間冗余。智能等待策略在中間節(jié)點處計算每個轉(zhuǎn)發(fā)報文的等待時間，使得它可以在規(guī)定的時間范圍內(nèi)傳送給基站。然而，由于節(jié)點向所有相鄰節(jié)點廣播控制消息，導(dǎo)致協(xié)議能量消耗增加。在接近匯聚節(jié)點處，報文可能經(jīng)歷更多的延遲，并且RAG增加報文傳輸?shù)乃俣纫詽M足期限約束，這增加了更多的能量消耗并且可能導(dǎo)致?lián)砣?。文獻[15]提出一種在多跳網(wǎng)絡(luò)中運行的無結(jié)構(gòu)和能量平衡的數(shù)據(jù)聚合協(xié)議(SFEB)。它假設(shè)具有相同事件標(biāo)識(EID)的數(shù)據(jù)包可以被聚合,通過將網(wǎng)絡(luò)劃分為平行四邊形來選擇主要聚合器和次要聚合器。通過選擇等待時間來提高數(shù)據(jù)聚合效果。但是，在無結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)聚合中，用于接收數(shù)據(jù)包的下游節(jié)點的數(shù)量并不固定，容易引起網(wǎng)絡(luò)擁塞[10]。因此，還需要一個有效的緩沖區(qū)管理和調(diào)度方案來避免網(wǎng)絡(luò)擁塞并提高吞吐量。

本文在無結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)聚合方法的基礎(chǔ)上，提出了一種基于近源數(shù)據(jù)聚合的路由協(xié)議，以確保有效的數(shù)據(jù)聚合和避免網(wǎng)絡(luò)擁塞，且不需要對結(jié)構(gòu)進行明確的維護。本文方法主要分為3個部分：① 下一跳節(jié)點選擇，即根據(jù)下一跳節(jié)點的剩余能量、可用緩存空間以及與當(dāng)前節(jié)點的鏈路強度來計算成本函數(shù)，根據(jù)成本函數(shù)來選擇下一跳。 ② 無結(jié)構(gòu)近源數(shù)據(jù)聚合，即為每個節(jié)點設(shè)定合理的數(shù)據(jù)接收時間，并對大量數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)聚合，去除冗余數(shù)據(jù)，減少傳輸能耗。③ 擁塞控制，即每個節(jié)點根據(jù)當(dāng)前接收的數(shù)據(jù)量和緩存狀況，自適應(yīng)調(diào)整接收率，避免節(jié)點擁塞實現(xiàn)能量均衡，并降低傳輸延遲。上述3個部分相互協(xié)作，下一跳節(jié)點選擇用于動態(tài)構(gòu)建最佳傳輸路由；近源數(shù)據(jù)聚合用于降低數(shù)據(jù)包維度；擁塞控制用于均衡節(jié)點能量。 當(dāng)一個節(jié)點啟動擁塞控制時，其上一跳節(jié)點會重啟節(jié)點選擇過程，選擇其他節(jié)點進行數(shù)據(jù)傳輸。

1 網(wǎng)絡(luò)無結(jié)構(gòu)拓撲構(gòu)建

1.1 拓撲結(jié)構(gòu)

拓撲控制使用最小的功率保持連接，可以減少多余節(jié)點及其密集部署所產(chǎn)生的能耗。在邏輯拓撲構(gòu)建階段，傳感器節(jié)點必須知道自己、相鄰節(jié)點和基站的位置。

在一定區(qū)域內(nèi)部署傳感器之后，基站通過廣播“HELLO”消息來啟動拓撲結(jié)構(gòu)構(gòu)建過程。接收到這個“HELLO”消息的節(jié)點向下一節(jié)點發(fā)送“HELLO”消息。每個節(jié)點在隨機設(shè)定的等待時間之后發(fā)送“HELLO”消息以避免對等節(jié)點之間的沖突?！癏ELLO”消息包含節(jié)點ID、位置信息、能量級別、緩沖區(qū)狀態(tài)和到達基站的跳數(shù)(hc)?；緩V播的HELLO消息中hc=0。收到從基站發(fā)送的HELLO消息時，傳感器節(jié)點將其hc設(shè)置為1，并發(fā)送HELLO消息到下一跳節(jié)點。接收到這個HELLO消息的節(jié)點將其hc設(shè)置為2，依此類推。節(jié)點會從接收到的多個HELLO消息中選擇具有最小hc值的鄰居，并將自己的hc設(shè)置為hc+1。該過程持續(xù)，直到所有節(jié)點都包含在層次結(jié)構(gòu)中。對未包含在邏輯拓撲中的孤立節(jié)點，廣播HELLO消息使鄰居節(jié)點知道它們的位置。孤立節(jié)點在接收到來自鄰居的HELLO消息后設(shè)置它們的位置和hc。

