無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的跨層式通信協(xié)議ECLC的設(shè)計(jì)與仿真研究

引 言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）是一種特殊的無(wú)線自組織通信網(wǎng)絡(luò)。其區(qū)別于傳統(tǒng)無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)包括：節(jié)點(diǎn)數(shù)量特別巨大、節(jié)點(diǎn)硬件功能簡(jiǎn)單、應(yīng)用場(chǎng)境復(fù)雜、各種資源受限等。能量資源受限是WSN主要的瓶頸之一。

能量感知型WSN協(xié)議重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)高效利用能量的重要性，其設(shè)計(jì)思想主要是在WSN各層協(xié)議中引入能量?jī)?yōu)化算法，通過(guò)控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能耗平穩(wěn)性和高效性，從而達(dá)到在系統(tǒng)層面上改善傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗特性、減少傳感器網(wǎng)絡(luò)的熱點(diǎn)并延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存周期的目的。為了解決能耗問(wèn)題，研究者提出了眾多的解決途徑，文獻(xiàn)［2］提出的SPEED協(xié)議采用基于位置的思想，提供擁塞控制和軟實(shí)時(shí)保障，從而降低通信沖突；文獻(xiàn)［3］提出的SPIN協(xié)議則是利用基于數(shù)據(jù)的思想，通過(guò)引入抽象的元數(shù)據(jù)概念避免資源的盲目利用；Shah RC等人則直接設(shè)計(jì)了基于能量?jī)?yōu)化的路由協(xié)議。然而后續(xù)研究表明，在網(wǎng)絡(luò)某一層單獨(dú)引入能量?jī)?yōu)化策略的效果并不明顯，并且可能會(huì)惡化其他層的能耗特性?？鐚觾?yōu)化思想利用網(wǎng)絡(luò)各層信息的有機(jī)交互，可以避免各層獨(dú)立優(yōu)化時(shí)引起的層間干擾。

本文基于這一思想，設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單可靠的跨層式通信協(xié)議ECLC（Cross-Layer Communication Proto-c0l），仿真結(jié)果表明：ECLC協(xié)議在保障網(wǎng)絡(luò)流量和網(wǎng)絡(luò)效率的前提下，可以較好地改善網(wǎng)絡(luò)的能耗特性，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。

1 ECLE協(xié)議的設(shè)計(jì)目標(biāo)

ECLC協(xié)議首要目標(biāo)是改善整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能耗特性；利用路由層與MAC層之間交互各自的能量信息，因此設(shè)計(jì)目標(biāo)完全以實(shí)際應(yīng)用的需求和可實(shí)現(xiàn)性為出發(fā)點(diǎn)。

1．1 能耗特性

網(wǎng)絡(luò)整體能耗效率：整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存周期內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)總能量（全部節(jié)點(diǎn)的初始能量之和）與整個(gè)網(wǎng)絡(luò)采集到的數(shù)據(jù)量之比值?？杀硎緸椋?/p>

其中：ein-WSN表示整個(gè)WSN的初始能量；Dwsn為WSN在整個(gè)生存期內(nèi)探測(cè)到的數(shù)據(jù);ein-i為節(jié)點(diǎn)i的初始能量；Di為節(jié)點(diǎn)i在其生存期內(nèi)探測(cè)到的全部數(shù)據(jù)；n為該WSN節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。該指標(biāo)衡量了WSN路由協(xié)議的整體能量效率。

網(wǎng)絡(luò)能耗平穩(wěn)度：在任意時(shí)刻，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)剩余能量的均方誤差?？杀硎緸椋?/p>

其中：隨機(jī)變量erem表示W(wǎng)SN節(jié)點(diǎn)的剩余能量。剩余能量均方誤差衡量了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能耗的平穩(wěn)性，通過(guò)控制剩余能量均方誤差，可防止部分節(jié)點(diǎn)過(guò)早耗盡能量。

網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間：從網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始工作到有一定數(shù)量的節(jié)點(diǎn)死亡。該指標(biāo)主要從時(shí)間角度考察了路由協(xié)議的整體性能；在WSN的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間是很關(guān)鍵的指標(biāo)之一。

1．2 可擴(kuò)展性與容錯(cuò)能力

由于WSN的應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜多變，節(jié)點(diǎn)失效、節(jié)點(diǎn)位置變化、新節(jié)點(diǎn)的加入都會(huì)引起網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，這就要求網(wǎng)絡(luò)協(xié)議具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性。另外由于節(jié)點(diǎn)死亡或無(wú)線鏈路本身的缺點(diǎn)會(huì)造成通信失敗等故障，因而又對(duì)協(xié)議的容錯(cuò)能力有較高要求。

1．3 快速收斂性

WSN的能量和通信帶寬等資源十分有限，因此要求協(xié)議能夠快速收斂，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)變化，減少通信協(xié)議開(kāi)銷，提高信息傳輸效率。

