無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中雙信道無(wú)信標(biāo)實(shí)時(shí)路由協(xié)議

黃超

（廣東技術(shù)師范學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，廣州　510665）

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中雙信道無(wú)信標(biāo)實(shí)時(shí)路由協(xié)議

黃超

（廣東技術(shù)師范學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，廣州510665）

0　引言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可廣泛應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)測(cè)、國(guó)防軍事、醫(yī)療健康以及搶險(xiǎn)救災(zāi)等領(lǐng)域［1］。某些事件驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性提出了較高要求，例如在森林防火等事件驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，火警事件的發(fā)生會(huì)使得網(wǎng)絡(luò)中感知數(shù)據(jù)將瞬間劇增，產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)擁塞和沖突會(huì)增加感知信息的傳輸時(shí)延，導(dǎo)致異常高溫信息無(wú)法實(shí)時(shí)有效地傳送到監(jiān)測(cè)中心。由此可見(jiàn)，事件驅(qū)動(dòng)等高負(fù)載網(wǎng)絡(luò)環(huán)境給無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性研究提出了更高的挑戰(zhàn)。

現(xiàn)有的實(shí)時(shí)路由協(xié)議［2］主要采用傳統(tǒng)的地理路由模式，使用周期性信標(biāo)廣播來(lái)建立鄰居節(jié)點(diǎn)的位置、能量和延遲等相關(guān)信息的鄰居表。盡管信標(biāo)廣播能夠獲取鄰居節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)確信息，但也帶來(lái)一些不足：①能耗較高：額外的信標(biāo)廣播會(huì)耗費(fèi)更多的能量；②通信開(kāi)銷較大：所有節(jié)點(diǎn)都需要定期廣播信標(biāo)，增加了網(wǎng)絡(luò)通信開(kāi)銷；③鄰居表信息利用率低：路由選擇中往往只需從鄰居表中選擇一個(gè)或極少數(shù)節(jié)點(diǎn)參與路由轉(zhuǎn)發(fā)，鄰居表信息的利用率很低，而且保存大量未參與路由轉(zhuǎn)發(fā)的鄰居信息還會(huì)增加節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)開(kāi)銷；④不適合動(dòng)態(tài)性網(wǎng)絡(luò)：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓^強(qiáng)時(shí)，鄰居表的準(zhǔn)確度將降低，而為維護(hù)鄰居表信息的準(zhǔn)確性，節(jié)點(diǎn)需要更頻繁地廣播信標(biāo)，增加能量消耗和網(wǎng)絡(luò)延遲；⑤高負(fù)載網(wǎng)絡(luò)中信標(biāo)廣播會(huì)加劇網(wǎng)絡(luò)沖突；⑥網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)大規(guī)模密集部署時(shí)，信標(biāo)方式的上述不足將變得更加嚴(yán)重。因此，現(xiàn)有實(shí)時(shí)路由協(xié)議通常以犧牲能量來(lái)?yè)Q取實(shí)時(shí)性保證，這與能量高效的首要設(shè)計(jì)目標(biāo)存在直接矛盾。

為克服傳統(tǒng)地理路由因鄰居表信息不準(zhǔn)確而導(dǎo)致能耗高，代價(jià)大的問(wèn)題，研究人員提出了基于競(jìng)爭(zhēng)的無(wú)信標(biāo)轉(zhuǎn)發(fā)［3］，它的基本思想是發(fā)送節(jié)點(diǎn)廣播競(jìng)爭(zhēng)請(qǐng)求，鄰居節(jié)點(diǎn)接收到請(qǐng)求后根據(jù)自身狀態(tài)來(lái)決定參與競(jìng)爭(zhēng)的等待響應(yīng)時(shí)間，只有等待響應(yīng)時(shí)間最短的鄰居競(jìng)爭(zhēng)成為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)?；诟?jìng)爭(zhēng)的無(wú)信標(biāo)轉(zhuǎn)發(fā)方式可以在沒(méi)有鄰居節(jié)點(diǎn)先驗(yàn)信息情況下，讓節(jié)點(diǎn)以能耗低、開(kāi)銷小的方式選出下跳接收節(jié)點(diǎn)。在競(jìng)爭(zhēng)選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的過(guò)程中，無(wú)信標(biāo)轉(zhuǎn)發(fā)不需要任何信標(biāo)就可以獲取所選定鄰居的信息，如果能夠?qū)⒚看胃?jìng)爭(zhēng)所選擇的節(jié)點(diǎn)信息保存到鄰接表，就可以利用這些局部信息輔助實(shí)時(shí)路由決策。由此可見(jiàn)，通過(guò)無(wú)信標(biāo)轉(zhuǎn)發(fā)建立鄰接表的方式可以完全克服信標(biāo)方式能耗高、代價(jià)大的缺點(diǎn)。