本文不構(gòu)建靜態(tài)結(jié)構(gòu)，而是使用無結(jié)構(gòu)拓撲，其中傳感器節(jié)點的層次結(jié)構(gòu)決定數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到某個非特定節(jié)點。在拓撲構(gòu)建階段之后，每個節(jié)點知道其無線電范圍內(nèi)的所有相鄰節(jié)點的可用能量、位置和緩沖器占用率。邏輯拓撲在開始時只構(gòu)造1次，不需像基于結(jié)構(gòu)的拓撲結(jié)構(gòu)一樣需要重復(fù)構(gòu)建。WSN本質(zhì)上是動態(tài)的，當(dāng)節(jié)點死亡時拓撲發(fā)生變化?；诮Y(jié)構(gòu)的拓撲控制協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)能量低于閾值能量水平時，或者在網(wǎng)絡(luò)中有大量節(jié)點死亡之后會重啟拓撲構(gòu)建階段。這增加了網(wǎng)絡(luò)中大量的能源消耗。

本文提出的協(xié)議通過采用無結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)傳輸方法節(jié)省能量。在附近節(jié)點死亡的情況下，根據(jù)成本函數(shù)選擇新節(jié)點進行數(shù)據(jù)傳輸。因此，所提出的協(xié)議可以在不重構(gòu)拓撲的情況下處理拓撲變化。

1.2 基于可靠性的數(shù)據(jù)傳輸

在一些WSN應(yīng)用中，需要較高的檢測可靠性，所以會將傳感器節(jié)點密集部署，但這樣會產(chǎn)生高度相關(guān)和冗余的數(shù)據(jù)?？梢赃x擇性地將感測到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到聚合點，以此來最小化數(shù)據(jù)傳輸時的能量消耗。

例如，在森林資源監(jiān)控應(yīng)用中，整個森林可以分為多個子區(qū)域。需要對森林的不同分區(qū)進行不同程度的監(jiān)測。含有珍貴樹木的分區(qū)域需要受到高度關(guān)注。同樣，在基于WSN的醫(yī)療保健應(yīng)用中，ICU患者應(yīng)該比普通患者受到更多的關(guān)注。因此，可以給子區(qū)域分配不同的可靠性權(quán)重(wj, 1≤j≤ns)，其中ns是子區(qū)域的數(shù)量。分配給子區(qū)域的權(quán)重因子決定了該區(qū)域的QoS要求，如延遲和數(shù)據(jù)傳輸率。

本文所提出的方法基于所需的可靠性要求等級將整個感測區(qū)劃分成子區(qū)域。用于感測數(shù)據(jù)的傳感器數(shù)量是根據(jù)該區(qū)域的可靠性要求決定的。事件發(fā)生在可靠性要求較高的地區(qū)，需要從傳感器節(jié)點收集更多的數(shù)據(jù)。因此，需要智能傳輸數(shù)據(jù)以達到區(qū)域所需的可靠性水平并節(jié)約能源。

如果事件發(fā)生在傳感半徑(dsense)內(nèi)，則傳感器節(jié)點可以感測事件。在感測到事件之后，每個傳感器節(jié)點將可靠性因子(rf)分配給其感測的數(shù)據(jù)。感測數(shù)據(jù)的rf根據(jù)距離度量來計算，表示如下：

(1)

式中：dEvent_Sensor是事件與感知節(jié)點之間的距離，dsense是傳感器節(jié)點的感應(yīng)半徑。

傳感器節(jié)點根據(jù)其rf決定是否傳輸數(shù)據(jù)。如果rf≥trf，則決定傳輸數(shù)據(jù)。節(jié)點的trf是事件的可靠性閾值。一個節(jié)點的trf通過下式計算：