1．4 服務(wù)質(zhì)量（QoS）

WSN協(xié)議的QoS主要包括傳輸時(shí)延、數(shù)據(jù)精度、帶寬利用率等指標(biāo)。一旦考慮了服務(wù)質(zhì)量，那么必然要在QoS和能耗特性之間選擇平衡。

2 ECLC協(xié)議的描述

2．1 基本定義

為了后面描述的方便，先給出以下基本定義：鄰居（Vicinage）：與節(jié)點(diǎn)A可以直接通信的節(jié)點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)A的鄰居。節(jié)點(diǎn)A的所有鄰居構(gòu)成它的鄰域，記為VA。

前向鄰居（Forward Vicinage）：數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中可以成為節(jié)點(diǎn)A下一跳節(jié)點(diǎn)的鄰居。節(jié)點(diǎn)A的所有前向鄰居構(gòu)成它的前向鄰居集；記為FVSA。

后向鄰居（Backward Vicinage）：如果節(jié)點(diǎn)A是節(jié)點(diǎn)B的前向鄰居，那么節(jié)點(diǎn)B就稱為節(jié)點(diǎn)A的后向鄰居。節(jié)點(diǎn)A的所有后向鄰居構(gòu)成它的后向鄰居集，記為BVSA。

目的節(jié)點(diǎn)（Termini Node）：不需其他節(jié)點(diǎn)路由，可直接將數(shù)據(jù)包發(fā)送給Sink的節(jié)點(diǎn)。

熱度：節(jié)點(diǎn)建立通信鏈路的頻繁程度。

2．2 信道接入

無(wú)線信道訪問(wèn)機(jī)制采用IEEE802．11 CSMA／CA機(jī)制。需要使用信道的節(jié)點(diǎn)首先偵聽(tīng)信道是否空閑，如果信道空閑且經(jīng)過(guò)一個(gè)DIFS時(shí)序間隔后仍為空閑狀態(tài)，那么發(fā)送節(jié)點(diǎn)直接開(kāi)始發(fā)送分組數(shù)據(jù)；否則發(fā)送節(jié)點(diǎn)一直偵聽(tīng)信道直至信道最終空閑下來(lái)并且超過(guò)DIFS時(shí)序間隔，此時(shí)發(fā)送節(jié)點(diǎn)將啟動(dòng)退避機(jī)制。圖1描述了CSMA／CA機(jī)制的基本訪問(wèn)方式。

2．3 鏈路選擇

當(dāng)系統(tǒng)布設(shè)完畢進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后，Sink節(jié)點(diǎn)開(kāi)始廣播HELL0消息，其格式如圖2所示。

該數(shù)據(jù)包共16個(gè)字節(jié)，其各字段含義如下：

NOP：用來(lái)標(biāo)識(shí)采用何種協(xié)議，包括協(xié)議的名稱代碼、版本號(hào)等信息；

TID：HELLo消息的來(lái)源，因?yàn)橄到y(tǒng)中往往不止一個(gè)節(jié)點(diǎn)可直接向Sink發(fā)送數(shù)據(jù)；

NOT：該數(shù)據(jù)包被轉(zhuǎn)發(fā)的次數(shù)，Sink節(jié)點(diǎn)廣播此消息時(shí)該字段為O，每轉(zhuǎn)發(fā)一次，該字段值加1，終節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)此字段值為1；

TRID：發(fā)出該數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)ID；

EREM：發(fā)出該數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前剩余能量；

HELL0：消息內(nèi)容；

HOT：發(fā)送該消息的節(jié)點(diǎn)“熱度”；

0NM：用來(lái)標(biāo)記每次建立路由，在一次建立路由過(guò)程中，消息編碼固定，Sink節(jié)點(diǎn)移動(dòng)位置或其他情況下需要重建路由時(shí)，修改該字段；

SP：用來(lái)填補(bǔ)該數(shù)據(jù)包的空余，該字段值為O。

當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)收到此消息后，完成下面動(dòng)作：

（1）檢測(cè)數(shù)據(jù)幀，檢測(cè)步驟如下：

①查看數(shù)據(jù)包的消息代碼字段，檢查與上次接收到的協(xié)議編號(hào)是否相同（首次接收到判為不同）；若相同轉(zhuǎn)步驟③；否則轉(zhuǎn)步驟②；

②清除鄰居列表信息，重新建表；

③查看HELLO消息數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)ID字段，若該節(jié)點(diǎn)已包括在后向鄰居列表中，則丟棄該包；

④將轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)ID添加到前向鄰居列表。

（2）發(fā)送一個(gè)名為“COUNTERSIGN”的確認(rèn)消息數(shù)據(jù)包，消息格式如圖3所示：

該數(shù)據(jù)包共有16個(gè)字節(jié)，各字段含義如下：

NOP：與HELLO消息的相應(yīng)字段相同；

TRID：產(chǎn)生并發(fā)送該消息的節(jié)點(diǎn)ID；

COUNTERSIGN：消息內(nèi)容；

REIDL：該字段包含了需接收該消息的全部節(jié)點(diǎn)ID；

SP：與HELL0消息的相應(yīng)字段相同。

（3）轉(zhuǎn)發(fā)HELLO消息，其過(guò)程為：

①修改轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)字段，給其值加1；

②將轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)ID、“熱度”、剩余能量替換為自己的相應(yīng)值；

