李 丹 陳傳峰
摘 要:結(jié)合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)面向應(yīng)用的實(shí)際需求,提出一種新穎的能量感知型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層協(xié)議ECLC,并給出了實(shí)現(xiàn)過(guò)程和仿真結(jié)果?;谥攸c(diǎn)關(guān)注熱點(diǎn)能耗的策略,綜合WSN在能量高效、可擴(kuò)展性、服務(wù)質(zhì)量等方面的不同要求,設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單可靠、易于實(shí)現(xiàn)的跨層式WSN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。仿真結(jié)果表明:ECLC協(xié)議在傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)層面較好地改善能量消耗的有效性和均衡性,因而避免了網(wǎng)絡(luò)中熱點(diǎn)的過(guò)早出現(xiàn),延長(zhǎng)了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存期。
關(guān)鍵詞:無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò);跨層協(xié)議;能量高效;熱點(diǎn)
中圖分類(lèi)號(hào):TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B
文章編號(hào):1004-373X(2009)05-007-04
Energy-aware Cross-layer Communication Protocol for Wireless Sensor Network
LI Dan,CHEN Chuanfeng
(Institute of Physics and Information Engineer,Fuzhou University,Fuzhou,350004,China)
Abstract:This paper proposes a new type of energy-aware cross-layer protocol for Wireless Sensor Network(WSN),and gives the realization process and simulation results.From the actual application of WSN,integrating energy high-efficiency,expandability,quality of service and other different requirements,this paper designs the protocol,which focuses on the strategy of hotspot.The simulation result shows:this protocol can enhance the efficiency and balance of energy consumption in terms of sensor networks system,therefore,the premature emergence of hot spots is avoided and the life span for the whole network is prolonged.
Keywords:wireless sensor networks;cross-layer protocol;energy-efficient;hotspot
0 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[1]。
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 R C等人則直接設(shè)計(jì)了基于能量?jī)?yōu)化的路由協(xié)議[4]。然而后續(xù)研究表明[3,5,6],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 Protocol),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[2] :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?
И
η=e玦n玙玏SN獶玏SN=∑ni=1e玦n玙i
/∑ni=1D璱
(1)
И
其中:玡璱n-WSN表示整個(gè)WSN的初始能量;獶璚SN為WSN在整個(gè)生存期內(nèi)探測(cè)到的數(shù)據(jù)量;玡璱n-玦為節(jié)點(diǎn)玦的初始能量;D璱為節(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[2,4,7]: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?
И
σ2=E[e玶em-E(e玶em)]2
(2)
И
其中:隨機(jī)變量玡璻em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[8-10]:從網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始工作到有一定數(shù)量的節(jié)點(diǎn)死亡[7]。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[5]。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[9],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(xiāo),提高信息傳輸效率。
1.4 服務(wù)質(zhì)量(QoS)
WSN協(xié)議的QoS[10]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)獳可以直接通信的節(jié)點(diǎn)稱(chēng)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V瑼 。
前向鄰居(Forward Vicinage):數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中可以成為節(jié)點(diǎn)獳下一跳節(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FVS瑼。
后向鄰居(Backward Vicinage):如果節(jié)點(diǎn)獳是節(jié)點(diǎn)B的前向鄰居,那么節(jié)點(diǎn)B就稱(chēng)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BVS瑼 。
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[11]。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。
圖1 CSMA/CA 的基本訪問(wèn)機(jī)制
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HELLO消息,其格式如圖2所示。
圖2 HELLO消息幀格式
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(chēng)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0,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;
HELLO:消息內(nèi)容;
HOT:發(fā)送該消息的節(jié)點(diǎn)“熱度”;
ONM: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0。
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:
圖3 COUNTERSIGN消息幀格式
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HELLO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HELLO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。
表1 仿真過(guò)程的參數(shù)設(shè)置
參數(shù)項(xiàng)值
路由協(xié)議AODV/DSR/SPEED/GPSR/SPIN/ECLC
MAC協(xié)議802.11
物理信道AWGN
數(shù)據(jù)包大小64 Kb
傳輸帶寬32 Kb/s
布設(shè)范圍200×100
最大通信距離30 m
節(jié)點(diǎn)分布方式隨機(jī)
節(jié)點(diǎn)數(shù)量120
3.1 ECLC的能耗特性分析
圖5表示了AODV[12],DSR[13],SPEED[2],GPSR[14],SPIN[3](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[8],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)。
圖5 各種協(xié)議能耗比較圖(ECLC未采用跨層優(yōu)化)
圖6 各種協(xié)議能耗比較圖(ECLC啟用了跨層優(yōu)化)
圖7 網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間
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ECLC,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。
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作者簡(jiǎn)介 李 丹 女,1983年出生,碩士研究生。研究方向?yàn)闊o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。