基于停車誘導(dǎo)系統(tǒng)的能量均衡可靠路由協(xié)議的設(shè)計(jì)

周　雪，朱小明，陳立建，方　凱，雷艷靜，毛科技

（1.浙江廣播電視大學(xué)蕭山學(xué)院，杭州311200；2.浙江工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，杭州310032）

基于停車誘導(dǎo)系統(tǒng)的能量均衡可靠路由協(xié)議的設(shè)計(jì)

周雪1*，朱小明1，陳立建1，方凱2，雷艷靜2，毛科技2

（1.浙江廣播電視大學(xué)蕭山學(xué)院，杭州311200；2.浙江工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，杭州310032）

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量是有限的，如何設(shè)計(jì)一個(gè)能有效節(jié)能的路由協(xié)議是其研究的熱點(diǎn)之一。針對(duì)實(shí)際的停車位誘導(dǎo)系統(tǒng)提出了一種能量均衡的可靠路由協(xié)議。該協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)的初始階段先建立全局網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌缓蟾鶕?jù)能量代價(jià)函數(shù)選擇下一跳轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)上方有障礙物的時(shí)候更新節(jié)點(diǎn)的可靠度信息。由于綜合考慮了節(jié)點(diǎn)的剩余能量、跳數(shù)、鄰居節(jié)點(diǎn)的距離以及可靠度等因素，使得網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量的消耗得以均衡，達(dá)到延長網(wǎng)絡(luò)生命周期的目的。在仿真平臺(tái)對(duì)能量均衡的可靠路由協(xié)議進(jìn)行了仿真分析，并且和最短路徑路由進(jìn)行了對(duì)比，從網(wǎng)絡(luò)生命周期、網(wǎng)絡(luò)能量均值以及網(wǎng)絡(luò)能量方差三個(gè)方面分別分析，驗(yàn)證了本協(xié)議的優(yōu)越性。最后將協(xié)議應(yīng)用到實(shí)際的停車位誘導(dǎo)系統(tǒng)中，取得了較顯著的效果。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；停車誘導(dǎo)系統(tǒng)；能量均衡；可靠；路由協(xié)議

EEACC:6150P；7230doi:10.3969/j.issn.1004-1699.2015.09.024

隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器技術(shù)及嵌入式計(jì)算等高科技技術(shù)的發(fā)展，很多傳感器節(jié)點(diǎn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍事、商業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域［1］。由這些微型的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）受到了人們的極大關(guān)注，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生。無線傳感網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議的功能是在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間尋找一條保證數(shù)據(jù)分組能夠安全、高效傳輸數(shù)據(jù)的路徑。節(jié)點(diǎn)的能量一般有限，同時(shí)限于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的具體應(yīng)用，節(jié)點(diǎn)一般不會(huì)得到能量補(bǔ)充，所以路由協(xié)議在考慮數(shù)據(jù)分組的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)也要考慮能量的消耗問題；同時(shí)傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)分布的量大，使得節(jié)點(diǎn)只能通過局部的信息交換來獲取局部的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫螤睢＿@就要求路由協(xié)議能夠根據(jù)局部網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥龀雎窂竭x擇；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用相關(guān)性較強(qiáng)，路由選擇與應(yīng)用很有關(guān)系，不同的應(yīng)用路由算法差異很大［2］。

根據(jù)文獻(xiàn)［3］路由結(jié)構(gòu)、通信模式、狀態(tài)維護(hù)、節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)、路由建立時(shí)機(jī)和投遞方式等，無線傳感網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議可以分為很多種方式。目前比較典型的非基于位置的路由協(xié)議中，大量的研究人員相繼提出了flooding、gossiping［4］、SPIN［5］、directed diffusion［6］、rumor［7］、LEACH［8］等面向特定傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的路由協(xié)議。同時(shí)，在原有Ad hoc網(wǎng)研究的基礎(chǔ)上，繼承并改進(jìn)了諸如DSDV［9］、AODV［10］、DSR［11］等路由協(xié)議，使其更適應(yīng)于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)。這些協(xié)議中有許多已經(jīng)在實(shí)際的無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中實(shí)行，并取得了不錯(cuò)的效果。

能量均衡的路由協(xié)議主要是在層次路由協(xié)議中，國內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)［12］針對(duì)礦井的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提出了一個(gè)簇規(guī)模自適應(yīng)調(diào)節(jié)的能量均衡分簇路由協(xié)議，根據(jù)節(jié)點(diǎn)之間的距離、剩余能量和密度來構(gòu)造規(guī)模不等的簇，該協(xié)議考慮了鏈路能耗最優(yōu)和轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)間的能量均衡；也有學(xué)者從均衡節(jié)點(diǎn)能量消耗的角度設(shè)計(jì)了基于模糊梯度的能量均衡路由協(xié)議，對(duì)節(jié)點(diǎn)間的梯度值進(jìn)行模糊分級(jí)，并將等級(jí)選擇策略與質(zhì)量評(píng)價(jià)函數(shù)相結(jié)合進(jìn)行下一跳節(jié)點(diǎn)選擇，以實(shí)現(xiàn)全局的能量均衡［13］；鄭相全等人提出了一種基于跨層設(shè)計(jì)和蟻群優(yōu)化的負(fù)載均衡路由協(xié)議（CALRA），利用蟻群優(yōu)化算法特有的信息素?fù)]發(fā)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)替代路徑的老化問題，將蟻群優(yōu)化和跨層優(yōu)化方法結(jié)合起來解決自組網(wǎng)中的負(fù)載均衡問題［14］；朱丁丁等人采用了非均勻分簇的思想來平衡簇首的能量消耗，提出了一種新的負(fù)載均衡的基于能量?jī)?yōu)先分簇算法的WSN分層路由協(xié)議（LRP-EPCA），以簇首和基站作為樹根，生成簇內(nèi)和簇間的路由樹［15］；童孟軍等人綜合考慮了路徑的能量消耗速度、路徑上剩余的最小能量、距離目的節(jié)點(diǎn)Sink的跳數(shù)和路徑的擁塞程度，提出了一種基于蟻群算法的能量均衡多路徑路由算法［16］。

