龔本燦，周 峰，陳 鵬，任 東

1.三峽大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，湖北 宜昌443002

2.三峽大學(xué) 湖北省農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)工程技術(shù)研究中心，湖北 宜昌443002

1 引言

無(wú)線傳感網(wǎng)WSN（Wireless Sensor Networks）廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、軍事偵察、醫(yī)療監(jiān)護(hù)、空間探索、搶險(xiǎn)救災(zāi)等多種領(lǐng)域，具有重要的科研價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。目前，WSN 的研究主要集中在MAC 層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層，以及各層之間的跨層交互。網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)將傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)逐跳轉(zhuǎn)發(fā)至Sink，其性能至關(guān)重要，是WSN 的研究熱點(diǎn)。資源的局限性給WSN 路由協(xié)議的設(shè)計(jì)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)，和傳統(tǒng)路由協(xié)議相比，WSN路由協(xié)議更加關(guān)注能量的使用效率和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃訹1]?；谧钚√鴶?shù)的路由協(xié)議實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，每次都采用從當(dāng)前節(jié)點(diǎn)到Sink 的最大距離進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)絡(luò)延遲少，因而得到了廣泛的應(yīng)用[2]。目前國(guó)內(nèi)外研究人員提出了許多基于跳數(shù)的路由協(xié)議及其改進(jìn)算法。

最早的基于跳數(shù)的多路徑路由協(xié)議[3]是在定向擴(kuò)散協(xié)議和洪泛協(xié)議的基礎(chǔ)上，引入了跳數(shù)的概念，以當(dāng)前節(jié)點(diǎn)到達(dá)Sink 的跳數(shù)作為路由的依據(jù)，在一定程度上緩解了洪泛協(xié)議的內(nèi)爆和重疊問(wèn)題，極大地減少了數(shù)據(jù)包的傳輸量和網(wǎng)絡(luò)的能耗，因其新穎的設(shè)計(jì)思想而備受關(guān)注。文獻(xiàn)[4]提出了一種基于跳數(shù)的多路徑環(huán)路由協(xié)議（Multipath Ring Routing），其路由形成機(jī)制如下：網(wǎng)絡(luò)部署完畢后，Sink 廣播拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)分組，分組中攜帶了從當(dāng)前節(jié)點(diǎn)到Sink 的跳數(shù)（初值為0），收到拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)分組的節(jié)點(diǎn)將跳數(shù)加1，如果該分組的跳數(shù)比節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前值更小，則更新節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)，并再次廣播，當(dāng)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)分組傳遍整個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)就都找到了自己到達(dá)Sink的最小跳數(shù)。數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，節(jié)點(diǎn)采用定向廣播的方式發(fā)送分組，分組中攜帶了節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)，所有鄰節(jié)點(diǎn)收到分組后，如果其跳數(shù)更小，則再次廣播，直到Sink。由于在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中所有跳數(shù)更小的鄰節(jié)點(diǎn)都將轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，造成轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量過(guò)多，加劇了網(wǎng)絡(luò)的能量消耗。文獻(xiàn)[5]提出了一種基于跳數(shù)梯度場(chǎng)的路由協(xié)議，源節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的消息中攜帶了梯度值及其鄰節(jié)點(diǎn)的最小剩余能量，鄰節(jié)點(diǎn)可根據(jù)這些信息判斷是否轉(zhuǎn)發(fā)該消息，從而控制了轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，有效避開(kāi)了剩余能量過(guò)低的節(jié)點(diǎn)，該協(xié)議能延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的壽命，但消息的洪泛仍會(huì)造成過(guò)多的能耗。文獻(xiàn)[6]提出了一種具有可靠性感知能力的自適應(yīng)多徑路由協(xié)議，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的可靠性要求和路徑權(quán)重，適當(dāng)?shù)剡x取部分路徑進(jìn)行傳輸，以此來(lái)滿足預(yù)定的網(wǎng)絡(luò)可靠性，在網(wǎng)絡(luò)可靠性、網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷、傳輸時(shí)延等方面，該路由協(xié)議的性能都有明顯提升。但是Sink 需要獲取網(wǎng)絡(luò)中所有鏈路、路徑和傳感器的狀態(tài)信息，并由Sink 集中進(jìn)行路由決策，路由決策信息的收集和擴(kuò)散會(huì)帶來(lái)開(kāi)銷，不適合分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

