一種能量有效的基于虛擬骨干網的WSN范圍選擇再編程協(xié)議*

譚 勁，張曼曼

(中國計量學院信息工程學院，杭州310018)

無線傳感器網絡(WSN)是由大量通信能力、處理能力和能量供應都十分受限的微型傳感器節(jié)點，以自組織和多跳的方式構成的無線通信網絡，通過協(xié)作感知、采集和處理監(jiān)測區(qū)域的數據，以實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測的目的。一旦部署成功，WSN通常要長期工作在無人協(xié)助的環(huán)境中，在此期間為了適應環(huán)境和網絡拓撲的動態(tài)變化，需要相應的改變用戶的部分需求，并隨之調整軟件的功能，這都需要對傳感節(jié)點上的應用程序進行再編程。同時，由于網絡部署的隨機性、規(guī)模性和工作環(huán)境的特定性，使得傳統(tǒng)的手工再編程已經不切實際，甚至是不可行的。這就需要網絡再編程，即通過無線通信的方式遠程對節(jié)點進行軟件更新。

網絡再編程主要包含兩部分內容:第一部分是傳感節(jié)點上已裝入更新代碼的安裝機制，屬于操作系統(tǒng)與硬件結構研究的范疇;第二部分是分布更新軟件到傳感節(jié)點的傳播機制，屬于網絡協(xié)議的范疇，是目前研究的重點和熱點[1]。已有的網絡再編程協(xié)議，根據傳感節(jié)點資源受限的特點，通過無線信道，采用單跳或多跳的空中加載技術，將軟件影像傳輸到整個網絡。然而，這些協(xié)議大多假定網絡是同構的，即將同一軟件影像傳輸到網絡中的所有節(jié)點，不具有范圍選擇功能。實際上，為了增強網絡的可靠性和延長整個網絡的生命周期，傳感節(jié)點在傳感對象、通信能力、硬件資源(CPU處理能力、帶寬、能量)等方面都是異構的[2－3]。不同的節(jié)點或者節(jié)點集會運行不同功能的應用程序，以完成不同的傳感任務。由于傳感節(jié)點的異構性、傳感任務的多樣性和軟件對地點的可能的依賴性，使得將軟件影像傳輸到整個網絡是不合適的[4]，這就需要在軟件傳輸過程中對網絡中的節(jié)點進行動態(tài)的選擇，即對運行某種特定應用程序的所有節(jié)點進行再編程。

本文提出了一種能量有效的基于虛擬骨干網的WSN范圍選擇再編程協(xié)議。該協(xié)議首先根據要更新的應用程序、節(jié)點的剩余能量、有效度數和節(jié)點間的鏈路質量，選出合適的核心節(jié)點，創(chuàng)建虛擬骨干網，然后分兩個階段實現(xiàn)數據傳輸。在第一階段軟件影像由Sink節(jié)點通過流水線的方式，先可靠傳輸給核心節(jié)點;在第二階段由核心節(jié)點并行傳輸到需要的普通節(jié)點。有效地減少了參與再編程的節(jié)點數，節(jié)省了能量，實現(xiàn)了范圍選擇。另外，采用協(xié)調調度并引進睡眠機制，使得不參與數據傳輸的節(jié)點關閉無線通信裝置，進一步減少能量消耗。性能分析和仿真實驗表明:與已有的協(xié)議ThreeStages和Aqueduct相比，本協(xié)議節(jié)省了大約5．6% ～24．8%的平均延時和5．1% ～27．7%的能量消耗。