基于上述想法，本文提出了雙信道無(wú)信標(biāo)實(shí)時(shí)路由協(xié)議 DBRR （Dual-channel Beaconless Real-time Routing），它的基本思想是在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的初始階段（即源節(jié)點(diǎn)第一個(gè)DATA包的發(fā)送），每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制選擇其下跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)將已選中節(jié)點(diǎn)的信息保存在鄰居表中；在后續(xù)的路由過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)根據(jù)鄰居表中是否有滿足實(shí)時(shí)性要求的鄰居節(jié)點(diǎn)，采用無(wú)信標(biāo)轉(zhuǎn)發(fā)和鄰居表相結(jié)合的轉(zhuǎn)發(fā)策略，使用單跳間的速率約束和延遲約束來(lái)滿足端對(duì)端實(shí)時(shí)性要求。DBRR只有在鄰居表中沒(méi)有節(jié)點(diǎn)滿足實(shí)時(shí)性要求時(shí)才發(fā)起競(jìng)爭(zhēng)，選擇新鄰居作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)并加入鄰居表中，具有能耗低、開(kāi)銷小、鄰居表信息利用率高等優(yōu)點(diǎn)。此外，為緩解高負(fù)載網(wǎng)絡(luò)擁塞和沖突，DBRR采用擇數(shù)據(jù)信息和控制信息隔離傳輸?shù)碾p信道并行傳輸方式，避免控制信息和數(shù)據(jù)信息的沖突，不僅可以節(jié)約能量，還可以減少網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸延遲，提高傳遞成功率，更好地滿足高負(fù)載網(wǎng)絡(luò)下的實(shí)時(shí)性需要。

1　相關(guān)工作

實(shí)時(shí)性是當(dāng)前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量究的重要內(nèi)容。SPEED［4］采用無(wú)狀態(tài)非確定地理轉(zhuǎn)發(fā)的SNGF機(jī)制，優(yōu)先選擇滿足速率要求且負(fù)載較輕的鄰居節(jié)點(diǎn)作為下跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，為端對(duì)端路由提供軟實(shí)時(shí)保證。MMSPEED［5］對(duì)SPEED進(jìn)行了拓展，為多種業(yè)務(wù)提供區(qū)分服務(wù)支持以及實(shí)時(shí)性和可靠性保證。QGR［6］采用分級(jí)排隊(duì)模型為圖像傳感器網(wǎng)絡(luò)中周期性低帶寬和事件驅(qū)動(dòng)高帶寬兩類數(shù)據(jù)分配不同級(jí)別，以高優(yōu)先級(jí)別保證事件驅(qū)動(dòng)的圖像信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和能量高效。PRTR［7］利用多路徑傳輸方式緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞，為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流提供更好的實(shí)時(shí)性傳輸。

無(wú)信標(biāo)轉(zhuǎn)發(fā)在能量效率和通信代價(jià)方面有較好優(yōu)勢(shì)。IGF［8］采用lazy binding思想來(lái)處理網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)變化，它采用DRA扇形轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域，候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身離目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的增進(jìn)距離以及剩余能量來(lái)決定競(jìng)爭(zhēng)的等待響應(yīng)時(shí)間。OGF［9］針對(duì)拓?fù)渥兓粍×业木W(wǎng)絡(luò)，提出了競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制和鄰居表相結(jié)合的按需轉(zhuǎn)發(fā)策略，但OGF鄰居表只保存一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)信息，沒(méi)有充分利用每次選出的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)信息，也沒(méi)有提供實(shí)時(shí)性保證。CBRR［10］基于包接收率模型，充分利用無(wú)信標(biāo)轉(zhuǎn)發(fā)和協(xié)作通信的優(yōu)勢(shì)，完全避免冗余探測(cè)包的使用，并通過(guò)等待響應(yīng)時(shí)間設(shè)定、協(xié)作節(jié)點(diǎn)概率保證以及冗余數(shù)據(jù)包發(fā)送等方式實(shí)現(xiàn)單跳數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃员ＷC。