前述幾種基于跳數(shù)的路由協(xié)議由于采用多路徑傳輸，雖然提高了傳輸?shù)目煽啃裕珜?lái)較高的能耗，這對(duì)能量受限的傳感網(wǎng)來(lái)說(shuō)是一個(gè)較大的制約因素。為了節(jié)省能量，一個(gè)有效的方法是采用單路徑傳輸。文獻(xiàn)[7]提出了基于最小跳數(shù)的傳感網(wǎng)路由協(xié)議，在路由控制包中包含了節(jié)點(diǎn)ID、剩余能量和到Sink 的跳數(shù)，節(jié)點(diǎn)根據(jù)這些信息來(lái)建立路由表，路由表中記錄了所有的父節(jié)點(diǎn)（比自己的跳數(shù)小1）、兄弟節(jié)點(diǎn)（與自己的跳數(shù)相等）、子節(jié)點(diǎn)（比自己的跳數(shù)大1）及這些節(jié)點(diǎn)的ID 和剩余能量，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)節(jié)點(diǎn)優(yōu)先從其父節(jié)點(diǎn)中選擇一個(gè)剩余能量最大的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)。協(xié)議提供了多條后備路徑，具有較強(qiáng)的健壯性，但沒(méi)有考慮與父節(jié)點(diǎn)間的通信距離，且缺乏保證數(shù)據(jù)傳輸可靠性的機(jī)制。文獻(xiàn)[8]對(duì)最小跳數(shù)路由算法的組網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳播階段進(jìn)行了改進(jìn)，節(jié)點(diǎn)主動(dòng)發(fā)送Join報(bào)文來(lái)加入網(wǎng)絡(luò)，解決了節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)加入網(wǎng)絡(luò)的問(wèn)題，為了節(jié)省能量，節(jié)點(diǎn)每次只選擇一個(gè)父節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文，父節(jié)點(diǎn)對(duì)每個(gè)收到的報(bào)文都進(jìn)行確認(rèn)，但協(xié)議沒(méi)有考慮通信鏈路的質(zhì)量，可能引發(fā)多次重傳，增加網(wǎng)絡(luò)的能耗。文獻(xiàn)[9]提出了一種高效的基于跳數(shù)的移動(dòng)Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)路由查找算法，它是一種在傳輸功率和跳數(shù)之間進(jìn)行折衷的自適應(yīng)路由協(xié)議，它假定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都具有不同的發(fā)射功率，當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到源節(jié)點(diǎn)廣播的路徑查找消息時(shí)，該節(jié)點(diǎn)將其功率與預(yù)設(shè)的閾值功率進(jìn)行比較，如果大于閾值功率，則選擇跳數(shù)最少的路徑，否則，選擇跳數(shù)更大的路徑。所提出的協(xié)議能夠減少能量消耗和端到端的延遲，但該協(xié)議假定節(jié)點(diǎn)都具有不同的發(fā)射功率，并且路由的建立是按需驅(qū)動(dòng)的，不適合需要周期性采集傳感數(shù)據(jù)的場(chǎng)合。文獻(xiàn)[10]從理論上分析了在無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)中跳數(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和路徑可靠性的影響。