(2)

1.3 下一跳節(jié)點選擇

基于結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議中源節(jié)點與目的地之間存在用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓潭窂?。?dāng)路徑中某個節(jié)點的能量耗盡或者網(wǎng)絡(luò)故障導(dǎo)致路由失敗時，建立新的路徑。因此，路由維護成本高。另一方面，無結(jié)構(gòu)路由協(xié)議動態(tài)選擇下一跳節(jié)點進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。在每輪通信中，可以動態(tài)地選擇不同的路徑。這種無結(jié)構(gòu)的路由可以提供負載均衡和容錯能力，減少擁塞的可能性。

下一跳節(jié)點的選擇是無結(jié)構(gòu)聚合和路由協(xié)議中的重要問題。算法1顯示了本文協(xié)議中基于成本函數(shù)的下一跳選擇過程的偽代碼。

算法1:下一跳選擇過程定義:DID為下一節(jié)點的ID;cfi為節(jié)點i的成本函數(shù)。執(zhí)行傳感器節(jié)點發(fā)送DS;如果接收到的控制包非空,則 將此控制包的DID作為下一個節(jié)點的ID; 為該節(jié)點設(shè)置傳輸時間表;否則 傳感器節(jié)點開始感測事件E的數(shù)據(jù)DS; 對于每個節(jié)點i 計算其成本函數(shù)cfi; 將cfi中的最大值賦值給cfmax; 將具有cfmax的節(jié)點的ID作為下一個節(jié)點的ID; 為該節(jié)點設(shè)置傳輸時間表;結(jié)束結(jié)束

在所提出的協(xié)議中，下一跳節(jié)點是基于成本函數(shù)來選擇的。 根據(jù)下一跳節(jié)點的剩余能量、可用緩存空間以及當(dāng)前節(jié)點與下一跳之間的鏈路強度來計算成本函數(shù)。

每個傳感器節(jié)點維護一個鄰居信息表，這有助于在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)期間計算成本函數(shù)和下一跳節(jié)點選擇。鄰居信息表包含下一跳鄰居節(jié)點的節(jié)點id(NID)、坐標(biāo)位置(N(x,y))、可用緩沖區(qū)(Buffst)、鏈路強度(ls)和剩余能量(Eresd)等信息。

當(dāng)一個節(jié)點檢測到數(shù)據(jù)或從其他節(jié)點接收到數(shù)據(jù)報文后需要轉(zhuǎn)發(fā)給基站時，該節(jié)點首先從鄰居信息表中為其所有下一跳節(jié)點計算成本函數(shù)。節(jié)點j(Nj)會選擇具有最大成本函數(shù)值(cfmax)的下一跳節(jié)點i(Ni)。cfmax計算如下。

(3)

式中：N表示Nj的一組鄰居，∝是根據(jù)Nj和Ni之間距離的倒數(shù)計算的權(quán)重因子。

(4)

節(jié)點i的剩余能量計算如下：

Eresd.i=Elevel.i-{(ETX(k,dtran))+

(5)

ETX(k,d)是將k個比特傳輸?shù)骄嚯xdtran所需要的能量，其中dtran等于傳感器節(jié)點的最大傳輸范圍；RRX(k)是接收數(shù)據(jù)包所需的能量，且RRX(k)=Eelec×k；Eagg是用來聚合np數(shù)據(jù)包所需的能量。

可用緩沖區(qū)空間是根據(jù)當(dāng)前的緩沖區(qū)狀態(tài)和從Nj鄰居節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)的預(yù)期數(shù)量來計算的。Buffst和Elevel通常包含在用于數(shù)據(jù)包發(fā)送的確認包中，并在鄰居信息表中更新。可用于節(jié)點i的緩沖區(qū)計算如下：

(6)

當(dāng)鄰居節(jié)點收到確認報文時，根據(jù)式(7)更新鄰居節(jié)點的鏈路強度ls。鏈路強度是Nj和Ni之間鏈路的信號干擾噪聲比(SINR)。RecSignal Power功率由式(8)計算得到，其中Recno.of bits是來自鄰居節(jié)點Ni的確認報文數(shù)據(jù)中的比特數(shù)。

(7)