IEEE 802.11［11］等單信道協(xié)議大多使用RTS/CTS握手機(jī)制來(lái)解決隱終端問(wèn)題［12］，然而僅用握手機(jī)制不僅不能消除所有沖突，還會(huì)引起暴露終端問(wèn)題，導(dǎo)致信道利用率下降。為克服單信道的不足，研究人員提出了雙信道MAC協(xié)議來(lái)解決隱終端問(wèn)題。DBTMA［13］通過(guò)BTs和BTr兩個(gè)忙音信號(hào) （Busy Tone）將收發(fā)狀態(tài)通知鄰節(jié)點(diǎn)，有效地減輕數(shù)據(jù)包的沖突。DUCHA［14］采用雙信道和忙音解決了包括隱終端和暴露終端在內(nèi)的若干問(wèn)題，徹底避免數(shù)據(jù)包的沖突和重發(fā)；CORA［15］利用雙信道通信模式降低信道競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程中數(shù)據(jù)碰撞和多播抑制概率；再使用最大感染球策略壓縮蟻群尋路范圍，降低網(wǎng)絡(luò)尋路能耗。

2　雙信道無(wú)信標(biāo)實(shí)時(shí)路由協(xié)議（DBRR）

DBRR采用無(wú)信標(biāo)轉(zhuǎn)發(fā)和鄰居表相結(jié)合的轉(zhuǎn)發(fā)策略，使用單跳間的速率約束和延遲約束來(lái)滿足端對(duì)端的實(shí)時(shí)性要求。DBRR將無(wú)線信道劃分為控制子信道和數(shù)據(jù)子信道，采用ERTS（DRTS）-ECTS-DATA-ACK握手機(jī)制選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，控制子信道用于傳遞ERTS、DRTS和ECTS等控制幀，其中ERTS是在RTS的基礎(chǔ)上增加了當(dāng)前轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置信息以及所要求的延遲約束，DRTS在ERTS的基礎(chǔ)上再增加了有效鄰居節(jié)點(diǎn)ID號(hào)，ECTS是在CTS的基礎(chǔ)上增加了發(fā)送CTS節(jié)點(diǎn)的位置信息；數(shù)據(jù)子信道傳輸DATA和ACK等數(shù)據(jù)幀。DBRR通過(guò)雙信道傳輸策略，不僅可以避免控制幀和數(shù)據(jù)幀的沖突，還可以并行傳送控制幀和數(shù)據(jù)幀，減少延遲。

源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)分別用S和D表示，d（i，j）表示節(jié)點(diǎn)i和j之間的歐氏距離，表示節(jié)點(diǎn)i和j之間的單跳延遲，Deadline（D）為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)D對(duì)數(shù)據(jù)的截止時(shí)刻，Rc為節(jié)點(diǎn)的通信半徑。

鄰居節(jié)點(diǎn)集NSi（Neighbor Set）：位于節(jié)點(diǎn)i通信范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)集，即滿足NS=｛j|d（i，j）≤R｝。

實(shí)時(shí)性速率SpeediD：滿足實(shí)時(shí)性約束的速率，為節(jié)點(diǎn)i與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)D間的距離與當(dāng)前截止剩余時(shí)間的比值，即SpeediD=d（i，D）/（Deadline（D）-Tnow），其中Tnow為當(dāng)前時(shí)刻。

候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集FCSi：節(jié)點(diǎn)i的候選競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)集中滿足實(shí)時(shí)性速率要求的節(jié)點(diǎn)集，即：

估計(jì)跳數(shù)HopiD：節(jié)點(diǎn)i到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)D的估計(jì)跳數(shù)，為節(jié)點(diǎn)i和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)D的距離與通信半徑之比，即HopiD=d（i，D）/Rc。