基于跳數(shù)的單路徑路由協(xié)議雖然比多路徑路由協(xié)議節(jié)省了能量，但由于節(jié)點(diǎn)總是選擇跳數(shù)最少的路徑傳輸數(shù)據(jù)，造成節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)木嚯x遠(yuǎn)，網(wǎng)絡(luò)的丟包率很高。研究表明在路由建立的過(guò)程中如果考慮節(jié)點(diǎn)間的鏈路質(zhì)量，將能有效地提高網(wǎng)絡(luò)的包投遞率。文獻(xiàn)[11]提出了一種改進(jìn)的基于跳數(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法（R-MHC），對(duì)最小跳數(shù)路由算法的組網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳播階段進(jìn)行了改進(jìn)。源節(jié)點(diǎn)優(yōu)先選取跳數(shù)最小的父節(jié)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，如果多個(gè)鄰節(jié)點(diǎn)跳數(shù)相同，則綜合考慮鄰節(jié)點(diǎn)的剩余能量、鏈路狀態(tài)和接收信號(hào)強(qiáng)度，并通過(guò)權(quán)值公式選取權(quán)值最大的父節(jié)點(diǎn)作為最優(yōu)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，改進(jìn)后的算法在可靠性、負(fù)載均衡、網(wǎng)絡(luò)壽命和路由開(kāi)銷等方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。但算法優(yōu)先選取跳數(shù)最小的父節(jié)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，如果當(dāng)前節(jié)點(diǎn)與父節(jié)點(diǎn)之間的鏈路質(zhì)量較差，則仍會(huì)帶來(lái)較高的丟包率。文獻(xiàn)[12]提出了一種具有鏈路質(zhì)量感知能力的基于隊(duì)列的路由協(xié)議（LRP），在稀疏和密集部署的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，LRP 能夠避免路徑環(huán)路和分組丟失，提高了數(shù)據(jù)的傳遞率，但是缺乏對(duì)數(shù)據(jù)延遲的控制，不適用于實(shí)時(shí)性網(wǎng)絡(luò)。文獻(xiàn)[13]提出了一種鏈路質(zhì)量和能量感知的路由協(xié)議（LQEAR），它根據(jù)鏈路質(zhì)量、節(jié)點(diǎn)的剩余能量、轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)與Sink 之間的距離來(lái)選擇下一跳節(jié)點(diǎn)，LQEAR 能夠提供更高的傳輸可靠性，并能有效地平衡節(jié)點(diǎn)的能量消耗，該協(xié)議要求每個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠準(zhǔn)確獲得自己的位置信息以便計(jì)算節(jié)點(diǎn)間的距離，它只適合于節(jié)點(diǎn)具備定位功能的傳感網(wǎng)場(chǎng)合。文獻(xiàn)[14]提出了一種應(yīng)用鏈路質(zhì)量和節(jié)點(diǎn)的能量狀態(tài)進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)的LE-AODV 路由協(xié)議，有效地提高了包投遞率和網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間，但該協(xié)議是針對(duì)移動(dòng)自組網(wǎng)設(shè)計(jì)的，不太適合以數(shù)據(jù)為中心的傳感網(wǎng)。文獻(xiàn)[15]提出了一種基于壓力傳感器的可靠路由協(xié)議（PSBR），它依靠鏈路質(zhì)量估計(jì)器、節(jié)點(diǎn)深度及節(jié)點(diǎn)的剩余能量來(lái)選擇數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，達(dá)到了很高的數(shù)據(jù)傳輸效率。文獻(xiàn)[16]針對(duì)水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)提出了一種可靠、節(jié)能的路由協(xié)議（RRP），它融合了基于方向的洪泛路由和基于矢量的避障協(xié)議的特點(diǎn)，通過(guò)逐跳測(cè)量節(jié)點(diǎn)之間的鏈路質(zhì)量來(lái)控制轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)數(shù)量以提高可靠性，PSBR 和RRP 協(xié)議僅適合于水聲傳感網(wǎng)。文獻(xiàn)[17]提出了一種基于鏈路質(zhì)量的能量高效的分布式路由協(xié)議（EEDR），它具有較小的跳數(shù)、較低的時(shí)延和較高的吞吐量，但它僅考慮了與鄰節(jié)點(diǎn)的鏈路質(zhì)量，不能保證整條路徑所有鏈路的綜合質(zhì)量最優(yōu)。

以上路由協(xié)議在一定程度上提高了網(wǎng)絡(luò)分組的投遞率，減少了網(wǎng)絡(luò)的能耗，但這些方法都只基于本節(jié)點(diǎn)及鄰節(jié)點(diǎn)的局部信息進(jìn)行路由決策，容易限入局部最優(yōu)，為了解決這一問(wèn)題，本文提出了一種基于路徑質(zhì)量的無(wú)線傳感網(wǎng)路由協(xié)議，以路徑質(zhì)量（包括跳數(shù)、綜合鏈路質(zhì)量和節(jié)點(diǎn)能量）作為網(wǎng)絡(luò)路由選擇的標(biāo)準(zhǔn)，各節(jié)點(diǎn)能夠根據(jù)路由發(fā)現(xiàn)分組中包含的路徑質(zhì)量信息選擇一條到達(dá)Sink 的最佳路徑，進(jìn)一步改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)的性能，達(dá)到全局最優(yōu)。