1 相關工作

文獻[5－6]對現(xiàn)有的網絡再編程協(xié)議給出了很好的總結。這些協(xié)議大多假定網絡中的所有節(jié)點都需要同一版本的軟件影像。Trickle[7]通過周期性的廣播軟件影像的元數據(Meta-Data)來檢測鄰域內的節(jié)點是否需要進行軟件更新。動態(tài)的調整廣播率對控制消息起到了抑制作用，減少了由廣播風暴引起的數據冗余。Deluge[8]對Trickle進行了擴展，將較大的軟件影像分割成固定大小的數據頁，引進流水線操作，實現(xiàn)了空間的多路復用。循環(huán)冗余碼校驗CRC的引入，保證了軟件更新的可靠性。MNP[9－10]引進發(fā)送者選擇機制，選擇鄰域內接收到請求最多的節(jié)點為本次的發(fā)送者。支持流水線操作，實現(xiàn)了數據的快速傳播。同時，MNP引進了睡眠機制，通過減少節(jié)點無線通信活躍的時間來節(jié)省能量的消耗。Sprinkler[11]和 CORD[12]采用層次結構的方式分發(fā)軟件影像，即將網絡再編程分成兩個不同的階段。第一階段:由Sink節(jié)點將軟件影像可靠的傳播到網絡中的核心節(jié)點(Core Node);第二階段:核心節(jié)點并行的將軟件影像傳播給自己鄰域內的非核心(Non-Core Node)節(jié)點。這種類型的協(xié)議可以有效的減少能量的消耗，而關鍵是在網絡中創(chuàng)建有效的虛擬骨干網，也就是連通支配集(CDS)。

近期的文獻開始著重研究異構WSN的具有范圍選擇的再編程協(xié)議。Melete[13]根據傳感節(jié)點任務的不同，分成不同的分組。分組內部使用Trickle算法傳輸數據，分組間通過構造“轉發(fā)區(qū)域”進行數據傳輸，并采用TTL(Time To Live)的方式限制傳輸的范圍。Aqueduct[14]對 Deluge 進行了擴展，使其具有范圍選擇功能。通過創(chuàng)建成員節(jié)點間的最短路徑，建立起成員節(jié)點間的中間橋梁，從而進行軟件的分發(fā)。文獻[15]引進了一個準備階段，在這個階段中每個節(jié)點獲得自己的角色分配。角色分為3種，分別是需要更新的節(jié)點，轉發(fā)節(jié)點和完全不參與的節(jié)點。再編程的范圍選擇，通過每個需要更新的節(jié)點，以樹形方式向Sink節(jié)點發(fā)送消息實現(xiàn)。作者的前期工作，ThreeStages協(xié)議[16]變傳統(tǒng)的 ADV-REQDATA三次握手協(xié)議為路由形成、代碼傳送、請求丟失包三個階段協(xié)議;中間轉發(fā)節(jié)點通過獲取一跳范圍內希望接收更新代碼數據的節(jié)點序列，采取單播或組播方式有針對性傳送更新代碼，而不是泛洪式的廣播，減少了REQ確認信息包。但該協(xié)議并未考慮節(jié)點的剩余能量問題，路由上的節(jié)點可能由于能量不足，而無法實現(xiàn)軟件影像的可靠傳輸。另外，可以通過引進適當的睡眠機制，進一步節(jié)省能耗。Pasztor[17]等人將無線傳感器網絡應用到野生動物的監(jiān)測上，根據動物或人類都是社會群體，具有明顯的社會模式和群體交互，提出了針對動態(tài)網絡的具有范圍選擇的再編程協(xié)議。

然而，目前在具有范圍選擇的網絡再編程協(xié)議的研究方面，還存在一些問題:協(xié)議一般是基于3次握手機制的，眾多的REQ會帶來確認爆炸問題;不能做出正確、有效的范圍選擇;很少考慮節(jié)點的剩余能量問題，導致可能由于節(jié)點的能量不足，而不能實現(xiàn)軟件影像的可靠傳輸。

2 系統(tǒng)模型

本文的系統(tǒng)模型如下:

(1)整個網絡有一個基站Sink，節(jié)點隨機分布在一個二維區(qū)域中，每個節(jié)點擁有唯一的ID，并都能以單跳或多跳的方式，將自己感知的數據傳輸到Sink。如圖1所示，圖中有矩形、圓形、菱形三類節(jié)點，對菱形節(jié)點進行軟件更新，即菱形節(jié)點為本次的成員節(jié)點。

(2)用一個連通圖G=(V，E)，來表示WSN。其中，V是節(jié)點的集合即WSN中的所有傳感節(jié)點的集合，E是節(jié)點間邊的集合。用R(si)表示節(jié)點si的通信半徑，d(si，sj)表示節(jié)點si和sj之間的歐式距離，每條邊 e=(si，sj)∈E(其中，si，sj∈V)都有 d(si，sj)＜R(si)[18]。

