無(wú)線傳感網(wǎng)節(jié)能安全路由策略

袁振超，王更練，崔 潔

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116;2.中國(guó)人民解放軍91469部隊(duì)，北京 100000)

目前，無(wú)線傳感網(wǎng)(WSN)的發(fā)展日趨完善，其相關(guān)研究領(lǐng)域逐漸多元化，比較熱門的有能量感知、安全策略、協(xié)作傳輸、跨層優(yōu)化等。文獻(xiàn)［1］提出了能量動(dòng)態(tài)調(diào)整路由的方法，減輕了GPSR容易形成熱點(diǎn)路由的缺陷，但很少考慮到數(shù)據(jù)傳輸安全的問(wèn)題。文獻(xiàn)［2］建立了高效數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，減少了傳輸成本，但是僅僅從數(shù)據(jù)分配結(jié)構(gòu)考慮節(jié)能。文獻(xiàn)［3］比較全面地考慮到節(jié)能安全，并滿足協(xié)作傳輸?shù)膶?shí)時(shí)需求，但只是從調(diào)度方面去考慮節(jié)能安全，缺乏對(duì)剩余能量和距離的考慮。文獻(xiàn)［4］建立節(jié)點(diǎn)喚醒和休眠機(jī)制來(lái)減少能量的損耗，但是缺乏對(duì)數(shù)據(jù)延遲因素的考慮，不利于數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性傳輸。

從以上的分析中可以看出，在試圖改善WSN性能的方法中，缺少統(tǒng)籌考察多項(xiàng)性能的優(yōu)化方法。本文將在綜合考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量和下一跳距離等要素下尋找下一跳節(jié)點(diǎn)、監(jiān)督節(jié)點(diǎn)及選擇性的休眠喚醒［5］節(jié)點(diǎn)，確保信息安全傳輸，并通過(guò)主副路徑［6］的協(xié)作確保信息的實(shí)時(shí)性傳輸。

1 系統(tǒng)模型

1.1 路由節(jié)點(diǎn)的選擇

本文的建模采用平面靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在初始階段，節(jié)點(diǎn)廣播自己的位置、剩余能量，每個(gè)節(jié)點(diǎn)由此記錄下與自己最近的6個(gè)節(jié)點(diǎn)作為可能的下一跳節(jié)點(diǎn)［7］，并在6個(gè)節(jié)點(diǎn)中篩選出3個(gè)(在S兩側(cè)的概率是1/2)離目的節(jié)點(diǎn)最近的節(jié)點(diǎn)，確保路由不會(huì)往相反方向傳遞。如下圖1所示，源節(jié)點(diǎn)S選擇最近的6個(gè)節(jié)點(diǎn)，然后依據(jù)目的節(jié)點(diǎn)P的距離選擇3個(gè)候選節(jié)點(diǎn)，候選節(jié)點(diǎn)里有S的下一跳和S的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。從S，P和目的節(jié)點(diǎn)的位置容易看出該路由距離最短，即S不會(huì)向遠(yuǎn)離P的方向傳遞信息，這樣符合GPSR路由的理念，又避免形成熱點(diǎn)路由，對(duì)節(jié)點(diǎn)能耗起到動(dòng)態(tài)控制作用。

圖1 路由節(jié)點(diǎn)選擇示意

1.2 路由的形成

按照上述節(jié)點(diǎn)的選擇方法，通過(guò)初始化階段的選擇，形成主路徑和副路徑。如圖2所示。

圖2 路由形成示意

圖2中，S為源節(jié)點(diǎn)，P為目的節(jié)點(diǎn)，G為監(jiān)督節(jié)點(diǎn)，G1為n1的監(jiān)督節(jié)點(diǎn)，從S到P的實(shí)線部分為主路徑，下面的虛線部分屬于副路徑。本文對(duì)比GPSR算法，加入能量(Energy)、距離(Distance)、監(jiān)督(Monitoring)概念，故命名為GPSR－EDM。

1.3 傳輸模式

當(dāng)源節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送信息時(shí)，首先發(fā)送喚醒信息包給它最近的2個(gè)節(jié)點(diǎn)(在距離目的節(jié)點(diǎn)最近的3個(gè)中選擇)，剩余能量最大的節(jié)點(diǎn)為S的下一跳n1，另一個(gè)為S的監(jiān)督節(jié)點(diǎn)G0。當(dāng)n1，G0被喚醒并核實(shí)S信息后，S開(kāi)始傳遞信息給n1，n1接收完成后參照S操作機(jī)制繼續(xù)傳輸。監(jiān)督節(jié)點(diǎn)記錄喚醒時(shí)間以及對(duì)數(shù)據(jù)的緩存?zhèn)鬏?。?dāng)整個(gè)路由傳遞結(jié)束后，終端節(jié)點(diǎn)向上反饋剩余能量，每個(gè)節(jié)點(diǎn)記錄本節(jié)點(diǎn)最近節(jié)點(diǎn)的最新剩余能量。一旦主路徑發(fā)生擁塞或斷路現(xiàn)象，副路徑承擔(dān)信息緩存及傳遞信息的任務(wù)，如圖3所示。

圖3 擁塞或者斷路示意

2 算法分析

2.1 路由節(jié)點(diǎn)選擇算法

通過(guò)對(duì)能量和距離［8］的選擇，并對(duì)兩參數(shù)加以量化考察，避免了熱點(diǎn)路由損耗過(guò)快，從而達(dá)到能量均衡消耗［9］的目的。根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸損耗公式［10］