2 網(wǎng)絡(luò)模型與問(wèn)題描述

2.1 網(wǎng)絡(luò)模型

定義1一個(gè)無(wú)線傳感網(wǎng)可表示為一個(gè)加權(quán)圖G=(V,E,W)，其中，V 表示由傳感器節(jié)點(diǎn)組成的集合，V={v1,v2,…,vn},E 表示由通信鏈路組成的集合，E={e1,e2,…,en},W 是由節(jié)點(diǎn)之間的鏈路質(zhì)量組成的集合，W={w1,w2,…,wn}。

定義2鏈路質(zhì)量指示LQI（Link Quality Indicator），用于表示接收到的幀的質(zhì)量，其值可根據(jù)物理層所接收到的無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度RSSI（Received Signal Strength Indi‐cator）計(jì)算出來(lái)，計(jì)算公式如下：

定義3設(shè)p(s,d)表示從源節(jié)點(diǎn)s到目的節(jié)點(diǎn)d 的路徑，其中，s,d ∈V，則綜合鏈路質(zhì)量GLQI（Global Link Quality Indicator）的定義如下：

LQI僅反映了兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)間的鏈路質(zhì)量信息，而GLQI 反映了從Sink 到當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的所有鏈路的質(zhì)量信息，其值越大，則路徑的質(zhì)量越高。

定義4路徑包投遞率PPDR（Path Packet Delivery Rate）的定義如下：

其中，packet_loss(e)為路徑中每條鏈路的丟包率。

定義5假設(shè)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)為n，節(jié)點(diǎn)i 所消耗的能量為E(i),Sink 收到的數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)為N，則平均包能耗APEC（Average Packet Energy Consumption）的計(jì)算公式如下：

APEC 表示了Sink 每收到一個(gè)數(shù)據(jù)包所消耗的網(wǎng)絡(luò)能量。

本文采用的網(wǎng)絡(luò)模型如下：n個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在一個(gè)正方形區(qū)域內(nèi)，周期性地收集周圍的環(huán)境信息上傳給Sink，并且具有如下性質(zhì)：

（1）所有傳感器節(jié)點(diǎn)部署后不再移動(dòng)，Sink唯一。

（2）所有節(jié)點(diǎn)沒(méi)有安裝GPS，不知道其具體位置。

（3）所有節(jié)點(diǎn)能夠根據(jù)接收到的無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算出鏈路質(zhì)量LQI。

2.2 問(wèn)題描述

在無(wú)線通信中，發(fā)射功率的大小、通信距離的遠(yuǎn)近和外界噪聲干擾的強(qiáng)弱是影響丟包率的主要因素，接收方可以根據(jù)物理層所接收到的無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度，按照公式（1）計(jì)算出當(dāng)前鏈路的質(zhì)量信息。當(dāng)發(fā)射功率和噪聲干擾相同時(shí)，鏈路質(zhì)量間接反映了節(jié)點(diǎn)間的通信距離。

以圖1 為例說(shuō)明基于鏈路質(zhì)量的最小跳數(shù)路由算法存在的問(wèn)題，以及本文提出的基于路徑質(zhì)量的路由算法PQR 的設(shè)計(jì)思想。圖1 顯示了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的分布情況及每條鏈路的丟包率和LQI值。例如，從Sink 到節(jié)點(diǎn)1的丟包率為40%，鏈路質(zhì)量為7。

圖1 路徑選擇示意圖

在路由建立階段，Sink 節(jié)點(diǎn)廣播路由發(fā)現(xiàn)分組，路由發(fā)現(xiàn)分組分別沿路徑1（Sink→節(jié)點(diǎn)1→節(jié)點(diǎn)2→節(jié)點(diǎn)3→節(jié)點(diǎn)S）和路徑2（Sink→節(jié)點(diǎn)4→節(jié)點(diǎn)5→節(jié)點(diǎn)6→節(jié)點(diǎn)S）到達(dá)節(jié)點(diǎn)S。節(jié)點(diǎn)S 是選擇路徑1 還是路徑2 作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路徑需要由路由算法來(lái)決定。