(3)研究的WSN是靜態(tài)的，且無線通信是雙向的，并且是在網絡運行一定時間的基礎上對網絡進行再編程。根據之前數據交換時數據包的丟失率，統(tǒng)計得到節(jié)點間的鏈路質量 Quv，且 Quv=min(Qu－＞v，Qv－＞u)[12]。每個節(jié)點中都保存有自己的鄰居列表，鄰居列表包括該節(jié)點的所有鄰居節(jié)點和鄰居節(jié)點與該節(jié)點間的鏈路質量。

(4)再編程開始時，Sink節(jié)點會將軟件影像分割成數據頁，每頁包含K個數據包(最后一頁包含的數據包的數量可以小于K)。同時，記錄下起始時間，并將時間分成長度為L的時間片。時間片相對較長，長到可以完整可靠的傳輸完一個數據頁的K個數據包。

圖1 再編程網絡結構(對菱形節(jié)點進行再編程)

本文使用到的新的定義:

定義1 核心節(jié)點:是將WSN看作是一個連通圖而構造的虛擬骨干網上的節(jié)點，Sink節(jié)點默認為虛擬骨干網上的核心節(jié)點。

定義2 非核心節(jié)點:在創(chuàng)建虛擬骨干網時，上層核心節(jié)點在自己的鄰居節(jié)點中選擇符合條件的節(jié)點為下層核心節(jié)點，并發(fā)送通知消息給所有鄰居節(jié)點，收到通知消息而未被選為核心節(jié)點的鄰居節(jié)點為下層非核心節(jié)點。

定義3 剩余節(jié)點:虛擬骨干網創(chuàng)建完成之后，網絡中除核心節(jié)點與非核心節(jié)點之外，可能還有剩余的節(jié)點，這些節(jié)點為剩余節(jié)點。

定義4 普通節(jié)點:網絡中除虛擬骨干網上的核心節(jié)點之外的節(jié)點，包括非核心節(jié)點和剩余節(jié)點。

定義5 父節(jié)點:一個節(jié)點的父節(jié)點，是能夠與該節(jié)點直接通信的上游核心節(jié)點。如圖1中Sink節(jié)點是節(jié)點2、節(jié)點4和節(jié)點12的父節(jié)點。

定義6 有效度數d(si):一個節(jié)點的有效度數，是從自己的所有鄰居節(jié)點中減去自己的鄰居節(jié)點與父節(jié)點的鄰居節(jié)點的交集后，該節(jié)點所剩的鄰居節(jié)點數，如圖1中節(jié)點4的有效度數是2。

定義7 權重w(si):一個節(jié)點的權重，是將該節(jié)點的剩余能量和有效度數綜合考慮的結果。w(si)=Er(si)＞Es＆＆d(si)＞Ds，其中 Es表示核心節(jié)點剩余能量的閾值，Er(si)為節(jié)點si的剩余能量，Ds為核心節(jié)點有效度數的閾值，＆＆表示邏輯且。如果節(jié)點的剩余能量和有效度數都分別超過對應的閾值，則w(si)為1，否則為0。

3 協(xié)議描述

本文協(xié)議設計分為兩個部分:

(1)根據要更新的應用程序、節(jié)點的剩余能量、有效度數和節(jié)點間的鏈路質量，選出合適的核心節(jié)點，創(chuàng)建虛擬骨干網。

(2)傳輸軟件更新:分兩個階段實現(xiàn)軟件更新的傳輸，在第一階段軟件影像由Sink節(jié)點通過流水線的方式，先傳輸給核心節(jié)點;在第二階段由核心節(jié)點并行傳輸到需要軟件更新的普通節(jié)點。

3．1 協(xié)議消息

本協(xié)議中使用了以下7種消息，消息格式見圖2。

圖2 協(xié)議中使用的消息

CLAIM:核心節(jié)點的聲明消息，消息中的“應用程序的版本號Vi”包含兩層意思，需要更新的是什么類型的軟件和該軟件更新到什么程度?！皶r間偏移O”是第一個時間片開始的時間到現(xiàn)在的時間偏移?！肮?jié)點在網絡中的層數”是節(jié)點距離Sink節(jié)點的具體跳數。

COMPETE:同屬于一個父節(jié)點，并與父節(jié)點具有良好鏈路質量，且權重為1的節(jié)點競爭成為核心節(jié)點時發(fā)送的消息。成員節(jié)點具有競爭優(yōu)先權。