文獻(xiàn)［17］提出了一種基于能量狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)緩存路由算法，這個(gè)算法作為ECNC_AODV（能量約束節(jié)點(diǎn)緩存）建立路由協(xié)議AODV是衍生的協(xié)議。該算法基于當(dāng)前能源現(xiàn)狀和緩存節(jié)點(diǎn)每個(gè)節(jié)點(diǎn)。仿真結(jié)果顯示了ECNC_AODV AODV協(xié)議的比較和與性能參數(shù)如能量消耗由于路由控制包，路由開銷等；文獻(xiàn)［18］覺得當(dāng)前最先進(jìn)的節(jié)能路由技術(shù)是調(diào)查WMSNs連同其中的每個(gè)策略的性能問題，并概括了設(shè)計(jì)路由協(xié)議的挑戰(zhàn)為WMSNs其次是當(dāng)前技術(shù)的局限性為非多媒體數(shù)據(jù)傳輸；文獻(xiàn)［19］在能耗分析的基礎(chǔ)上對(duì)數(shù)據(jù)收發(fā)器、單跳轉(zhuǎn)發(fā)方案證明消耗更少的能量比多次反射轉(zhuǎn)發(fā)方案通信范圍內(nèi)的源傳感器，使用自由空間能量消耗模型。基于能量不等式，這個(gè)方法是用來計(jì)算程度的能量平衡?；谀：壿嫷哪芰?jī)?yōu)化的路由算法實(shí)現(xiàn)多參數(shù)、模糊路由決策。仿真結(jié)果表明，該算法有效地延長了網(wǎng)絡(luò)的生命周期，實(shí)現(xiàn)了能量效率和能量平衡在一起，與類似的算法；文獻(xiàn)［20］提出了一種基于PSO聚類協(xié)議和平衡的感知距離能量的雙簇頭的集中式網(wǎng)絡(luò)，主要是改善了原始粒子群優(yōu)化的適應(yīng)度函數(shù)優(yōu)化。此外，該算法數(shù)據(jù)傳輸階段的主要分工從簇頭，簇首選舉周期延長，該算法在均衡的能源消費(fèi)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期，同時(shí)擴(kuò)展整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

以上的一些研究都是基于能量?jī)?yōu)化的，但是大部分只停留在理論階段，或者沒有實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景。本文針對(duì)于實(shí)際的應(yīng)用項(xiàng)目--基于地磁傳感器的停車位誘導(dǎo)系統(tǒng)，提出了一種能量均衡的可靠路由協(xié)議，并取得了顯著的效果。

1　能量均衡的可靠路由協(xié)議

1.1能量均衡的可靠路由協(xié)議前提假設(shè)

本文假設(shè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有如下的性質(zhì)［21］:①節(jié)點(diǎn)具有唯一的ID，均勻分布在監(jiān)測(cè)區(qū)域；②所有節(jié)點(diǎn)固定并且能量有限，Sink位置固定但能量不受限；③所有的節(jié)點(diǎn)性能、結(jié)構(gòu)和地位都一致；④節(jié)點(diǎn)沒有位置感知能力，未安裝GPS定位功能的天線；⑤節(jié)點(diǎn)具有障礙物感知的能力；⑥節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)已知的傳輸功率和接收的信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算彼此之間的距離；⑦每個(gè)節(jié)點(diǎn)周期性地采集數(shù)據(jù)，并傳送至Sink節(jié)點(diǎn)。其中前面3項(xiàng)假設(shè)是一般的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的典型設(shè)置。第4點(diǎn)表明本算法不要求節(jié)點(diǎn)具有位置的感知能力。第5點(diǎn)表明節(jié)點(diǎn)可以感知到障礙物。第6點(diǎn)表明，節(jié)點(diǎn)直接可以根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度估算彼此之間的距離。第7點(diǎn)表明本算法適合周期性數(shù)據(jù)收集。

1.2網(wǎng)絡(luò)能量模型

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的能耗主要是節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的計(jì)算能耗和通信能耗，而通信能耗占主導(dǎo)地位。在無線傳輸?shù)陌l(fā)送和接收數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)能量和傳輸功率和傳輸距離成正比，將初始能量記為E0，開始時(shí)所有的節(jié)點(diǎn)能量均衡。在數(shù)據(jù)傳輸階段，Eava表示剩余的能量其可以用發(fā)送數(shù)據(jù)能耗Esend和接收數(shù)據(jù)的能耗Erecive來獲得。

本文的能量模型使用的是第一順序無線電模型［22］，該模型示意圖如圖1所示。

圖1　第一順序無線電模型圖

從圖1可以看出，通信能耗主要由發(fā)送能耗和接收能耗組成。其中發(fā)送的能耗主要是信號(hào)發(fā)射電路的能耗和信號(hào)放大電路的能耗，接收能耗主要就是信號(hào)接收電路的能耗。數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)首先經(jīng)過信號(hào)發(fā)射電路，然后傳給信號(hào)放大電路進(jìn)行功率放大后轉(zhuǎn)發(fā)給其他節(jié)點(diǎn)；其他節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)，由信號(hào)接收電路接收數(shù)據(jù)并處理。這兩個(gè)模塊都要消耗一定的能耗。根據(jù)圖1所示的能耗模型，可以得出網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)哪芰肯墓?。?jié)點(diǎn)發(fā)送和接收k bit數(shù)據(jù)所耗的能量如下:

