陳明明, 王 寧,3,陳 亮,陳育智

(1. 廈門華廈學院, 福建 廈門 361026；2. 新一代信息通信技術(shù)與智慧教育福建省高校工程研究中心, 福建 廈門 361026；3. 廈門大學, 福建 廈門 361005；4. 昆明理工大學,云南 昆明 650504)

0 引 言

無線傳感網(wǎng)絡(luò) (Wireless Sensor Networks，WSNs)[1-2]是由微型、低成本的傳感節(jié)點自組連通的網(wǎng)絡(luò)。每個傳感節(jié)點能夠感測、傳輸和接收數(shù)據(jù)。這些節(jié)點是由電池供電。當節(jié)點電池耗盡，不便于補充能量。而一旦節(jié)點能量耗盡，節(jié)點就失效，并無法工作。因此，有效地利用節(jié)點能量成為WSNs的研究熱點之一。

而傳輸數(shù)據(jù)所消耗的能量占據(jù)節(jié)點的80%。因此，高效地完成數(shù)據(jù)傳輸策略能夠降低能耗[3]。傳感節(jié)點需要實時感測數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)傳輸至信宿。由于傳感節(jié)點失效，網(wǎng)絡(luò)連通率并不高，降低了數(shù)據(jù)包傳遞成功率，這給數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃蕴岢隽颂魬?zhàn)。

傳染路由(Gossip)是典型的容錯路由[4]。當傳感節(jié)點需要將數(shù)據(jù)傳輸至控制中心(信宿)，它就從鄰居節(jié)點中隨機選擇一個節(jié)點作為下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點)。然后，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點再從它的鄰居節(jié)點中選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，直到信宿收到數(shù)據(jù)。信宿可能收到來自不同路徑的同一份數(shù)據(jù)多個復(fù)本。這增加了冗余。

此外，由于多個節(jié)點參與轉(zhuǎn)發(fā)/接收數(shù)據(jù)，消耗了大量的能量。因此，控制參與節(jié)點數(shù)是十分重要的?？赏ㄟ^優(yōu)先策略，只選擇部分節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。只允許部分節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)，也減少數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的復(fù)本數(shù)。最終，能夠減少能耗，提高網(wǎng)絡(luò)壽命。

目前，有基于概率、計數(shù)和距離產(chǎn)生轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點方案。其中概率方案最簡單、易實施。節(jié)點以一定概率從鄰居節(jié)點選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。而基于計數(shù)方案是依據(jù)離目的節(jié)點的跳數(shù)選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點?；诰嚯x方案是通過依據(jù)節(jié)點位置信息選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。

實質(zhì)上，控制參與路由的節(jié)點數(shù)是降低Gossip路由能耗的關(guān)鍵。為此，提出基于能耗均衡的傳染路由(Energy Consumption Balance-Gossip, ECB-G)。ECB-G路由通過鄰居節(jié)點的位置和能量信息選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，減少參與數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點，進而控制能耗。同時，依據(jù)節(jié)點的距離信息擇優(yōu)選擇下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，從而構(gòu)建穩(wěn)定的路由，減少重傳次數(shù)，提高帶寬利用率。仿真結(jié)果證實了ECB-G路由在能耗和帶寬利用率方面具有良好的性能。

1 系統(tǒng)模型

1.1 ECB-G路由概述

用連通圖G(V,E)表示W(wǎng)SN拓撲結(jié)構(gòu)，其中V為頂點集，表示傳感節(jié)點。而E為邊集，表示節(jié)點間直接連通的鏈路。假定網(wǎng)絡(luò)有N個節(jié)點。令(xi,yi)表示第i個節(jié)點si的位置。

整個ECB-G路由由四個階段構(gòu)成，如圖1所示。首先，發(fā)送請求數(shù)據(jù)包，再計算距離，然后選擇最優(yōu)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，最后轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。

圖1 ECB-G路由框架

當節(jié)點需要傳輸數(shù)據(jù)Data，就向鄰居節(jié)點發(fā)送請求數(shù)據(jù)包(Request Packet, RQP)，旨在收集鄰居節(jié)點的信息。一旦收到RQP，鄰居節(jié)點就回復(fù)數(shù)據(jù)包(Reply Packet, RPP)，其包含節(jié)點的剩余能量和位置信息。

再依據(jù)鄰居節(jié)點的能量和位置信息，計算節(jié)點成為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點概率的分值。再選擇具有最高分值的節(jié)點作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。最后，由轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。

1.2 能量模型

采用如圖2所示的能耗模型[5]。令Esd(m,d)表示傳輸m比特數(shù)據(jù)、傳輸距離d時節(jié)點消耗的能量：

(1)

圖2 能量消耗模型

2 ECB-G路由

2.1 能效均衡因子

令E0表示節(jié)點的初始能量。假定所有節(jié)點具有相同初始能量。令Er(i)表示節(jié)點si的剩余能量。能效均衡因子考慮節(jié)點能量消耗速度以及其鄰居節(jié)點的平均剩余能量。

考慮平均剩余能量的原因在于：若節(jié)點自身具有高的剩余能量，但其鄰居節(jié)點的剩余能量低。這容易使節(jié)點處于“孤立無援”狀態(tài)，也無法將數(shù)據(jù)傳輸出去。

令ae(i)表示節(jié)點si的能效均衡因子，其定義如式(2)所示：

(2)

其中ni表示節(jié)點si的鄰居節(jié)點集，而|ni|表示集ni的節(jié)點數(shù)。sj表示節(jié)點si的一個鄰居節(jié)點，sj∈ni。