延遲約束：無(wú)信標(biāo)轉(zhuǎn)發(fā)采用延遲約束來(lái)決定候選競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)能否參與競(jìng)爭(zhēng)。若候選競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)的鄰居表中存在一跳延遲不小于實(shí)時(shí)性單跳延遲DelayiD的鄰居節(jié)點(diǎn)，則該候選節(jié)點(diǎn)可以參與競(jìng)爭(zhēng)；否則，該候選節(jié)點(diǎn)將不能參與競(jìng)爭(zhēng)。

此外，本文做出以下合理假設(shè)：①節(jié)點(diǎn)位置已知；②節(jié)點(diǎn)分配有唯一 ID；③節(jié)點(diǎn)裝配有忙音（Busy Tone）；④節(jié)點(diǎn)的通信半徑和初始能量均相同。

雙信道并行傳輸?shù)幕舅枷胧牵汗?jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)子信道接收上跳節(jié)點(diǎn)發(fā)送的DATA包時(shí)，同時(shí)在控制信道中廣播ERTS/DRTS選擇新的下跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。

在IEEE 802.11中，RTS、CTS和ACK的幀長(zhǎng)度分別為44bytes、38 bytes和38 bytes，假設(shè)DATA包的大小為data_size，控制子信道帶寬為bw_control，數(shù)據(jù)子信道的帶寬為bw_data。對(duì)于非源節(jié)點(diǎn)，雙信道經(jīng)過(guò)一輪RTS-CTS-DATA-ACK握手機(jī)制所需的時(shí)間T為：

由此可見(jiàn)，當(dāng)控制信道和數(shù)據(jù)信道的帶寬固定時(shí)，DATA包的大小是影響T的關(guān)鍵因素。假設(shè)總帶寬為2Mbps，控制子信道帶寬為0.4Mbps，數(shù)據(jù)子信道為1.6Mbps，則當(dāng)DATA包大于300bytes時(shí)，數(shù)據(jù)信道傳送DATA和ACK`的時(shí)間將大于控制信道中RTS和CTS的傳送時(shí)間。以此可見(jiàn)，對(duì)于DATA較大的傳送，雙信道并行傳輸可以減少延時(shí)。

DBRR的轉(zhuǎn)發(fā)策略與當(dāng)前發(fā)送節(jié)點(diǎn)的鄰接表密切相關(guān)：

（1）直接轉(zhuǎn)發(fā)方式：當(dāng)鄰接表中有滿足速率約束的有效鄰居節(jié)點(diǎn)時(shí)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)廣播發(fā)送DRTS幀，只有與DRTS中有效鄰居節(jié)點(diǎn)ID號(hào)相同的節(jié)點(diǎn)成為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)并在SIFS時(shí)間后發(fā)送ECTS；發(fā)送節(jié)點(diǎn)收到ECTS后，在數(shù)據(jù)子信道中向轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)發(fā)送DATA包并發(fā)送忙音信號(hào)抑制其它候選節(jié)點(diǎn)參與轉(zhuǎn)發(fā)競(jìng)爭(zhēng)；同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)在控制子信道中發(fā)起它的新一輪轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)選擇。

（2）無(wú)信標(biāo)轉(zhuǎn)發(fā)方式：當(dāng)鄰接表中沒(méi)有有滿足速率約束的有效鄰居節(jié)點(diǎn)時(shí)，將采用延遲約束保證實(shí)時(shí)性。發(fā)送節(jié)點(diǎn)廣播發(fā)送ERTS幀，如果候選競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)的鄰接表為空，則該候選競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)將在Tlong時(shí)間后發(fā)送ECTS；若候選競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)的鄰接表中存在滿足延遲約束的鄰居節(jié)點(diǎn)時(shí)，該候選競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)將在Tshort時(shí)間后發(fā)送ECTS；否則表明無(wú)滿足實(shí)時(shí)性要求的競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)，丟棄DATA包。Tlong和Tshort的計(jì)算參照2.4。