Esend=Eelec×k+εamp×k×dτ（1）

Erecive=Eelec×k（2）

式中:Eelec是發(fā)射模塊和接收模塊處理1 bit所消耗的能量，εamp是信號(hào)放大電路的放大倍數(shù)。d是數(shù)據(jù)發(fā)送的距離，發(fā)送的能耗和dτ成正比關(guān)系。當(dāng)距離d小于一個(gè)閾值d0時(shí)，路徑損耗指數(shù)τ就等于2，這個(gè)時(shí)候稱為自由空間模型（free space）；當(dāng)距離d大于閾值d0時(shí)，路徑損耗指數(shù)τ就等于4，這個(gè)時(shí)候稱為多路徑衰減模型（multi-path fading）。

和通信能耗相比，傳感器內(nèi)部的計(jì)算處理能耗要明顯地低。但是由于傳感器能量有限的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)的時(shí)候還是要盡量減小節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的計(jì)算處理能耗。

1.3能量均衡的可靠路由協(xié)議評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

本文使用了和文獻(xiàn)［23］相同的評(píng)價(jià)方案，來驗(yàn)證能量均衡的WSN路由協(xié)議的有效性。

定義1對(duì)網(wǎng)絡(luò)在時(shí)刻t的能量均衡性評(píng)價(jià)可采用網(wǎng)絡(luò)能量均值和網(wǎng)絡(luò)能量方差

在式（3）和式（4）中，Ei（t）表示在時(shí)刻t節(jié)點(diǎn)i的剩余能量，M表示網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量。網(wǎng)絡(luò)中的能量消耗速度可以通過能量均值來評(píng)價(jià)衡量，但是只用網(wǎng)絡(luò)能量均值A(chǔ)E（t）來對(duì)路由協(xié)議進(jìn)行評(píng)價(jià)是不充分的，因?yàn)槿绻W(wǎng)絡(luò)中某些節(jié)點(diǎn)頻繁使用，即“熱點(diǎn)”問題，個(gè)別節(jié)點(diǎn)的能量已經(jīng)耗盡，但是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量均值卻可能還是很高?？墒怯捎凇盁狳c(diǎn)”能量提前耗盡，容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的割裂，所以需要結(jié)合能量方差來評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)的能耗是否均衡，在t時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)能量均衡值較高，能量方差較小的協(xié)議才具有更好的網(wǎng)絡(luò)能耗均衡性。

N表示網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)集合，即M=|N|，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期結(jié)束就是當(dāng)?shù)谝粋€(gè)節(jié)點(diǎn)能量耗盡的時(shí)刻。因此，為了提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計(jì)的時(shí)候就應(yīng)該均衡整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能耗，盡量推遲第一個(gè)能量耗盡的節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間。

1.4能量均衡的可靠路由協(xié)議的描述

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，Sink節(jié)點(diǎn)通常是有源的，能量無限而且處理能力相對(duì)普通節(jié)點(diǎn)要強(qiáng)很多，因此，在本協(xié)議中，我們假定Sink節(jié)點(diǎn)的行為都是可靠的，不會(huì)受到其他障礙物的影響干擾。

本協(xié)議主要分為3個(gè)階段:建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆A段、建立路由階段、障礙物信息更新階段:①建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆A段:在該階段由Sink節(jié)點(diǎn)廣播信標(biāo)幀，初步建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系，每個(gè)普通節(jié)點(diǎn)建立一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)信息列表存儲(chǔ)鄰居節(jié)點(diǎn)信息；②建立路由階段:當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，根據(jù)自身鄰居節(jié)點(diǎn)列表里的鄰居節(jié)點(diǎn)信息選擇下一跳轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點(diǎn)；③可靠度更新階段:與②同時(shí)進(jìn)行，如果發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)上方有障礙物，則對(duì)該節(jié)點(diǎn)的可靠度更新，并且告之其鄰居節(jié)點(diǎn)。

1.4.1建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

在網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)部署完之后，Sink節(jié)點(diǎn)以泛洪的方式向網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)廣播beacon信標(biāo)幀，每個(gè)收到該信標(biāo)幀的節(jié)點(diǎn)都能獲得發(fā)送節(jié)點(diǎn)的ID、剩余能量、節(jié)點(diǎn)與Sink的跳數(shù)等信息，可以據(jù)此計(jì)算出自身節(jié)點(diǎn)與Sink的最少跳數(shù)信息，并且可根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算出和發(fā)送節(jié)點(diǎn)的距離，為后續(xù)的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)選擇路徑做準(zhǔn)備。所有的節(jié)點(diǎn)都有一份鄰居信息列表，根據(jù)上述的初始化過程，將鄰居節(jié)點(diǎn)的信息存儲(chǔ)在鄰居信息列表中。其泛洪的過程如圖2所示。

圖2（a）表示Sink節(jié)點(diǎn)開始廣播信標(biāo)幀，圈內(nèi)是節(jié)點(diǎn)號(hào)，邊上的數(shù)字表示從Sink開始的跳數(shù)，初始跳數(shù)為∞，Sink節(jié)點(diǎn)自身的跳數(shù)為0。

圖2（b）顯示的是2號(hào)節(jié)點(diǎn)收到信標(biāo)幀后的轉(zhuǎn)發(fā)過程，它將信標(biāo)幀轉(zhuǎn)發(fā)給其鄰居節(jié)點(diǎn)，1號(hào)和3號(hào)節(jié)點(diǎn)收到消息后更改與Sink的跳數(shù)信息，4號(hào)節(jié)點(diǎn)由于之前收到過來自Sink的消息，因此只將2號(hào)節(jié)點(diǎn)存為自己的鄰居節(jié)點(diǎn)，但是并不會(huì)更新和Sink的跳數(shù)信息。圖2（c）所示的就是初始化完成之后的效果。