RecSignal Power使用文獻[16]中公式計算得出：

(8)

式中Pr(d)是距離為d時的平均接收功率，由距離為d0時的參考功率Pr(d0)計算得到。β是路徑損耗指數(shù)，Xdb是均值為零、標(biāo)準差為δdb的高斯隨機變量。

2 近源數(shù)據(jù)聚合

近源數(shù)據(jù)匯聚可以減少能源消耗、延遲和流量負載。在基于結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)聚合中，數(shù)據(jù)從其所有子節(jié)點定期收集，然后聚合形成單個數(shù)據(jù)包?；诮Y(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)聚合在路由中聚合固定數(shù)量的數(shù)據(jù)包。需要匯聚的報文數(shù)量取決于路由結(jié)構(gòu)。在無結(jié)構(gòu)聚合中，聚合數(shù)據(jù)包的數(shù)量因節(jié)點而異。隨著數(shù)據(jù)包數(shù)量的增加，流量負載、緩存需求和網(wǎng)絡(luò)擁塞也會增加。因此，本文盡可能早地為事件聚合選定數(shù)據(jù)包。

有數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點在控制周期開始時將其定時器設(shè)置為(100-rf)，然后開始遞減定時器。當(dāng)一個節(jié)點的定時器變?yōu)榱銜r，它將把控制數(shù)據(jù)包發(fā)送給相鄰節(jié)點。其他節(jié)點暫停它們的定時器并監(jiān)聽該發(fā)送者的控制數(shù)據(jù)包。控制報文包含源ID、下一跳ID、報文類型和等待時間。鄰居節(jié)點設(shè)置它們的傳輸時間并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到下一跳節(jié)點。所選擇的下一跳節(jié)點聚合接收到的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到通向基站的下一跳節(jié)點。

接收到的數(shù)據(jù)包在聚合節(jié)點處被緩沖以用于數(shù)據(jù)聚合，然后將其發(fā)送到下一跳。聚合節(jié)點用于接收數(shù)據(jù)包的等待時間直接關(guān)系到聚合精確性和數(shù)據(jù)傳輸時延。如果等待時間過長，會造成傳輸時延較大；如果等待時間過短，又會使數(shù)據(jù)聚合不充分。為此，本文考慮網(wǎng)絡(luò)延遲約束，在滿足約束條件下合理設(shè)置等待時間，以提高聚合效果，降低網(wǎng)絡(luò)傳輸能耗。

設(shè)定聚合節(jié)點在數(shù)據(jù)聚合之前等待twexpt以收集大量的數(shù)據(jù)包，twexpt使用式(9)計算。對于WSN中的實時數(shù)據(jù)傳輸而言，感知的數(shù)據(jù)包必須滿足一定的時延限制報告給基站。總延遲取決于傳播延遲(τpro_delay)、傳輸延遲(τtran_delay)、信道接入延遲(τchan_delay)和緩沖延遲(τbuff_delay)。

twexpt={ (TTD-τpro_delay)-(hc[τtran_delay+

τchan_delay+τbuff_delay])} -β

(9)

截止時間(TTD)即剩余時間。τpro_delay表示為dn BS/ps，其中dn BS是聚合節(jié)點與基站之間的距離。ps是波的傳播速度。τtran_delay表示為k/rt，即以rt的數(shù)據(jù)速率發(fā)送k比特數(shù)據(jù)的時間。為了簡化計算，本文假設(shè)每跳緩沖時延和信道接入延遲不變。β是隨機松弛時間裕度，用于保證聚合數(shù)據(jù)在期限內(nèi)傳送到BS。

本文假設(shè)WSN中傳感器節(jié)點最初是隨機部署的，但在空間上是一致的，基站位于網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的特定點。每個傳感器節(jié)點都有1個唯一標(biāo)識(NID)。源節(jié)點的數(shù)量是變化的?；就ㄟ^外部網(wǎng)絡(luò)連接到數(shù)據(jù)采集中心。設(shè)定每個節(jié)點都知道它的位置和基站的位置。 基站沒有資源限制，傳感器采用電池供電，能耗有限，物理性能相同。如果能量耗盡，傳感器不再工作。而且，源節(jié)點可以發(fā)送不同類型的數(shù)據(jù)報文，中間節(jié)點負責(zé)執(zhí)行相同類型的報文網(wǎng)內(nèi)聚合。不相鄰的節(jié)點通過逐跳相互通信。節(jié)點發(fā)送n個大小為k位的數(shù)據(jù)包到距離d，經(jīng)過數(shù)據(jù)聚合后將這些數(shù)據(jù)包變?yōu)?個數(shù)據(jù)包。如果聚合后的數(shù)據(jù)包大于k，它將被分割為大小為k的多個包。如果聚合后的數(shù)據(jù)包小于k，它將被放大到k。算法2顯示了用于數(shù)據(jù)聚合的偽代碼。