③發(fā)送HELLO消息。

（4）接收確認(rèn)消息，修改其后向鄰居表。

2．4 建立通信鏈路

當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，它在自己的前向鄰居中選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為接收點(diǎn)，其選擇步驟如下：

（1）根據(jù)前向鄰居表內(nèi)各個(gè)鄰居的“熱度”，避開(kāi)比較熱的節(jié)點(diǎn)；

（2）啟用功率管理算法計(jì)算最佳傳輸距離范圍；

（3）在最佳傳輸距離范圍內(nèi)選擇剩余能量最大的節(jié)點(diǎn)作為它的下一跳。

2．5 數(shù)據(jù)傳輸

傳感器節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包格式如圖4所示，數(shù)據(jù)包中各字段含義如下：

NOP：與HELL0消息相同；

REID：接收該數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)ID；

NOT：表示該數(shù)據(jù)包被發(fā)送的次數(shù)；源節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)該字段值為1；

TRID：發(fā)送該數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)ID；

DATE：數(shù)據(jù)包的內(nèi)容；

SP：補(bǔ)充數(shù)據(jù)包的空余，該字段值為0。

圖4數(shù)據(jù)幀格式數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程如下：

（1）當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到該數(shù)據(jù)包時(shí)，檢測(cè)接收節(jié)點(diǎn)ID是否與自己ID一致，若不一致丟棄該包，再檢測(cè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)ID是否在自己的后向鄰居列表中，若發(fā)送節(jié)點(diǎn)ID不在自己后向鄰居列表中，則丟棄該包。否則接收該包并緩存。

（2）數(shù)據(jù)包被緩存后，該節(jié)點(diǎn)將該數(shù)據(jù)包的接收節(jié)點(diǎn)ID字段替換為它的下一跳ID，將發(fā)送節(jié)點(diǎn)ID字段修改為自己的ID，然后將數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。

3 仿真分析

利用OPNET仿真平臺(tái)對(duì)設(shè)計(jì)的通信協(xié)議進(jìn)行了仿真，在200×100的區(qū)域中，共隨機(jī)布設(shè)了120個(gè)節(jié)點(diǎn)，仿真環(huán)節(jié)的各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

3．1 ECLC的能耗特性分析

圖5表示了AODV，DSRE，SPEED，GPSR，SPIN（MAC層采用802．11協(xié)議），ECLC六種協(xié)議在傳輸相同數(shù)據(jù)量的條件下的能耗特性，可以看出：與其他幾種協(xié)議相比，未使用跨層交互機(jī)制時(shí)幾種協(xié)議能耗特性相差較小，原因是幾種協(xié)議的MAC層訪問(wèn)機(jī)制相同；而在開(kāi)啟跨層優(yōu)化功能后，ECLC可以很好地避免沖突與網(wǎng)絡(luò)擁擠，因而減少了能量浪費(fèi)。圖5是未開(kāi)啟跨層優(yōu)化時(shí)各種協(xié)議的能耗比較；圖6是開(kāi)啟跨層優(yōu)化后各種協(xié)議的能耗比較。

3．2 ECLC網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間的影響

在仿真路由協(xié)議對(duì)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間的影響時(shí)，選擇節(jié)點(diǎn)死亡數(shù)目超過(guò)1／3的時(shí)刻作為WSN的失效時(shí)刻，即在仿真時(shí)，當(dāng)死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)量達(dá)到40時(shí)，表示W(wǎng)SN死亡。圖7表示了多次仿真取算術(shù)平均值的網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間比較圖。從圖中可以看出，ECLC可以最大限度地延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存周期，這是因?yàn)镋CLC協(xié)議更好地控制了所有節(jié)點(diǎn)能量消耗的平穩(wěn)性，因而不會(huì)導(dǎo)致部分區(qū)域過(guò)早出現(xiàn)熱點(diǎn)而引發(fā)連鎖效應(yīng)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)采用跨層機(jī)制來(lái)交換層間能耗信息，設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單可靠的能量感知型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議ECL，并給出了實(shí)現(xiàn)過(guò)程。在理論分析的基礎(chǔ)上，用OPNET仿真平臺(tái)對(duì)所設(shè)計(jì)的協(xié)議進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明：ECLC通信協(xié)議對(duì)節(jié)點(diǎn)數(shù)量特別巨大的傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗特性有很好的改善作用，可以顯著改善整個(gè)WSN網(wǎng)絡(luò)能耗的均衡性，從而延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有很強(qiáng)的應(yīng)用相關(guān)性，后續(xù)工作將包括：進(jìn)一步優(yōu)化ECLC協(xié)議細(xì)節(jié)，增強(qiáng)其各種性能，尤其是增強(qiáng)可移植性，使其成為一種開(kāi)放式WSN通信協(xié)議。