圖2　初始化過程示意圖

每個(gè)節(jié)點(diǎn)收到beacon信標(biāo)幀后，鄰居信息列表中記錄的消息格式如下:

ID　ENERGY　HOP　DISTANCE RELIABLE COUNT

其中ID號(hào)是每個(gè)節(jié)點(diǎn)唯一的標(biāo)識(shí)，ENERGY表示的是每個(gè)節(jié)點(diǎn)的剩余能量，HOP是指該節(jié)點(diǎn)距離Sink的跳數(shù)信息，DISTANCE是根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算的和該鄰居節(jié)點(diǎn)的距離信息，RELIABLE表示該節(jié)點(diǎn)的可靠程度。COUNT表示發(fā)送的失敗次數(shù)，當(dāng)有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給該節(jié)點(diǎn)時(shí)，等待接收ACK，若超時(shí)未收到則失敗次數(shù)增加一次。我們假定初始化的過程中是沒有障礙物的影響的，所有的信標(biāo)幀傳輸都是可靠的。

1.4.2建立路由

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的普通節(jié)點(diǎn)采集到數(shù)據(jù)需要轉(zhuǎn)發(fā)給Sink節(jié)點(diǎn)時(shí)，就需要選擇轉(zhuǎn)發(fā)路徑，建立路由。

假設(shè)源節(jié)點(diǎn)為i，鄰居節(jié)點(diǎn)為j，那么節(jié)點(diǎn)i就根據(jù)自身的鄰居節(jié)點(diǎn)信息列表查詢鄰居節(jié)點(diǎn)的信息、對(duì)節(jié)點(diǎn)的剩余能量、到Sink的跳數(shù)、與自身節(jié)點(diǎn)的距離以及是否有障礙物等信息進(jìn)行綜合考慮，計(jì)算出節(jié)點(diǎn)i到每個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)的能量代價(jià)，選擇能量代價(jià)最小的鄰居節(jié)點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。能量代價(jià)函數(shù)如式（6）所示:

其中α+β+γ+χ=1，可以根據(jù)不同的需要確定四個(gè)權(quán)衡因子，使得在下一跳的選擇中是更偏向于節(jié)約能量或者是更可靠的傳輸。各個(gè)參數(shù)含義如表1所示。因?yàn)楸疚牟⒎抢每煽慷鹊闹底鳛槁酚蛇x擇的參數(shù)，而是使用初始可靠度與當(dāng)前可靠度的比值作為路由選擇的一部分，因此初始可靠度的取值可以是一個(gè)非負(fù)數(shù)。

表1　能量代價(jià)函數(shù)各個(gè)參數(shù)意義表

分析上述能量代價(jià)函數(shù)，首先Eoriginal（j）表示的是下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的剩余能量，剩余能量越高，也就是分母越大，那么能量代價(jià)就相對(duì)越小。H（j）表示的是下一跳節(jié)點(diǎn)到Sink的跳數(shù)，如果跳數(shù)越少，那么整個(gè)分式的值也就越小。同理，距離也是越短能量代價(jià)越小。最后在可靠度方面，沒有障礙物的初始情況下其可靠度表示最大Roriginal（j），當(dāng)有障礙物在節(jié)點(diǎn)上方的時(shí)候其可靠度就會(huì)下降，當(dāng)前的可靠度越低能量代價(jià)也就越高。

由于此能量代價(jià)函數(shù)考慮了下一跳節(jié)點(diǎn)的剩余能量，因此當(dāng)某些節(jié)點(diǎn)作為中間節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)后，其下一次被選為中間節(jié)點(diǎn)的概率就會(huì)降低，可以保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能耗均衡。并且此協(xié)議綜合考慮了跳數(shù)和距離的影響，也可以有效節(jié)約網(wǎng)絡(luò)中的能耗。當(dāng)某節(jié)點(diǎn)受到障礙物的影響時(shí)，其可靠度就會(huì)降低，該節(jié)點(diǎn)再次被選為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的概率也會(huì)降低，從而有效地避免了一些不必要的重傳，在一定程度上節(jié)約了能耗，延長了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

1.4.3可靠度更新

當(dāng)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到上方有障礙物的時(shí)候，則會(huì)將此信息告知其鄰居節(jié)點(diǎn)，鄰居節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到的消息，更新自身的鄰居節(jié)點(diǎn)信息列表。同理當(dāng)障礙物消失的時(shí)候也會(huì)通知其鄰居節(jié)點(diǎn)。更新的方法如下:

Rcurrent表示的是當(dāng)前的可靠度，式（7）是在障礙物存在的情況下更新可靠度，其中n表示數(shù)據(jù)發(fā)送的失敗次數(shù)，即鄰居信息列表中的COUNT字段。為了防止代價(jià)函數(shù)的溢出，當(dāng)發(fā)送次數(shù)多于 μ時(shí)，即n＞μ時(shí)，可靠度不再降低，Rcurrent=θ，而θ足夠小。式（8）是障礙物消失的情況下更新可靠度，其中t是時(shí)間，當(dāng)障礙物消失后，其可靠度并不是馬上恢復(fù)到初始狀態(tài)，而是根據(jù)時(shí)間逐步增加。式（7）中的V1表示平均每次丟包損失的可靠度，該值的大小與初始可靠度的取值有關(guān)。假設(shè)單位時(shí)間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)中某條鏈路的丟包次數(shù)達(dá)到M次時(shí)，我們就認(rèn)為該鏈路已經(jīng)不能滿足要求。此時(shí)

V1=（Roriginal-μ）/M（9）

式（8）中的V2表示單位時(shí)間內(nèi)可靠度增加的值。假設(shè)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)障礙物消失后，原來被遮擋的鏈路至少需要T時(shí)間才能恢復(fù)正常，則