如果采用基于鏈路質(zhì)量的最小跳數(shù)路由算法，由于路徑1 和路徑2 的跳數(shù)相等，都是4 跳，因此，將根據(jù)鏈路質(zhì)量來(lái)選擇路徑。對(duì)于路徑1，節(jié)點(diǎn)S 到鄰節(jié)點(diǎn)3 的鏈路質(zhì)量為10。對(duì)于路徑2，節(jié)點(diǎn)S 到鄰節(jié)點(diǎn)6 的鏈路質(zhì)量為8。因?yàn)槁窂?的鏈路質(zhì)量高于路徑2，所以節(jié)點(diǎn)S 會(huì)選擇路徑1 來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。但事實(shí)上，如果以包投遞率作為路徑優(yōu)劣的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，則路徑2 要優(yōu)于路徑1。具體計(jì)算如下：

根據(jù)公式（3），路徑1的包投遞率=（1-40%）×（1-10%）×（1-10%）×（1-10%）=43.74%。路徑2 的包投遞率=（1-30%）×（1-10%）×（1-10%）×（1-10%）=51.03%?？梢?jiàn)路徑2 優(yōu)于路徑1。基于鏈路質(zhì)量的最小跳數(shù)路由算法只考慮了當(dāng)前節(jié)點(diǎn)到鄰節(jié)點(diǎn)的單段鏈路的質(zhì)量，而沒(méi)有考慮路徑上其他鏈路的質(zhì)量，所以選出的路徑不一定是最優(yōu)的。

如果采用本文提出的基于路徑質(zhì)量的路由算法，在跳數(shù)相等的情況下，節(jié)點(diǎn)S 將根據(jù)公式（2）計(jì)算出的綜合鏈路質(zhì)量GLQI來(lái)選擇路徑。路徑1的綜合鏈路質(zhì)量為7，路徑2 的綜合鏈路質(zhì)量為8。因?yàn)槁窂? 的綜合鏈路質(zhì)量高于路徑1，因此，節(jié)點(diǎn)S 會(huì)選擇路徑2 來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。

從以上分析可以看出：基于鏈路質(zhì)量的路由算法缺乏全局意識(shí)，而基于路徑質(zhì)量的路由算法全面考慮了從Sink 到當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的所有鏈路的質(zhì)量信息，因此，能夠篩選出全局最優(yōu)的路徑，能更有效地提高網(wǎng)絡(luò)的包投遞率。

3 PQR路由協(xié)議的設(shè)計(jì)

3.1 分組格式

為了獲取當(dāng)前節(jié)點(diǎn)到Sink 的路徑質(zhì)量信息，并控制數(shù)據(jù)分組的傳輸，需要定義如表1 和表2 所示的網(wǎng)絡(luò)分組格式。

表1 路由發(fā)現(xiàn)分組的格式

表2 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分組的格式

3.2 路由建立階段

PQR分路由建立和數(shù)據(jù)傳輸兩個(gè)階段，PQR的路由建立過(guò)程如圖2所示。

圖2 PQR的路由建立過(guò)程

網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)后，Sink 廣播路由發(fā)現(xiàn)分組，對(duì)于收到路由發(fā)現(xiàn)分組的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，取出包首部的Hops、GLQI、Energy、SenderID、SinkID 等參數(shù)，將Hops 加1 得到新的跳數(shù)newHops；根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度按公式（1）計(jì)算出鏈路質(zhì)量LQI，并按公式（2）計(jì)算出新的綜合鏈路質(zhì)量newGLQI；然后將newHops、newGLQI 和Energy 與節(jié)點(diǎn)當(dāng)前保存的currentHops 和currentGLQI 和currentEnergy進(jìn)行比較，如果其值更優(yōu)，則更新路徑質(zhì)量信息，并將SenderID 記錄為父節(jié)點(diǎn)，表示該節(jié)點(diǎn)已加入網(wǎng)絡(luò)；最后根據(jù)新的路徑質(zhì)量信息修改分組的首部，并重新廣播路由發(fā)現(xiàn)分組。