3 基于接收閾值的擁塞控制

在WSN中，基于結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議常被用來發(fā)現(xiàn)源-目的地對之間的用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓潭窂?。?dāng)下一跳節(jié)點的能量耗盡或者網(wǎng)絡(luò)故障導(dǎo)致路由失敗時，建立新的路徑。因此，路由維護成本高，控制負載均衡也是一項艱巨的任務(wù)。另一方面，無結(jié)構(gòu)路由協(xié)議動態(tài)選擇下一跳節(jié)點進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。因此，在每輪通信中，可以動態(tài)地選擇不同的路由路徑。這種無結(jié)構(gòu)的路由可以提供負載均衡和容錯能力，減少擁塞的可能性。

路由協(xié)議中發(fā)生擁塞的原因可以歸納為：路由中下一跳節(jié)點的選擇采用啟發(fā)式策略，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中連接密度大的節(jié)點接收到大量報文，而當(dāng)該類節(jié)點想要再次將接收到的報文信息轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點時，所需的時間會很長。如果節(jié)點接收報文的速率大于報文發(fā)送的速率，隨著時間的推移，節(jié)點的剩余可用緩存逐漸減少，最后出現(xiàn)緩存溢出現(xiàn)象，也叫作節(jié)點擁塞。

在路由協(xié)議中，節(jié)點A依照數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)算法向節(jié)點B轉(zhuǎn)發(fā)報文m。為了防止節(jié)點B中出現(xiàn)緩存溢出現(xiàn)象，本文設(shè)置一個閾值，用來限制節(jié)點接收報文：當(dāng)節(jié)點B接收到m報文后，節(jié)點B在C時間段內(nèi)將接收到的所有報文信息成功轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點的概率是PC，設(shè)定一個節(jié)點B的閾值pThres，那么節(jié)點B接收報文m的條件為PC>pThres，如果此條件不滿足，則拒絕接收。利用pThres來調(diào)整節(jié)點的擁塞程度。

由以上描述，在節(jié)點接收報文時附加一個額外條件，使節(jié)點的報文接收和報文發(fā)送呈現(xiàn)平衡狀態(tài)，避免了節(jié)點擁塞情況的發(fā)生。網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點都能根據(jù)自身情況，合理、動態(tài)地調(diào)整自身閾值，使網(wǎng)絡(luò)中的擁塞達到最小，實現(xiàn)擁塞控制。以下為基于接收閾值的擁塞控制策略具體步驟：

步驟1節(jié)點A和節(jié)點B通過鄰居發(fā)現(xiàn)互相檢測。

步驟2節(jié)點A和節(jié)點B把自身攜帶信息中有關(guān)對方的目的地址互相遞交，節(jié)點A依照數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)算法，把自身緩存中能傳遞給節(jié)點B 的報文信息打包放入一個List1列表中，整體傳遞給節(jié)點B。該報文信息主要包括標(biāo)識符ID、報文被傳輸?shù)奶鴶?shù)hop、目的節(jié)點DstID等。

步驟3節(jié)點B接收報文信息的集合List1，并計算出其能在C時間段內(nèi)將所有報文信息成功轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點的概率PC。如果PC>pThres，則節(jié)點B將該報文信息的(ID、hop、PC)打包放入List2列表中。