V2=（Roriginal-μ）/T（10）

并且0＜Rcurrent≤Roriginal。

1.5算法性能分析

根據(jù)前面的能量均衡的可靠路由協(xié)議的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)我們上面提前的能量均衡的可靠路由協(xié)議進(jìn)行理論上的分析。

從能量平衡的角度，這個(gè)算法的主要想法是根據(jù)剩余能量的節(jié)點(diǎn)來控制參與傳輸距離來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的能量平衡。假設(shè)節(jié)點(diǎn)的初始能量是E，可分為N個(gè)能量等級(jí)，不同數(shù)量的路徑從源點(diǎn)到目的地，首先選擇能量水平比較高的部分，那么在這些路徑的路徑根據(jù)相關(guān)指標(biāo)選擇最可靠的一個(gè)。這個(gè)路由模式，可以選擇更可靠的端到端路徑，可以減少能量級(jí)別較低的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)量。而且本算法中的能量代價(jià)函數(shù)還考慮了下一跳節(jié)點(diǎn)的剩余能量，所以當(dāng)有節(jié)點(diǎn)作為中間節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)后，在考慮其下一次被選為中間節(jié)點(diǎn)時(shí)的概率就會(huì)明顯降低，這樣就保證網(wǎng)絡(luò)的能耗均衡，而且本算法還綜合考慮了跳數(shù)和距離，可以有效節(jié)約網(wǎng)絡(luò)中的能耗。

從可靠度的角度來看，當(dāng)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到上方有障礙物的時(shí)候，則會(huì)將此信息告知其鄰居節(jié)點(diǎn)，鄰居節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到的消息，更新自身的鄰居節(jié)點(diǎn)信息列表。同理當(dāng)障礙物消失的時(shí)候也會(huì)通知其鄰居節(jié)點(diǎn)。所以本算法對(duì)節(jié)點(diǎn)是否碰到障礙物有自適應(yīng)調(diào)整過程，能保證路由的可靠性。

綜合上述本文提出的能量均衡的可靠路由算法在理論上看能實(shí)現(xiàn)真正的能量均衡，減少能耗并延長網(wǎng)絡(luò)的壽命，從而保證了此算法的路由可靠性。

2　實(shí)驗(yàn)仿真

由于本文所提的能量均衡可靠路由協(xié)議是針對(duì)于實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境的，所以跟其他現(xiàn)有的一些路由協(xié)議無法進(jìn)行比較。所以本文采用兩種方案來證實(shí)協(xié)議的可行性。第一用來仿真該協(xié)議的能量消耗和可靠性；第二在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中來驗(yàn)證該協(xié)議的可行性。

在本協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)在廣播時(shí)候選擇的通信半徑尤為重要，會(huì)直接對(duì)路由的建立造成一定的影響。如果廣播的半徑設(shè)置的過大，則在范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目較多，路由轉(zhuǎn)發(fā)的信息量就會(huì)過大，容易造成節(jié)點(diǎn)過早地死亡。如果半徑過小的話，很多節(jié)點(diǎn)會(huì)接收不到鄰居節(jié)點(diǎn)的消息幀，則在路由的建立過程中就會(huì)出現(xiàn)問題，可能會(huì)導(dǎo)致很多節(jié)點(diǎn)不能進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)。因此，節(jié)點(diǎn)廣播半徑需要根據(jù)節(jié)點(diǎn)的分布情況進(jìn)行合理的設(shè)置。

假定N個(gè)節(jié)點(diǎn)均勻分布在L×L（m2）的平面區(qū)域內(nèi)，在半徑為R的圓形區(qū)域內(nèi)有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，則根據(jù)均勻分布有:

財(cái)政管理人員在管理方面所具備的能力和鄉(xiāng)鎮(zhèn)財(cái)政內(nèi)部控制在執(zhí)行方面的效果緊密相關(guān)。因此，具有高素質(zhì)與高技術(shù)的財(cái)政管理隊(duì)伍可以保證鄉(xiāng)鎮(zhèn)財(cái)政內(nèi)部控制的有效實(shí)施，并促進(jìn)內(nèi)部控制科學(xué)性的提升，所以財(cái)政管理人員在管理方面的能力就內(nèi)部控制而言，極其重要。鄉(xiāng)鎮(zhèn)財(cái)政部門在錄用工作人員的過程中，需秉承德才兼?zhèn)湟约肮焦幕驹瓌t，采取公開招聘的方式來對(duì)人才進(jìn)行篩選。其次，增強(qiáng)對(duì)管理人員的培訓(xùn)與繼續(xù)教育強(qiáng)度，確保其專業(yè)能力可以緊跟時(shí)代發(fā)展的潮流。重視對(duì)相關(guān)從業(yè)人員的職業(yè)道德教育，利用增強(qiáng)獎(jiǎng)懲力度的方式來確保內(nèi)部控制制度的有效實(shí)施。

由上式可得半徑R:

則代價(jià)函數(shù)中計(jì)算可得的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的最小距離為:

所以廣播的半徑R≥dmin，即

由于上述的驗(yàn)證是在均勻分布的情況下進(jìn)行，而實(shí)際仿真當(dāng)中節(jié)點(diǎn)是隨機(jī)分布的，所以要在上述的結(jié)論中對(duì)參數(shù)作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。例如，81個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在100 m×100 m的區(qū)域內(nèi)，如圖3所示，那么，N=81，L=100，代入式（13）、式（14）可得，dmin=18 m，20 m。因此我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中就取廣播半徑為20 m，這樣適當(dāng)?shù)恼{(diào)整在實(shí)際仿真中更符合。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)維護(hù)鄰居節(jié)點(diǎn)信息的隊(duì)列。試驗(yàn)中隨機(jī)的選取一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為信息發(fā)送節(jié)點(diǎn)，它要把n條信息發(fā)送到Sink節(jié)點(diǎn)。當(dāng)發(fā)送完n/2條信息后，在選擇的鏈路上放置一個(gè)障礙物，放置的時(shí)間為一個(gè)隨機(jī)數(shù)t，當(dāng)t時(shí)間結(jié)束后障礙物拿掉，并計(jì)算在這個(gè)過程中整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能耗代價(jià)。放置障礙物后影響了原來的路由，節(jié)點(diǎn)維護(hù)的鄰居節(jié)點(diǎn)信息的隊(duì)列進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)準(zhǔn)。然后重復(fù)這樣的操作來完成實(shí)驗(yàn)。