2.2 距離遠近因子

再依據(jù)距離遠近因子選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。具體而言，節(jié)點si需從其|ni|個鄰居節(jié)點中選擇具有距離最優(yōu)的節(jié)點作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。

令bd(i,j)表示節(jié)點si離節(jié)點sj的距離遠近因子，其定義如式(3)所示：

(3)

其中di,j表示節(jié)點si離節(jié)點sj的歐式距離。而di,sink、dj,sink分別表示節(jié)點si離信宿sink、節(jié)點sj離信宿sink的歐式距離。如圖3所示。圖中的虛線圓圈表示節(jié)點si的通信范圍。節(jié)點sj為節(jié)點si的一個鄰居節(jié)點。

圖3 距離示意圖

2.3 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)

當節(jié)點si需要數(shù)據(jù)，就向鄰居節(jié)點發(fā)送RQP，其包含了自己位置。再監(jiān)聽，并收集鄰居節(jié)點回復(fù)RRP包，進而獲取鄰居節(jié)點的位置和能量信息。然后就廣播Datai。

鄰居節(jié)點(假定是節(jié)點sj)先依據(jù)分別式(2)、式(3)計算能效均衡因子和距離遠近因子。再依據(jù)式(4)計算節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)分值。令Fj表示節(jié)點sj的轉(zhuǎn)發(fā)分值：

Fj=ae(i)+bd(i,j)

(4)

為了使具有最高分值的節(jié)點成為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。每個節(jié)點(假定是節(jié)點sj)依據(jù)自己的分值設(shè)定定時器，且定時器的時長與分值成反比。一旦定時完畢，且沒有監(jiān)聽到其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)Datai，自己就立即轉(zhuǎn)發(fā)Datai。重復(fù)上述過程，直到數(shù)據(jù)包傳輸至信宿。整個流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)流程

3 性能仿真

3.1 仿真環(huán)境

利用NS2++軟件建立仿真平臺。傳感節(jié)點分布于80 m×60 m的矩形區(qū)域，信宿位于區(qū)域中心，且位置為(40,30)。節(jié)點傳輸范圍為20 m，所有節(jié)點的初始能量為0.5 J。具體的仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

為了更好地分析ECB-G路由性能，選擇傳統(tǒng)的Gossip和文獻[6]提出的基于公平高效的位置Gossip路由(FEL-G)作為參照，并分析它們的傳輸時延、帶寬利用率、網(wǎng)絡(luò)壽命性能。其中，傳輸時延是指成功接收數(shù)據(jù)的平時時延。用式(5)計算帶寬利用率[7]：

λb=(Nme-Nre)/Nme

(5)

其中Nme表示所接收的數(shù)據(jù)包數(shù)。而Nre表示重傳的數(shù)據(jù)包數(shù)。

選擇每個節(jié)點失效的時間和最后一個節(jié)點失效時間評估網(wǎng)絡(luò)壽命[8]，且單位為輪(Round)。本文只考慮節(jié)點因能量消耗殆盡所導(dǎo)致的失效[9-10]，不考慮其他原因。

3.2 數(shù)據(jù)分析3.2.1 平均傳輸時延

首先分析數(shù)據(jù)傳輸時延隨節(jié)點數(shù)的變化情況。從圖5可知，數(shù)據(jù)傳輸時延隨節(jié)點數(shù)增加而上升。原因在于：數(shù)據(jù)傳輸時延隨網(wǎng)絡(luò)尺寸影響。節(jié)點數(shù)越多，導(dǎo)致的時延越長。此外，傳統(tǒng)的Gossip路由的傳輸時延最低。這是主要是因為：傳統(tǒng)的Gossip路由在選擇下一跳節(jié)點時，并沒有進行額外的計算，只是隨機地選擇下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。而FEL-G路由和ECB-G路由是通過計算，選擇下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，這增加了計算時延。

圖5 平均傳輸時延隨節(jié)點數(shù)的變化情況

3.2.2帶寬利用率

圖6顯示了三個路由協(xié)議的帶寬利用率。從圖6可知，相比于傳統(tǒng)的Gossip路由和FEL-G路由，提出的ECB-G路由的帶寬利用率得到提高。原因在于：ECB-G路由通過能耗均衡因子和距離遠近因子選擇下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，提高了路由的穩(wěn)定性，減少了重傳數(shù)據(jù)包次數(shù)。

圖6 帶寬利用率

3.2.3網(wǎng)絡(luò)壽命

圖7、8分別表示三個路由協(xié)議的第一個節(jié)點失效時間和最后一個節(jié)點失效時間。從圖6可知，傳統(tǒng)Gossip路由最早發(fā)生第一個節(jié)點失效，在整個節(jié)點變化的期間，它都是最先出現(xiàn)么一個失效節(jié)點。

圖7 第一個失效節(jié)點出現(xiàn)的時間

圖8 最后一個失效節(jié)點出現(xiàn)的時間

從圖8可知，提出的ECB-G路由的最后一個失效節(jié)點出現(xiàn)的時間最晚，性能優(yōu)于傳統(tǒng)Gossip路由和FEL-G路由。這充分說明，ECB-G路由通過減少重傳次數(shù)、參與路由的節(jié)點，緩解了網(wǎng)絡(luò)能耗的速度。

4 結(jié) 語

針對Gossip路由的能耗問題，提出能耗均衡的Gossip路由改進路由ECB-G。ECB-G路由通過控制參與路由的節(jié)點數(shù)，減少能耗。利用鄰居節(jié)點的剩余能量和地理位置，選擇下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，限定了轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的節(jié)點。仿真結(jié)果表明，相比于Gossip路由，提出的ECB-G路由有效地降低了能耗，并提高了帶寬利用率。