競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)先級(jí)函數(shù)是基于競(jìng)爭(zhēng)無(wú)信標(biāo)轉(zhuǎn)發(fā)策略的關(guān)鍵，它決定了鄰居節(jié)點(diǎn)的等待響應(yīng)時(shí)間。優(yōu)先級(jí)函數(shù)中的參數(shù)可根據(jù)應(yīng)用的需要來(lái)設(shè)定，為滿足實(shí)時(shí)性和能量高效的要求，本文綜合考慮排隊(duì)延遲、傳播延遲和能量，建立增進(jìn)距離、剩余能量、隊(duì)列中排隊(duì)包的數(shù)量以及隨機(jī)數(shù)為參數(shù)的競(jìng)爭(zhēng)函數(shù)：

其中pi為鄰居節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)；di為當(dāng)前轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的歐氏距離與節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的歐氏距離之差；Rc為節(jié)點(diǎn)的通信半徑；Ei和Et分別為節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前剩余能量和初始能量；qi和Qt分別為當(dāng)前隊(duì)列中排隊(duì)包的數(shù)量和隊(duì)列總大小；ri為0～1間的隨機(jī)數(shù)；α、β、γ和η分別為距離、能量、隊(duì)列和隨機(jī)數(shù)的權(quán)值并且滿足α+β+γ+η=1。

無(wú)信標(biāo)轉(zhuǎn)發(fā)策略中的短等待時(shí)間和長(zhǎng)等待時(shí)間設(shè)置如下：

其中SIFS的值由802.11 DCF中定義為10μs。由（3）和（4）知，短等待響應(yīng)時(shí)間Tshort不小于長(zhǎng)等待響應(yīng)時(shí)間Tlong。

本文采用與SPEED相似的延遲估計(jì)方法，由當(dāng)前轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)記錄包進(jìn)入隊(duì)列的時(shí)間Tarrive和接收到ACK的時(shí)間TACK，當(dāng)前單跳延遲即為TACK和Tarrive之差，另外單跳延遲還需要綜合考慮歷史單跳延遲的影響，因此單跳延遲定義如下：

鄰居表是由節(jié)點(diǎn)在競(jìng)爭(zhēng)轉(zhuǎn)發(fā)資格的過(guò)程中動(dòng)態(tài)建立，它用于保存每次競(jìng)爭(zhēng)所選擇的鄰居節(jié)點(diǎn)信息。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的初始階段，所有節(jié)點(diǎn)的鄰居表都為空，在后續(xù)的轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中，只有節(jié)點(diǎn)的鄰居表中沒(méi)有滿足速率約束的鄰居時(shí)，才發(fā)起競(jìng)爭(zhēng)選擇新的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，否則鄰居表的大小保持不變。因此，鄰居表的大小只與節(jié)點(diǎn)發(fā)起競(jìng)爭(zhēng)的次數(shù)有關(guān)，所需的存儲(chǔ)開(kāi)銷較小。

表1　一跳鄰居表結(jié)構(gòu)

一跳鄰居表的結(jié)構(gòu)如表1所示：其中Neighbor ID 和Neighbor Position的信息由下跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)響應(yīng)的ECTS稍帶，節(jié)點(diǎn)間的一跳延遲OneHop Delay由當(dāng)前轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)依照2.5獲得，Count記錄該鄰居已成為下跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的次數(shù)。

3　實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

為驗(yàn)證協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)高負(fù)載環(huán)境下的性能，本文在J-Sim［16］平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了DBRR和SPEED協(xié)議，J-Sim是由Java語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的一種開(kāi)源的，基于組件的網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境。協(xié)議的評(píng)價(jià)性能指標(biāo)包括：①傳遞成功率（Delivery Ratio）：指sink成功接收數(shù)據(jù)包的數(shù)量與源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包總數(shù)的比值；②平均端到端延遲（Average End-To-End Delay）：指數(shù)據(jù)包從源節(jié)點(diǎn)傳遞到sink所平均耗費(fèi)的時(shí)間；③平均能耗 （Average Consumption Energy）：指成功傳遞一個(gè)數(shù)據(jù)包所耗費(fèi)的能量；④總通信代價(jià) （Total Communication Cost）：指發(fā)送RTS/ ERTS/DRTS、CTS/ECTS、DATA、ACK以及Beacon等各類幀的總數(shù)量。