ANNOUNCE:通知消息，父節(jié)點從參與競爭的節(jié)點中選擇出核心節(jié)點，通過ANNOUNCE消息通知自己的鄰居節(jié)點。

ADV:傳輸數據的廣告消息，整個軟件影像分割成了固定大小的數據頁，并對數據頁進行編號，按照編號由小到大的順序，以數據頁為單位進行傳輸。每個數據頁內部同樣對包含的數據包進行了編號。

REQ:數據請求消息，如果由于某種原因(如:數據包在傳輸過程中丟失)，需要重傳某些數據包，或者普通節(jié)點需要核心節(jié)點ADV廣告的數據，則請求節(jié)點需要發(fā)送REQ消息。

DATA:數據發(fā)送消息，分為兩種情況，如果是REQ請求的數據，則根據收到的REQ中的相關字段，發(fā)送對應的某個數據頁的某些數據包;否則，則根據之前發(fā)送的ADV的相關字段，發(fā)送對應的某個數據頁的所有數據包。

TEST:測試消息，在虛擬骨干網創(chuàng)建完成之后，網絡中可能存在一些剩余節(jié)點。這些節(jié)點可能不知道自己是否需要更新，則在數據傳輸階段，發(fā)送TEST消息給與自己鏈接質量最好的鄰居節(jié)點，查看是否需要軟件更新，并做出相應處理。

3．2 虛擬骨干網的創(chuàng)建

協(xié)議的關鍵是虛擬骨干網的創(chuàng)建，在創(chuàng)建虛擬骨干網選擇核心節(jié)點時，協(xié)議充分考慮了節(jié)點的剩余能量問題，以保證核心節(jié)點有充足的能量，來實現(xiàn)軟件影像的可靠傳輸。由于一般的傳感節(jié)點不具備直接測量其剩余能量的功能，本協(xié)議采用一種間接的方法計算節(jié)點的剩余能量。傳感節(jié)點的耗能模塊分別是傳感模塊、通信模塊和處理模塊，則節(jié)點的剩余能量為初始能量減去這3個耗能模塊消耗的能量的總和(假定在網絡開始運行時，傳感節(jié)點都具有相同的初始能量)。用E0表示初始能量，Er表示剩余能量，Esen表示傳感模塊消耗的能量，Ecom表示通信模塊消耗的能量，Ecpu表示處理模塊消耗的能量，可得:

然而傳感節(jié)點的通信模塊的功耗，遠比傳感模塊和通信模塊大得多，且通信模塊在節(jié)點的生命周期內一般都是開啟的，進而得到傳感節(jié)點的通信模塊，遠比傳感模塊和處理模塊消耗的能量多。因此，傳感節(jié)點的剩余能量約等于初始能量減去通信模塊消耗的能量，可得:

再編程開始時，Sink節(jié)點會根據要傳輸的軟件影像的大小，計算出虛擬骨干網上的核心節(jié)點完成整個再編程任務時，需要消耗的能量，繼而給出核心節(jié)點剩余能量的閾值Es。傳感節(jié)點根據式(2)計算出自己的剩余能量Er，只有Er大于Es時才可以成為核心節(jié)點。

節(jié)點的有效度數與節(jié)點間的鏈路質量，與WSN的部署環(huán)境和網絡的分布密度有關，根據實際經驗選取對應的有效度數的閾值Ds和鏈路質量的閾值Qs。

本文對文獻[18－19]提出的虛擬骨干網的算法進行了改進，使得需要更新的成員節(jié)點具有成為核心節(jié)點的優(yōu)先權，對異構的WSN的再編程做出了范圍選擇的處理。以下是虛擬骨干網創(chuàng)建的過程:

(1)核心節(jié)點(最初是Sink節(jié)點)根據鄰居列表，將CLAIM消息組播給所有鄰居節(jié)點。

(2)節(jié)點收到CLAIM消息后，如果已知自己在網絡中的分層，且分層小于或等于CLAIM消息中“節(jié)點在網絡中的層數”則丟棄不做處理。否則，復制CLAIM內容，選擇發(fā)送CLAIM消息的源節(jié)點為父節(jié)點，與其保持同步，存儲父節(jié)點的ID，計算自己在網絡中的分層為父節(jié)點的網絡層數加1(Sink節(jié)點在網絡中的分層為0)。如果收到上層多個核心節(jié)點發(fā)送來的CLAIM消息，則選擇ID最小的源節(jié)點為父節(jié)點，將其他CLAIM消息丟棄不做處理。