新的路徑質(zhì)量是否優(yōu)于節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前值的判斷原則是：鄰節(jié)點(diǎn)的剩余能量要高于門(mén)檻值（初始能量的30%），并且跳數(shù)和綜合鏈路質(zhì)量滿足以下規(guī)則之一：

規(guī)則1(isConnected=false)&&(LQI ＞=ThresholdLQI)

規(guī)則2(currentHops ＞newHops)&&(newGLQI ＞=currentGLQI||newGLQI ＞=GoodLQI)

規(guī)則3(currentHops=newHops)&&(newGLQI ＞currentGLQI)

規(guī)則4(currentHops=newHops-1)&&(currentGLQI ＜GoodLQI)(newGLQIcurrentGLQI ＞=GoodLQI-ThresholdLQI)

其中，ThresholdLQI 和GoodLQI 是兩個(gè)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，前者是鏈路質(zhì)量的門(mén)檻值，用于淘汰質(zhì)量太差的鏈路，后者是丟包率低于10%時(shí)的鏈路質(zhì)量值，表示鏈路質(zhì)量很好。

規(guī)則1 表示：如果節(jié)點(diǎn)尚未加入網(wǎng)絡(luò)，且鏈路質(zhì)量不是太差，則加入網(wǎng)絡(luò)。

規(guī)則2 表示：新的路徑跳數(shù)更少，且綜合鏈路質(zhì)量更優(yōu)或很好。

規(guī)則3 表示：新的路徑和當(dāng)前路徑跳數(shù)相等，且綜合鏈路質(zhì)量更優(yōu)。

規(guī)則4 表示：新的路徑比當(dāng)前路徑跳數(shù)更大，但當(dāng)前路徑的綜合鏈路質(zhì)量不高，且新路徑的綜合鏈路質(zhì)量遠(yuǎn)優(yōu)于當(dāng)前路徑的值。

3.3 數(shù)據(jù)傳輸階段

路由建立階段結(jié)束后，網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸階段，此時(shí)如果網(wǎng)絡(luò)層收到應(yīng)用層傳來(lái)的傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)加入發(fā)送緩沖隊(duì)列中，等待發(fā)送。如果網(wǎng)絡(luò)層收到MAC 層傳來(lái)的數(shù)據(jù)分組，則先判斷自己是否為該分組的接收方，如果是，則接收。再進(jìn)一步判斷，如果自己是Sink，則表明數(shù)據(jù)已到達(dá)目的地，將數(shù)據(jù)上交應(yīng)用層處理，否則，將轉(zhuǎn)發(fā)該分組。PQR 數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫未a如下：

FOR each node DO

IF 收到傳感器采集的數(shù)據(jù)THEN

SeqNum++//包序號(hào)加1

將數(shù)據(jù)封裝成分組，并加入發(fā)送緩沖隊(duì)列TXBuffer

ENDIF

IF MAC層收到數(shù)據(jù)分組THEN

取出包中的下一跳地址NextHop

IF(NextHop=self)THEN//self 表示自己的地址

IF(self=sin kID)THEN

將分組上交應(yīng)用層

ELSE//轉(zhuǎn)發(fā)分組

修改分組首部的信息(SenderID、NextHop)

將分組加入發(fā)送緩沖隊(duì)列

ENDIF

ENDIF

ENDIF

IF isConnected THEN//節(jié)點(diǎn)已加入網(wǎng)絡(luò)

WHILE(!TXBuffer.empty())DO//發(fā)送緩沖隊(duì)列非空

讀取發(fā)送緩沖隊(duì)列的首元素，并發(fā)送

TXBuffer.pop()//刪除發(fā)送緩沖隊(duì)列的首元素

ENDWHILE

ENDIF

ENDFOR

4 仿真實(shí)驗(yàn)