圖3　能量均衡路由協(xié)議仿真節(jié)點(diǎn)分布示意圖

在本協(xié)議中權(quán)衡因子根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值設(shè)定，具體如表2所示。路由表的大小根據(jù)節(jié)點(diǎn)的分布情況和節(jié)點(diǎn)的廣播半徑進(jìn)行設(shè)置。由于確定了廣播半徑R，在其范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)也就確定了，路由表內(nèi)的節(jié)點(diǎn)不會(huì)超過這個(gè)數(shù)目。為了驗(yàn)證本協(xié)議的有效性，在平臺(tái)中建立了一個(gè)模擬環(huán)境進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。假設(shè)拓?fù)鋮^(qū)域?yàn)?00 m×100 m，其中有81個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布于該網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中。Sink節(jié)點(diǎn)布置區(qū)域的原點(diǎn)（0，0）位置，如圖3所示。

表2　能量均衡路由協(xié)議仿真參數(shù)設(shè)定表

3　仿真結(jié)果分析

為了驗(yàn)證能量均衡的可靠路由協(xié)議的能量有效性和傳輸可靠性上的性能，我們?cè)诜抡嫫脚_(tái)進(jìn)行了仿真，并從網(wǎng)絡(luò)能量均值，能量方差，以及生命周期三個(gè)方面對(duì)該協(xié)議進(jìn)行了評(píng)估。這些評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)在眾多的路由協(xié)議中都有廣泛的應(yīng)用，希望對(duì)本協(xié)議也能做出有效地評(píng)估判斷。

首先我們先看一下網(wǎng)絡(luò)均值的仿真結(jié)果示意圖，如圖4所示。從圖4看出，最短路徑路由和能量均衡的可靠路由在整個(gè)過程中網(wǎng)絡(luò)能量的均值幾乎一樣。這是由于最短路徑路由協(xié)議在選擇下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的時(shí)候，只選擇跳數(shù)最少的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，這樣容易導(dǎo)致某些節(jié)點(diǎn)的能量耗盡，另一方面，某些節(jié)點(diǎn)卻很少進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，而能量相對(duì)就比較充裕。因此整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量均值卻能保持很高。而能量均衡的可靠路由協(xié)議，在能量的使用上各個(gè)節(jié)點(diǎn)相對(duì)均衡，整體的能量均值就和單個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量比較接近。

圖4　能量均值比較圖

圖5　能量方差比較圖

圖5所示為網(wǎng)絡(luò)能量方差的比較。圖5顯示了兩種協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)能量方差上的比較，網(wǎng)絡(luò)能量方差越低那么網(wǎng)絡(luò)中的能量均衡性就越好。從圖5可以看出，最短路徑路由協(xié)議相對(duì)能量均衡的可靠路由協(xié)議有更大的網(wǎng)絡(luò)方差。這是因?yàn)?，在最短路徑路由協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)只是選擇離Sink節(jié)點(diǎn)最近的下一跳節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，某些節(jié)點(diǎn)被重復(fù)地選擇作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，出現(xiàn)“熱點(diǎn)”問題，而能量容易迅速耗盡，某些節(jié)點(diǎn)卻很少進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，保持有很高的能量，這樣就導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)之間的能量不均衡，具有很大的網(wǎng)絡(luò)能量方差。網(wǎng)絡(luò)方差太大的話意味著某些節(jié)點(diǎn)過早地死亡，那么整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期也就自然而然地縮短了。

而能量均衡的可靠路由協(xié)議，選擇下一跳節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)的時(shí)候，并不只是考慮跳數(shù)，還綜合考慮了剩余能量，距離以及節(jié)點(diǎn)的可靠度等，綜合去判斷下一跳節(jié)點(diǎn)的時(shí)候有些經(jīng)常轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點(diǎn)被選擇進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)的概率就會(huì)越來越低，而某些不經(jīng)常轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點(diǎn)被選擇進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)的概率就會(huì)增加。這樣有效地均衡了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量，網(wǎng)絡(luò)能量方差也就相對(duì)會(huì)小很多，第一個(gè)節(jié)點(diǎn)的死亡時(shí)間就會(huì)推遲，有效地延長了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

圖6顯示的是經(jīng)過多次仿真之后在同一網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的生命周期比較，可以看出，能量均衡的可靠路由協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)生命周期要長于最短路徑路由協(xié)議，性能相對(duì)優(yōu)越。

圖6　網(wǎng)絡(luò)生命周期比較圖

圖7顯示了不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的仿真結(jié)果，經(jīng)過多次仿真實(shí)驗(yàn)，得出兩種不同協(xié)議的生命周期。不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)生命周期也不一樣，存在較大的差別。

圖7　網(wǎng)絡(luò)生命周期比較圖

圖7顯示的是經(jīng)過多次仿真之后記錄的網(wǎng)絡(luò)生命周期的比較，也就是第一個(gè)節(jié)點(diǎn)的死亡時(shí)間，可以從發(fā)包數(shù)量分析，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)節(jié)點(diǎn)能量耗盡的時(shí)候就停止發(fā)送數(shù)據(jù)包。很明顯，在不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?，最短路徑路由協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)生命周期比能量均衡的可靠路由協(xié)議要短，這就有效地說明了本文提出的能量均衡的可靠路由協(xié)議可以有效地提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