仿真策略是在一個(gè)200×200網(wǎng)絡(luò)中部署200個(gè)節(jié)點(diǎn)，從網(wǎng)絡(luò)右邊任選兩個(gè)節(jié)點(diǎn)作為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，左邊任取4個(gè)節(jié)點(diǎn)作為源節(jié)點(diǎn)；數(shù)據(jù)流采用CBR（Constant Bit Rate），無(wú)線信道總帶寬2M，其中控制子信道為0.4M，數(shù)據(jù)子信道1.6M；節(jié)點(diǎn)初始能量100J，它的發(fā)送能耗、接收能耗和空閑能耗分別為 660mW、395mW 和35mW?？疾靺f(xié)議在高負(fù)載網(wǎng)絡(luò)中的性能，包括數(shù)據(jù)包產(chǎn)生速率和數(shù)據(jù)包大兩組實(shí)驗(yàn)，其中數(shù)據(jù)包產(chǎn)生速率實(shí)驗(yàn)的DATA包大小為512bytes，數(shù)據(jù)包大小實(shí)驗(yàn)的CBR設(shè)定為20packets/s。

圖1考察了DBRR和SPEED在數(shù)據(jù)包產(chǎn)生速率場(chǎng)景的性能。圖1a顯示，當(dāng)CBR小于15時(shí)SPEED的成功率仍可保持90%以上，但當(dāng)CBR繼續(xù)增大時(shí)它的成功率將快速降低，當(dāng)CBR為50時(shí)成功率已低于10%。這主要是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)沖突引起節(jié)點(diǎn)包的重發(fā)次數(shù)增多和網(wǎng)絡(luò)擁塞，從而導(dǎo)致丟包率增加；相反，DBRR采用雙信道傳輸，可以減少控制幀與數(shù)據(jù)幀的沖突，緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞，當(dāng)CBR為40時(shí)，依然保持近100%的成功率，盡管CBR繼續(xù)增大是成功率有所降低，但CBR 為50時(shí)成功率仍然接近70%。CBR引起的網(wǎng)絡(luò)擁塞對(duì)端對(duì)端延遲的影響也很大，如圖1b所示，SPEED的延遲在CBR高于20時(shí)快速增加，而DBRR的延遲盡管在CBR大于40時(shí)也增長(zhǎng)較快，但明顯低于SPEED；另外，DBRR的轉(zhuǎn)發(fā)策略也對(duì)延遲的減少起到作用。由圖1c知，當(dāng)CBR低于20時(shí)，DBRR的平均能耗高于SPEED，原因在于DBRR的兩個(gè)子信道都始終處于工作狀態(tài)，所以能耗較大；當(dāng)CBR高于20時(shí)，SPEED的成功率快速導(dǎo)致其平均能耗低于DBRR。值得注意的是，兩種協(xié)議的平均能耗都呈先下降然后上升，是因?yàn)镃BR較小時(shí)，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較輕，節(jié)點(diǎn)休閑所耗費(fèi)的能量占總耗能的比重也高，所以平均能耗較低；而當(dāng)CBR增大時(shí)，節(jié)點(diǎn)傳輸所耗費(fèi)的能量占總耗能的比重增加，平均能耗也提高；當(dāng)CBR較大時(shí)，會(huì)加劇網(wǎng)絡(luò)擁塞，不僅耗能更多的能量，還會(huì)引起成功率降低，所以此時(shí)平均能耗又降低。如圖1d所示，由于DBRR始終廣播DRTS 或ERTS選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，所以在CBR較低時(shí)，它的通信代價(jià)高于SPEED；但當(dāng)CBR較大時(shí)，網(wǎng)絡(luò)沖突增大會(huì)加劇網(wǎng)絡(luò)擁塞，SPEED利鄰居表單播發(fā)送的方式可能失效，需要重新廣播RTS選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，所以此時(shí)SPEED的通信代價(jià)高于DBRR；當(dāng)CBR高于40時(shí)，SPEED低于30%的的成功率表明節(jié)點(diǎn)在廣播RTS后無(wú)法接收到CTS響應(yīng)的概率增加，從而導(dǎo)致通信代價(jià)降低。