仿真實(shí)驗(yàn)采用的操作系統(tǒng)為Ubuntu 14.04，網(wǎng)絡(luò)仿真軟件為OMNET++4.6[18]。將本文提出的基于路徑質(zhì)量的路由協(xié)議PQR和基于鏈路質(zhì)量的路由協(xié)議EEDR[17]進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表3 所示。區(qū)域面積從100 m×100 m 到300 m×300 m，每次增加20 m，共11 種區(qū)域。對(duì)每一區(qū)域面積重復(fù)實(shí)驗(yàn)10 次，取平均值，每次實(shí)驗(yàn)采用不同的隨機(jī)數(shù)種子來(lái)生成節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)分布圖。

當(dāng)區(qū)域面積為180 m×180 m 時(shí)，隨機(jī)生成的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布圖如圖3 所示，PQR 所生成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示?？梢钥闯鼍W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖較為合理，絕大多數(shù)節(jié)點(diǎn)都找到了到達(dá)基站的跳數(shù)較少且鏈路質(zhì)量較高的最優(yōu)路徑，但也有個(gè)別節(jié)點(diǎn)的路徑不是最優(yōu)，原因在于：在路由建立階段，基站廣播路由發(fā)現(xiàn)分組時(shí)存在丟包現(xiàn)象，如果從最優(yōu)路徑傳來(lái)的路由發(fā)現(xiàn)分組丟失，則節(jié)點(diǎn)將選擇次優(yōu)路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

表3 仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖3 隨機(jī)生成的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布圖

圖4 PQR所生成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

網(wǎng)絡(luò)的包投遞率對(duì)比圖如圖5 所示?？梢钥闯觯簩?duì)于不同的區(qū)域面積，PQR 的包投遞率都高于EEDR，當(dāng)區(qū)域面積小于等于220 m×220 m 時(shí)，PQR 的包投遞率高于80%，隨著網(wǎng)絡(luò)區(qū)域面積的繼續(xù)增大，兩種協(xié)議的包投遞率都迅速下降。包投遞率下降的原因在于：當(dāng)區(qū)域面積增大時(shí)，節(jié)點(diǎn)間的距離也相應(yīng)增加，造成丟包率增加。另外，當(dāng)區(qū)域面積等于100 m×100 m 時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的包投遞率并非取得最大值，因?yàn)楫?dāng)區(qū)域面積太小時(shí)，節(jié)點(diǎn)間相距較近，通信干擾較大，所以造成網(wǎng)絡(luò)容易丟包。總體來(lái)看，PQR比EEDR的平均包投遞率高9.3%。

圖5 網(wǎng)絡(luò)的包投遞率對(duì)比圖

根據(jù)公式（4）計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)的平均包能耗，兩種協(xié)議的對(duì)比圖如圖6 所示?？梢钥闯觯簩?duì)于不同的區(qū)域面積，PQR 的包能耗都低于EEDR，當(dāng)區(qū)域面積小于等于260 m×260 m 時(shí)，兩種協(xié)議的包能耗都隨著區(qū)域面積的增加而增大，當(dāng)區(qū)域面積繼續(xù)增大時(shí)，包能耗反而下降。因?yàn)楫?dāng)區(qū)域面積過(guò)大時(shí)，節(jié)點(diǎn)的分布將非常稀疏，造成部分遠(yuǎn)離Sink 的節(jié)點(diǎn)無(wú)法接入到網(wǎng)絡(luò)中，這樣只有離Sink 較近的節(jié)點(diǎn)能夠接入網(wǎng)絡(luò)，并發(fā)送數(shù)據(jù)，而離Sink較近的節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包，轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)少，因此，包能耗會(huì)下降?？傮w來(lái)看，PQR比EEDR的平均包能耗低5.2%。

圖6 平均包能耗對(duì)比圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于路徑質(zhì)量的無(wú)線傳感網(wǎng)路由協(xié)議，在路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)能夠根據(jù)路由控制包中所攜帶的路徑質(zhì)量信息（包括跳數(shù)、綜合鏈路質(zhì)量和節(jié)點(diǎn)能量）選出一條質(zhì)量最好的路徑，從而提高了網(wǎng)絡(luò)的包投遞率，降低了網(wǎng)絡(luò)的能耗。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：PQR 比EEDR 的平均包投遞率高9.3%，比EEDR 的平均包能耗低5.2%。