可靠度只有兩種狀態(tài)，一種是可靠度降低，還有一種就是可靠度升高。如式（7）、式（8）所示。n 和t并非是人為設(shè)置的變量，而是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)路由選擇自動(dòng)確定的，所以不需要研究參數(shù)n和t的不同值對(duì)算法的影響。影響可靠度的主要是參數(shù)V1和V2，它們可以通過式（9）、式（10）計(jì)算得到，但是取不同的值會(huì)使得算法效果不同。本次實(shí)驗(yàn)研究V1、V2對(duì)本文提出算法的影響。圖8研究了影響可靠度的參數(shù)V1和V2對(duì)路由算法的影響。和上個(gè)實(shí)驗(yàn)一樣，還是多次進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，記錄網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間，也就是網(wǎng)絡(luò)中第一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡的時(shí)間。橫坐標(biāo)表示V1、V2的取值，縱坐標(biāo)表示網(wǎng)絡(luò)死亡之前發(fā)送的數(shù)據(jù)包的數(shù)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明V1、V2取不同的值對(duì)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間有很大影響。當(dāng)V1等于0，V2等于0的時(shí)候，可靠度對(duì)路由算法沒貢獻(xiàn)，此時(shí)的算法類似于最短路徑算法，不能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的性能進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，所以網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間最短。當(dāng)V1等于0.6，V2等于0.3左右計(jì)算的可靠度比較適合網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)榇藭r(shí)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中鏈路受影響時(shí)能快速有效的變換路由，因此網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間最長。圖8是10次實(shí)驗(yàn)的平均結(jié)果。

圖8　可靠因子影響圖

綜上所述，本文提出的能量均衡的可靠路由協(xié)議具有很好的優(yōu)越性，能有效地均衡網(wǎng)絡(luò)的能量，提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

4　能量均衡的可靠路由協(xié)議在停車位誘導(dǎo)系統(tǒng)中的應(yīng)用

本文提出的能量均衡的可靠路由協(xié)議具有比較好的應(yīng)用領(lǐng)域，可以將該協(xié)議應(yīng)用于基于地磁傳感器的停車位誘導(dǎo)系統(tǒng)當(dāng)中。系統(tǒng)利用埋在停車位下的地磁傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)車位是否空閑，并將數(shù)據(jù)通過WSN和GPRS逐級(jí)傳給后臺(tái)的服務(wù)器端處理程序處理和顯示，同時(shí)，開發(fā)移動(dòng)終端上的程序用以顯示所檢測(cè)的所有停車位的當(dāng)前信息如圖9所示。

圖9　車位檢測(cè)管理系統(tǒng)圖

停車位誘導(dǎo)系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成，前臺(tái)的監(jiān)測(cè)部分和后臺(tái)的數(shù)據(jù)顯示部分。前臺(tái)監(jiān)測(cè)部分的網(wǎng)絡(luò)主要由傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)組成。其中，傳感器節(jié)點(diǎn)具有感知地磁場(chǎng)的能力，將傳感器節(jié)點(diǎn)布置于車位中間。其原理就是金屬會(huì)引起地磁場(chǎng)發(fā)生偏移，磁場(chǎng)的變化最終導(dǎo)致電壓值的改變，據(jù)此來判斷車輛。后臺(tái)顯示部分可以根據(jù)具體顯示直觀判斷此車位是否有車。

當(dāng)車輛停在車位上方，即出現(xiàn)在傳感器節(jié)點(diǎn)上方的時(shí)候，地磁場(chǎng)會(huì)發(fā)生一定的偏移，這時(shí)傳感器讀到的數(shù)據(jù)就會(huì)發(fā)生變化。傳感器將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理之后，轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)接收到一定量的數(shù)據(jù)之后，將這些數(shù)據(jù)打包一起通過GPRS模塊傳輸給后臺(tái)服務(wù)器。我們最后可以根據(jù)傳感器傳到后臺(tái)的數(shù)據(jù)，判斷車位上方是否有車輛。

在停車位誘導(dǎo)系統(tǒng)當(dāng)中，一方面，某些節(jié)點(diǎn)經(jīng)常被選為中繼轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，耗能較快，如果某個(gè)節(jié)點(diǎn)能量耗盡，那么意味著這個(gè)車位的感知能力失效，整個(gè)系統(tǒng)就出現(xiàn)了局部故障，如果進(jìn)行更換節(jié)點(diǎn)，不僅耗時(shí)而且浪費(fèi)經(jīng)濟(jì)資源；另一方面，由于車輛的制作材料主要是鐵，在傳感器傳輸數(shù)據(jù)的過程中，如果車輛剛好在其上方，那么車輛就會(huì)對(duì)通信信號(hào)有一定的阻擋和吸收，通信質(zhì)量就會(huì)下降。針對(duì)上述問題，我們的協(xié)議則能很好地進(jìn)行解決。

能量均衡的可靠路由協(xié)議，一方面綜合考慮了剩余能量、跳數(shù)、距離等信息，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)能耗得到適當(dāng)?shù)木?，那么在整個(gè)停車位誘導(dǎo)系統(tǒng)當(dāng)中，出現(xiàn)過早死亡的節(jié)點(diǎn)時(shí)間就會(huì)推遲，有效地增加了系統(tǒng)的運(yùn)作時(shí)間，節(jié)約了經(jīng)濟(jì)成本。另一方面，由于考慮了節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)目煽啃?，?dāng)車輛出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)上方的時(shí)候，其可靠度下降，這時(shí)該節(jié)點(diǎn)被選為中繼的概率也就下降，這不僅保證了一定的可靠度而且減少了重傳的能耗。