假設(shè)節(jié)點(diǎn)剩余能量為Pi，為保證信息有效傳輸，Pi應(yīng)大于發(fā)送時(shí)消耗能量。考慮到Pi大于發(fā)送者消耗能量的選擇需要有個(gè)下限，本文設(shè)定Pi下限大于待選節(jié)點(diǎn)剩余能量均值，即滿足約束關(guān)系

從以上推導(dǎo)可知:mi與節(jié)點(diǎn)剩余能量和距離相關(guān)，可以用來(lái)表示剩余能量和距離之間的量化關(guān)系。

在此基礎(chǔ)上，本研究采用主流節(jié)能策略，對(duì)節(jié)點(diǎn)采用休眠喚醒機(jī)制，在傳輸過(guò)程中加入的監(jiān)督節(jié)點(diǎn)不會(huì)占用大量能量，因?yàn)橹髀窂截?fù)責(zé)主要的數(shù)據(jù)傳輸，不會(huì)因?yàn)楸O(jiān)督節(jié)點(diǎn)的喚醒而造成不必要的能源浪費(fèi)，反而在安全傳輸方面起到了重要作用，而且保證了鏈路的完整性。

2.2 監(jiān)督節(jié)點(diǎn)作用

在傳輸率不變的情況下，可以通過(guò)增加路徑來(lái)減輕主路徑的負(fù)擔(dān)，進(jìn)而加快數(shù)據(jù)的傳輸，確保傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。此外由于外部環(huán)境的干擾，路由有斷裂的可能。監(jiān)督節(jié)點(diǎn)鏈就可以擔(dān)當(dāng)起路由的作用，保證信息的安全傳輸，如圖3所示。

本文在監(jiān)督節(jié)點(diǎn)中設(shè)立一個(gè)時(shí)間門限，記錄信息包進(jìn)入時(shí)間和傳出時(shí)間，通過(guò)時(shí)間的分析對(duì)比可以查證有沒(méi)有偽造的信息進(jìn)入或者有復(fù)制的跡象。如果有惡意節(jié)點(diǎn)延遲傳輸，信息傳遞時(shí)間則不會(huì)與時(shí)間門限相吻合。若惡意節(jié)點(diǎn)引導(dǎo)信息傳遞，則原路徑下一跳將被跳過(guò)，由于監(jiān)督節(jié)點(diǎn)沒(méi)有相應(yīng)的時(shí)間記錄，可以斷定信息已丟失。此外，由于監(jiān)督節(jié)點(diǎn)有緩存轉(zhuǎn)發(fā)作用，間接保證了信息的完整性和實(shí)時(shí)性。

3 仿真及結(jié)果分析

本文采用MATLAB仿真環(huán)境，結(jié)合GPSR算法，仿真參數(shù)選擇如表1所示。

路由一旦發(fā)生擁塞，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性將下降，丟包率隨之上升。由于本文提出的算法中加入了副路徑，副路徑的緩存轉(zhuǎn)發(fā)功能，減輕了主路徑的負(fù)擔(dān)，利用多路徑傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)加強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的魯棒性，理論上降低了丟包率。圖4驗(yàn)證了以上構(gòu)想，GPSR由于剩余能量和環(huán)境等因素，丟包率快速上升，而本文方法下的丟包率上升平緩，保證了安全傳輸，達(dá)到了預(yù)期效果。

表1 仿真參數(shù)的設(shè)置

圖4 網(wǎng)絡(luò)丟包率

由于本文加入了選擇性休眠喚醒機(jī)制，在信息傳遞之前需要發(fā)送喚醒信息包，會(huì)存在一定的延遲，但由于副路徑的加入形成了多路徑傳播模式，加快了信息的傳遞，延遲將減小。綜合以上因素，通過(guò)圖5的仿真結(jié)果，本文算法下的延遲會(huì)比GPSR的大，但延遲上升率相近，平均相差0.07 s，在可接受范圍之內(nèi)。

圖5 網(wǎng)絡(luò)延遲分析圖

GPSR的路徑選擇是以距離最近為原則的，容易形成熱點(diǎn)路由，剩余能量相差很大。而本文采用動(dòng)態(tài)選擇機(jī)制，加入休眠喚醒機(jī)制，在能量消耗上是均衡的，節(jié)點(diǎn)能量利用率相比GPSR較高。從仿真圖6可以看出上述分析基本符合，而且在200 s以后比GPSR優(yōu)勢(shì)更加明顯。

圖6 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)平均剩余能量

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在研究GPSR路由的基礎(chǔ)上，充分考慮能量均衡消耗及信息傳輸安全，加入監(jiān)督節(jié)點(diǎn)及休眠喚醒機(jī)制，提出一種GPSR－EDM策略，提升了GPSR路由的性能(基于距離選擇)。從仿真結(jié)果可以看出，本文提出的策略在降低系統(tǒng)功耗和保證信息傳遞完整性方面具有很大的優(yōu)勢(shì)，但在網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲方面略顯不足。本研究下一步將針對(duì)該策略在傳輸延遲方面的不足進(jìn)行改進(jìn)，以期達(dá)到更好的傳輸效果。

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