圖3 虛擬骨干網創(chuàng)建的主要流程圖

(3)與父節(jié)點具有良好鏈路質量(與父節(jié)點之間的鏈路質量達到閾值Qs)，且權重為1的節(jié)點，在收到CLAIM消息后，單播COMPETE消息給父節(jié)點，父節(jié)點從中選擇核心節(jié)點。在這些節(jié)點中:(a)如果有成員節(jié)點，則選擇所有的成員節(jié)點為核心節(jié)點，且不再選擇同層的非成員節(jié)點為核心節(jié)點;(b)如果沒有成員節(jié)點，則選擇有效度數最大的節(jié)點為核心節(jié)點(如果有效度數相同，則選擇ID最小的節(jié)點)。父節(jié)點做出決定后，組播ANNOUNCE消息給所有鄰居節(jié)點。

(4)回到步驟(1)，并循環(huán)執(zhí)行步驟(1)～步驟(3)，直到找到網絡中最后一個核心節(jié)點為止。

這時網絡中可能存在一些剩余節(jié)點，這些節(jié)點可能不知道自己是否需要軟件更新，在數據傳輸階段將會對其進行處理。

3．3 數據傳輸

虛擬骨干網創(chuàng)建完成之后，進入到數據傳輸階段，并分為兩個階段進行數據的分發(fā)。由于在第一階段將軟件影像由Sink節(jié)點分發(fā)給核心節(jié)點時，使用了流水線操作，導致同時發(fā)送數據的兩個節(jié)點間至少有3跳的距離，才能避免數據干擾，如圖4所示。因此采用與 CORD[12]類似的時間調度方案。調度由重復的長度為L的時間片組成，在數據傳輸時每個核心節(jié)點輪流進入發(fā)送、接收和睡眠狀態(tài)。我們將這些在時間調度中連續(xù)的時間片，分別用SSlot、R-Slot和Q-Slot來表示。核心節(jié)點的時間調度即是重復S-R-Q。圖5闡明了處于3個網絡分層的鄰接的核心節(jié)點u、v、w的時間調度情況。

圖4 流水線傳輸

圖5 3個鄰接核心節(jié)點的協(xié)調調度

數據傳輸的兩個階段:

(1)由Sink節(jié)點開始，將軟件影像以數據頁為單位傳輸給虛擬骨干網中的核心節(jié)點。傳輸采用流水線操作，伴隨著時間調度，以單播或者組播的方式進行。主要算法見圖6。

圖6 數據傳輸第一階段

(2)核心節(jié)點并行的將軟件影像傳輸給需要更新的普通節(jié)點。傳輸以單播或者組播的方式進行。主要算法見圖7。

圖7 數據傳輸第二階段

在虛擬骨干網創(chuàng)建完成之后，網絡中可能存在一些剩余節(jié)點。這些節(jié)點可能不知道自己是否需要更新，則在數據傳輸的第一階段，以單播的方式發(fā)送TEST消息給與自己鏈路質量最好的鄰居，這個鄰居節(jié)點收到消息后根據保存的CLAIM消息，判斷TEST的發(fā)送節(jié)點是否需要軟件更新。(這個鄰居可能是核心節(jié)點，也可能是緊鄰核心節(jié)點的非核心節(jié)點)如果不需要更新，則不做處理;如果需要更新則在數據傳輸的第二階段做以下操作:(a)如果這個鄰居是核心節(jié)點，則該核心節(jié)點在組播了ADV消息，并收到非核心的成員節(jié)點發(fā)送的REQ消息后，將軟件影像一起組播給需要的成員節(jié)點和這個發(fā)送TEST消息的節(jié)點;(b)如果這個鄰居是非核心節(jié)點，則在這個鄰居的父節(jié)點組播了ADV消息后，這個鄰居節(jié)點向其父節(jié)點單播REQ請求軟件更新。獲得完整軟件后，再轉發(fā)給需要的鄰居節(jié)點。