停車位誘導(dǎo)系統(tǒng)的后臺(tái)服務(wù)器端的主要功能就是顯示車位上方的車輛信息，而這些信息都是由Sink節(jié)點(diǎn)通過GPRS無線通信模塊發(fā)送到主機(jī)的。圖10所示的是未使用本文提出的能量均衡的路由協(xié)議，其中粗框里所示的統(tǒng)計(jì)信息就是發(fā)送成功率，也就是傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)給Sink的成功率統(tǒng)計(jì)?？梢钥闯?，當(dāng)車位上方不空的時(shí)候，也就是車位上方出現(xiàn)車輛的時(shí)候，傳感器發(fā)包的成功率非常低。這就如前面所述，車輛對(duì)傳感器的通信存在一定的影響，吸收和屏蔽效果很厲害，因此設(shè)計(jì)合理的路由協(xié)議是必要的。

圖10　使用協(xié)議前服務(wù)器端顯示

圖11為使用了本文提出的路由協(xié)議后的后臺(tái)服務(wù)器信息。從圖中可以看出粗框所示的統(tǒng)計(jì)信息即成功率有顯著的提高，也就是說傳感器如果感知到上方有車輛后回告之附近的鄰居節(jié)點(diǎn)，然后鄰居節(jié)點(diǎn)則根據(jù)自身的鄰居節(jié)點(diǎn)信息列表，查找選擇可靠度較高并且距離、能量等適當(dāng)?shù)淖罴崖窂剑M(jìn)行數(shù)據(jù)信息的轉(zhuǎn)發(fā)。這樣保證了通信的質(zhì)量，同時(shí)也避免了由于丟包造成的傳感器節(jié)點(diǎn)不斷重傳的能量浪費(fèi)。

綜上所述，能量均衡的可靠路由協(xié)議對(duì)于停車位誘導(dǎo)系統(tǒng)非常適用。

圖11　協(xié)議后服務(wù)器端顯示

5　總結(jié)

本文提出了一種能量均衡的可靠路由協(xié)議，在前人的研究基礎(chǔ)上，著重于研究能耗的均衡性以及傳感器節(jié)點(diǎn)的可靠程度。本協(xié)議首先建立全局的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都存儲(chǔ)自身的鄰居節(jié)點(diǎn)信息，包括節(jié)點(diǎn)號(hào)、剩余能量、距離Sink的跳數(shù)、和鄰居節(jié)點(diǎn)的距離以及可靠度等。等網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行之后，節(jié)點(diǎn)會(huì)更新其可靠度，在選擇下一跳節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的時(shí)候，會(huì)根據(jù)能量代價(jià)函數(shù)選擇能量代價(jià)最小的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。由于綜合考慮了剩余能量、距離Sink的跳數(shù)、距離及可靠度等因素，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的能耗都相對(duì)比較均衡，推遲了第一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡的時(shí)間，有效地增加了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。另一方面，由于考慮到節(jié)點(diǎn)的可靠程度，如果節(jié)點(diǎn)上方出現(xiàn)障礙物，則會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)的通信，那么節(jié)點(diǎn)的可靠度就會(huì)進(jìn)行更新；當(dāng)障礙物消失后，節(jié)點(diǎn)的可靠度也會(huì)更新。這樣在選擇下一跳節(jié)點(diǎn)的時(shí)候可以選擇通信質(zhì)量更好的節(jié)點(diǎn)，一定程度上避免了重傳等能量的浪費(fèi)。通過對(duì)此能量均衡的可靠路由協(xié)議進(jìn)行仿真分析，和同類型的路由協(xié)議進(jìn)行比較，證明了其優(yōu)越性，在能耗均衡等方面有比較好的性能。文章最后簡(jiǎn)單介紹了該協(xié)議在基于地磁傳感器的停車位誘導(dǎo)系統(tǒng)當(dāng)中的應(yīng)用，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，證明了此協(xié)議具有有比較好的適用性。

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周雪（1982-）女，漢族，浙江廣播電視大學(xué)蕭山學(xué)院講師，主要研究方向?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)，zx2092@163.com；

毛科技（1979-），男，漢族，浙江工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院博士，主要研究方向?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)，maokeji@zjut.edu.cn。

Design of An Energy Balance Reliable Routing Protocol Based on Parking Guidance System*

ZHOU Xue1*，ZHU Xiaoming1，CHEN Lijian1，F(xiàn)ANG Kai2，LEI Yanjing2，MAO Keji2
（1.College of Xiaoshan，Zhejiang Radio and Television University，Hangzhou 311200，China；2.Department of Computer Science and Technology，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310032，China）

Due to the limitation of node energy，the design of routing protocol which can effectively save energy and prolong the lifetime of network has become a hot-spot in WSN research.The paper proposed a reliable energy-balanced routing protocol after analyzing readily available protocols.The protocol establishes a global network topology in the initial stage，and then selects the next hop node according to energy cost function and updates node's reliability information when there are obstacles above the node.With the consideration of the nodes'residual energy，hops，the distance of the neighbors and reliability factors，our protocol balanced the energy consumption of the nodes and effectively prolonged the lifetime of the network.We simulated the reliable energy-balanced routing protocol on the platform and compared it with the Shortest-path routing algorithm in the aspects of lifetime，the average energy consumption and the energy variance of the network，which turns out that the algorithm，is superior to others.At last it is applied to the actual parking guidance system，the significant results were obtained.

WSN；parking guidance system；energy balance；reliable；routing agreement

TP393

A

1004-1699（2015）09-1408-10

項(xiàng)目來源:浙江省公益性技術(shù)應(yīng)用研究計(jì)劃項(xiàng)目（2015C31066）；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61379023；61302129）；浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（LQ12F02015）；浙江省可視媒體智能處理技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目（2013011，2013051，2013082）

2015-02-12修改日期:2015-06-25