步驟4節(jié)點B告知節(jié)點A自身需要的報文種類及順序。

步驟52個節(jié)點A、B間的報文接收轉(zhuǎn)發(fā)完成后，節(jié)點B更新自身的擁塞程度，并動態(tài)地調(diào)整自身閾值。

圖1給出了本文提出的路由協(xié)議基本流程圖。

4 仿真分析

4.1 仿真設(shè)置

本文通過NS-2.30來評估提出協(xié)議的性能。仿真的目的是將本文提出的協(xié)議與現(xiàn)有的無結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)聚合協(xié)議RAG[14]和SFEB[15]進行比較。表1總結(jié)了所提出的協(xié)議的仿真參數(shù)。

圖1 本文協(xié)議流程

本文考慮在500 m×500 m的區(qū)域內(nèi)隨機部署200～1 000個傳感器節(jié)點。傳感器節(jié)點的傳輸范圍(dtran)被設(shè)置為50 m，數(shù)據(jù)速率為1～100 kbit/s。傳感器節(jié)點的感應(yīng)范圍是50 m。數(shù)據(jù)包長度為60個字節(jié)。每個傳感器節(jié)點具有0.6 J的初始能量。發(fā)送和接收比特的能量消耗是50 nJ/bit。傳感、聚合和無線電放大所消耗的能量分別為0.083 J/s、5 nJ/bit/signal信號和10 pJ/bit/m2。事件是每隔一定時間間隔(3～10 s)隨機產(chǎn)生的。具有相同事件ID的數(shù)據(jù)包可以被聚合。每個節(jié)點的緩沖區(qū)長度設(shè)置為65個數(shù)據(jù)包。傳感區(qū)域被隨機分為若干子區(qū)域，每個子區(qū)域在每個模擬中隨機分配傳感可靠性要求。本文運行模擬10次，每次35 s。取其平均值作為最終結(jié)果。

4.2 性能分析

比較本文提出的協(xié)議與其他現(xiàn)有協(xié)議在平均能量消耗、丟包率和端到端延遲方面的表現(xiàn)。平均能量消耗是評估WSN性能的最重要參數(shù)。它顯示了數(shù)據(jù)傳輸過程中的能耗，有助于預(yù)測整個傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。本文為每個生成的數(shù)據(jù)包設(shè)置RAG中的“Time-To-Deadline(TTD)”，以計算丟包率。端到端延遲是指從生成數(shù)據(jù)包傳送到目的地的時間。

表1 仿真參數(shù)

4.2.1平均能量消耗

圖2～4分別給出了3種協(xié)議在不同數(shù)據(jù)速率、事件生成時間和節(jié)點數(shù)量方面的平均能量消耗比較。由圖可知，隨著數(shù)據(jù)速率、感知能力、事件生成時間和節(jié)點數(shù)量的增加，本文協(xié)議比RAG協(xié)議和SFEB協(xié)議節(jié)省更多的能量。RAG協(xié)議采用等待策略來有效聚合數(shù)據(jù)包，以節(jié)約能源并消除原始數(shù)據(jù)的固有冗余。在SFEB協(xié)議中，所有節(jié)點都傳輸數(shù)據(jù)。在本文協(xié)議中，由于選擇性地轉(zhuǎn)發(fā)和聚合數(shù)據(jù)，這樣就節(jié)省了將數(shù)據(jù)包廣播給整個鄰居節(jié)點的時間，減少了多跳傳輸中的流量負載。

4.2.2丟包率

圖5～7分別給出了3種協(xié)議在不同數(shù)據(jù)速率、事件生成時間和節(jié)點數(shù)量方面的丟包率比較。當(dāng)一個事件發(fā)生在一個感知域時，RAG協(xié)議和SFEB協(xié)議傳輸所有源節(jié)點的感知數(shù)據(jù)，本文協(xié)議則有選擇地傳輸數(shù)據(jù)包以滿足傳輸可靠性標(biāo)準。

圖2 不同數(shù)據(jù)速率的平均能量消耗

圖3 不同事件生成時間的平均能量消耗

圖4 不同節(jié)點數(shù)量的平均能量消耗

在圖5中，丟包率隨著數(shù)據(jù)速率的增加而增加。由于本文協(xié)議中源節(jié)點的數(shù)量少于RAG協(xié)議和SFEB協(xié)議，所以本文協(xié)議比RAG協(xié)議和SFEB協(xié)議有更小的丟包率。圖6中，隨著事件生成間隔時間的增加，3種協(xié)議的丟包率均逐漸減小。流量負載隨著事件生成間隔時間的增加而減小，因此丟包率也越來越小。此外，由于本文協(xié)議中的流量負載較少，所以本文協(xié)議的丟包率比RAG協(xié)議和SFEB協(xié)議要小。圖7為節(jié)點數(shù)量和丟包率的關(guān)系。由于在WSN中部署密集的傳感器來感知區(qū)域中事件的發(fā)生，所以一個區(qū)域中可能有大量的傳感器節(jié)點，一個事件可能被多個傳感器感知和傳送。本文協(xié)議采用近源匯聚對事件信息進行匯總，在節(jié)點數(shù)量較高時表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。