4 性能分析

4．1 仿真環(huán)境與模擬設定

在不同軟件更新大小傳輸下，我們利用OMNet++4．0網絡仿真環(huán)境，比較Aqueduct和作者前期提出的ThreeStages協(xié)議，與本協(xié)議在平均時間延遲和能量消耗方面的性能。仿真的網絡模型和參數與ThreeStages協(xié)議相同。實驗假定傳感節(jié)點隨機分布于7*7的網格內，節(jié)點的總數是49，再編程的成員節(jié)點(菱形節(jié)點)為20個，非成員節(jié)點(圓形節(jié)點)為29個。如圖8所示。

模擬參數見表1，模擬結果見圖9～圖11。

表1 模擬參數

圖9 不同軟件更新大小下的平均延時

圖10 不同軟件更新大小下的消息總數

圖11 不同軟件更新大小下是否采用休眠機制的能量消耗

圖8中菱形表示再編程節(jié)點即本次的成員節(jié)點，圓形為非成員節(jié)點。如圖8(1)所示，本實驗根據上文提出的虛擬骨干網創(chuàng)建算法，選出了20個核心節(jié)點，構成整個虛擬骨干網(如圖中實線連接的部分)，將網絡分成了9層(核心節(jié)點中的數字表示該核心節(jié)點在網絡中的層數)。網絡中剩余的29個節(jié)點中，包含24個非核心節(jié)點，與5個剩余節(jié)點。

圖8(1)是在假定節(jié)點都有充足的剩余能量，來實現(xiàn)軟件影像可靠傳輸的理想情況下形成的。實際上，由于再編程是網絡運行一段時間之后開始的，耗能模塊主要是通信模塊對傳感節(jié)點有限的能量進行了消耗。再編程進行時，傳感節(jié)點的剩余能量可能不足以完成對應的再編程任務。尤其是虛擬骨干網上的核心節(jié)點，由于需要參與數據傳輸的兩個階段，對剩余能量要求較高。因此，在創(chuàng)建虛擬骨干網選擇核心節(jié)點時，要充分考慮節(jié)點的剩余能量。圖8的(2)是在(1)的實驗基礎上設定節(jié)點15的剩余能量不足，因而不能參與競爭成為核心節(jié)點，則其父節(jié)點8選擇節(jié)點16為下一層的核心節(jié)點，繼而逐層選擇核心節(jié)點形成新的虛擬骨干網。

4．2 時間延遲

本協(xié)議總的時間延遲，包括虛擬骨干網的創(chuàng)建時間和數據傳輸時間兩部分。而數據傳輸部分又包含兩個階段。用T表示總的傳輸時間，Tcds表示虛擬骨干網的創(chuàng)建時間，Ttf表示數據傳輸第一階段的時間，Tts表示數據傳輸第二階段的時間，可得:

虛擬骨干網創(chuàng)建時間，是由選取網絡中每一層的核心節(jié)點的時間構成的。用L表示將網絡分成的最大層數，用Ncom表示每一層中向自己的父節(jié)點，發(fā)送COMPETE消息的節(jié)點數，可得:

數據傳輸的第一階段，是由Sink節(jié)點將軟件影像通過流水線的方式，先傳輸給核心節(jié)點。結合流水線傳輸和協(xié)調調度，可得:

數據傳輸的第二階段，是由核心節(jié)點將軟件影像并行傳輸到需要的普通節(jié)點。由于傳輸時最多只有兩跳，所以無法使用流水線操作，可得:

圖9顯示了本協(xié)議與ThreeStages和Aqueduct，在平均延時方面的對比。可以得到本協(xié)議在平均延時方面優(yōu)于ThreeStages和Aqueduct，降低了大約5．6% ～24．8%的平均延時。原因是Aqueduct的中間節(jié)點在轉發(fā)每一個數據頁后，都要等待一個時間片，延長了再編程的時間。ThreeStages在數據傳輸時沒有使用流水線操作。而本協(xié)議在創(chuàng)建完虛擬骨干網之后，在數據傳輸的第一階段，上層核心節(jié)點只需根據自己存儲的下層核心節(jié)點的ID，以流水線的方式單播或者組播發(fā)送ADV和數據。在第二階段，核心節(jié)點并行的將軟件更新傳輸給需要的節(jié)點，而需要軟件更新的節(jié)點距離自己的核心節(jié)點最多只有2跳，可以實現(xiàn)數據的快速傳輸。

4．3 能量消耗

因為通信模塊遠比處理模塊和傳感模塊消耗的能量多，對于網絡的耗能問題，我們沒有直接測試每個節(jié)點的能量消耗，而是轉化為統(tǒng)計出所有節(jié)點收發(fā)的消息總數。本協(xié)議的總消息數，包含創(chuàng)建虛擬骨干網時收發(fā)的消息數和數據傳輸時收發(fā)的消息數兩部分。其中，創(chuàng)建虛擬骨干網時的消息為CLAIM、COMPETE和ANNOUNCE消息，都是控制消息，而在數據傳輸時的消息為ADV、REQ、TEST和DATA消息，前3者是控制消息，而DATA消息為數據消息。用N表示消息總數，Ncds表示創(chuàng)建虛擬骨干網的消息數，Nt表示傳輸數據時的消息數，可得:

由圖10可以看出與ThreeStages和Aqueduct相比，本協(xié)議在能量消耗方面優(yōu)勢明顯，降低了大約5．1% ～27．7%的能量消耗。原因是在Aqueduct中所有的節(jié)點都廣播ADV消息，并且每個節(jié)點都有可能成為數據的發(fā)送者。ThreeStages在路由形成時，采用泛洪的廣播方式轉發(fā)了比較多的消息，在代碼傳送階段采用組播或單播的形式傳送。在本協(xié)議中，虛擬骨干網創(chuàng)建時就采用組播或單播的方式轉發(fā)消息，在數據傳送階段只有核心節(jié)點才會發(fā)送ADV和數據，并且遵循固定的調度，有效減少了收發(fā)的消息總數。

4．4 休眠機制下節(jié)省的能量

結合傳感器節(jié)點在發(fā)送消息、接收消息、空閑監(jiān)聽和休眠這4種狀態(tài)下的功耗情況，即節(jié)點在發(fā)送消息時，功耗最多;接收消息和空閑監(jiān)聽的功耗相當，且比發(fā)送消息功耗略小;休眠狀態(tài)下遠比前3者的功耗小。根據數據傳輸第一階段的傳輸時間和協(xié)調調度，得到在數據傳輸第一階段的能量消耗情況。

圖11對比了在數據傳輸第一階段不引進睡眠機制和引進睡眠機制時，網絡消耗的能量，且容易得到后者明顯優(yōu)于前者。原因是引進睡眠機制后，節(jié)點將原來的空閑監(jiān)聽狀態(tài)改為了睡眠狀態(tài)，有效降低了能耗。

5 結論

針對異構的無線傳感器網絡，本文提出了一種能量有效的基于虛擬骨干網的WSN范圍選擇再編程協(xié)議。協(xié)議的關鍵是建立層次路由，即在軟件更新的數據傳輸之前，綜合考慮更新的應用程序、剩余能量、有效度數和節(jié)點間的鏈路質量，選出合適的核心節(jié)點，創(chuàng)建虛擬骨干網。減少了參與再編程的節(jié)點數，降低了能量消耗，實現(xiàn)了范圍選擇。在虛擬骨干網的創(chuàng)建過程中，同時完成節(jié)點與其父節(jié)點之間的同步設置，以便于數據傳輸時協(xié)調調度并引進睡眠機制，從而進一步節(jié)省能量的消耗。數據傳輸分為兩個階段，在第一階段軟件影像首先由Sink節(jié)點通過流水線的方式，可靠的傳輸給核心節(jié)點;在第二階段由核心節(jié)點并行傳輸到需要的普通節(jié)點，有效減少了時間的延遲。協(xié)議中假定了，再編程時只負責轉發(fā)的非成員節(jié)點，不考慮自身的能耗問題，“無私”的完成轉發(fā)軟件影像的任務。再編程結束后，這些節(jié)點可能由于能量所剩無幾，而無法繼續(xù)正常的傳感工作。將來主要研究，非成員節(jié)點如何根據要傳輸的軟件影像的大小和節(jié)點的剩余能量，在保證后續(xù)工作能夠正常進行的情況下參與再編程，完成軟件影像的可靠轉發(fā)。

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