圖5 不同數(shù)據(jù)速率下的丟包率

圖6 不同事件生成時間的丟包率

圖7 不同節(jié)點數(shù)量的丟包率

4.2.3端到端延遲

圖8～10給出了3種協(xié)議在不同數(shù)據(jù)速率、事件生成時間和節(jié)點數(shù)量方面的端到端延遲比較。本文的等待策略根據(jù)數(shù)據(jù)包的最后期限動態(tài)調(diào)整聚合節(jié)點中的等待時間限制。

從圖8可以看出，3種協(xié)議的端到端延遲隨著數(shù)據(jù)速率的增加而增加。在RAG協(xié)議中，由于數(shù)據(jù)速率的增加，路徑擁塞也增加，導(dǎo)致端到端延遲緩慢增加。而由于路徑擁塞、等待時間等因素，SFEB協(xié)議的端到端延遲隨著數(shù)據(jù)速率的增加而成比例地增加。由于本文協(xié)議選擇的發(fā)送者數(shù)量較少，所以比RAG協(xié)議和SFEB協(xié)議具有更少的流量負載。另外，本文協(xié)議融合了基于接收閾值的擁塞控制策略，因此在端到端延遲方面，本文協(xié)議的性能優(yōu)于其他協(xié)議。圖9顯示了不同事件生成時間的端到端延遲。流量負載和事件報告頻率隨著事件發(fā)生時間的增加而降低。因此，3種協(xié)議的端到端延遲減少。

3種協(xié)議的端到端延遲與節(jié)點數(shù)量的關(guān)系如圖10所示。在SFEB協(xié)議中，數(shù)據(jù)聚合時間取決于聚合樹的下游節(jié)點。聚合樹隨著節(jié)點密度的增長而增長，因此SFEB協(xié)議中的端到端延遲增加。RAG協(xié)議的等待時間是通過聚合過程中的中間節(jié)點計算的。它基于敏感的報文傳送時間(截止時間TTD)來聚集報文。在RAG協(xié)議和本文協(xié)議中，數(shù)據(jù)包的優(yōu)先傳輸時間表有助于滿足延遲敏感數(shù)據(jù)包的截止期限。因此，在高節(jié)點密度下，RAG協(xié)議和本文協(xié)議比SFEB協(xié)議執(zhí)行更好的數(shù)據(jù)包傳輸。然而，由于實時數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，本文提出的協(xié)議在延遲方面優(yōu)于RAG協(xié)議和SFEB協(xié)議。

圖8 不同數(shù)據(jù)速率的端到端延遲

圖9 不同事件生成時間的端到端延遲

圖10 不同節(jié)點數(shù)量的端到端延遲

5 結(jié)束語

本文提出了一種能量有效的近源數(shù)據(jù)聚合路由協(xié)議。在該協(xié)議中，將感測區(qū)域分成可靠性要求不同的子區(qū)域，允許選定數(shù)量的發(fā)送者根據(jù)可靠性要求發(fā)送感測數(shù)據(jù)。這不僅節(jié)省了傳感器的能耗，而且減少了網(wǎng)絡(luò)中的流量負載。較少的流量負載和融入的擁塞控制策略也減少了由于擁塞和丟失恢復(fù)造成的端到端延遲。此外，本文協(xié)議中使用的無結(jié)構(gòu)近源數(shù)據(jù)聚合方法還節(jié)省了由于結(jié)構(gòu)構(gòu)建而導(dǎo)致的能量消耗，提高了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能。

在將來的研究中，考慮將提出的協(xié)議進一步進行修改和測試，使其能應(yīng)用到動態(tài)環(huán)境的需求。