圖1　數(shù)據(jù)包產(chǎn)生速率實(shí)驗(yàn)性能比較

圖2　數(shù)據(jù)包大小實(shí)驗(yàn)性能比較

圖2考察了DBRR和SPEED在數(shù)據(jù)包大小場(chǎng)景的性能。圖2a顯示，數(shù)據(jù)包的大小對(duì)DBRR的影響較小，即使數(shù)據(jù)包為1000bytes時(shí)，它的成功率仍然大于80%，原因在于DBRR采用雙信道傳輸機(jī)制，使兩個(gè)子信道中幀的沖突概率大大降低；數(shù)據(jù)包大小對(duì)SPEED的影響較大，當(dāng)數(shù)據(jù)包大于500bytes時(shí)，SPEED的成功率快速下降，原因在于數(shù)據(jù)包越大，它與RTS、CTS和ACK等幀沖突的概率越高，導(dǎo)致丟包率升高以及延遲和能耗的增大。而圖2b顯示，當(dāng)數(shù)據(jù)包小于300bytes時(shí)，DBRR的延遲高于SPEED，這與3.4.1中的分析相符合；但當(dāng)數(shù)據(jù)包大于300bytes時(shí)，DBRR的延遲低于SPEED，這也是因?yàn)镾PEED中數(shù)據(jù)幀與其他信息幀沖突高于DBRR。如圖11c所示，當(dāng)數(shù)據(jù)包小于300bytes時(shí)，DBRR的平均能耗在高于于SPEED，原因在于DBRR的兩個(gè)信道都始終處于工作狀態(tài)，所以能耗較大；但隨著數(shù)據(jù)包大小的增大，SPEED的沖突加劇而使其平均能耗明顯高于DBRR。圖2d顯示DBRR的通信代價(jià)高于SPEED，主要是因?yàn)槭冀K廣播DRTS或ERTS來(lái)選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。

上述仿真實(shí)驗(yàn)表明，DBRR的傳遞成功率和延遲要明顯優(yōu)于SPEED，而隨著CBR和數(shù)據(jù)包大小的增加，DBRR在平均能耗和通信代價(jià)的性能也要好于SPEED，表明雙信道傳輸機(jī)制對(duì)緩解因沖突引起的網(wǎng)絡(luò)擁塞起到了有效的作用。

4　結(jié)語(yǔ)

本文為高負(fù)載無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境提出了一種雙信道無(wú)信標(biāo)實(shí)時(shí)路由協(xié)議DBRR。DBRR利用無(wú)信標(biāo)轉(zhuǎn)發(fā)方式建立節(jié)點(diǎn)鄰接表，并根據(jù)鄰接表的有效性采用速率約束和單跳延遲約束來(lái)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。此外，DBRR利用雙信道并行傳輸，完全避免控制幀和數(shù)據(jù)幀的沖突，可以有效緩提高的網(wǎng)絡(luò)的能量效率和傳輸性能。

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Wireless Sensor Network；Real-Time Routing；Dual-Channel；Beaconless Forwarding

Dual-channel Beaconless Real-time Routing Protocol for Wireless Sensor Networks

HUANG Chao
（School of Computer Science，Guangdong Polytechnic Normal University，Guangzhou 501665）

1007-1423（2015）22-0011-07

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.22.003

黃超（1978-），男，江西樂(lè)安人，博士，研究方向?yàn)闊o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)

2015-06-26

2015-08-05

針對(duì)事件驅(qū)動(dòng)等應(yīng)用中感知數(shù)據(jù)急劇增大的高負(fù)載網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，提出基于無(wú)信標(biāo)轉(zhuǎn)發(fā)的雙信道實(shí)時(shí)路由協(xié)議DBRR，該協(xié)議采用采用競(jìng)爭(zhēng)模式與鄰居表相結(jié)合的轉(zhuǎn)發(fā)策略，競(jìng)爭(zhēng)模式在線地選擇有效的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，并使用雙信道方式緩解高負(fù)載下的網(wǎng)絡(luò)沖突。DBRR通過(guò)速率約束和單跳延遲約束來(lái)滿足實(shí)時(shí)性，它鄰居表信息是通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)和無(wú)線廣播特性而不是信標(biāo)廣播方式獲得。仿真結(jié)果表明，在高負(fù)載性網(wǎng)絡(luò)中，DBRR在數(shù)據(jù)傳輸成功率、傳輸延遲、平均能耗和通信代價(jià)等方面均明顯優(yōu)于SPEED。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；實(shí)時(shí)路由；雙信道；無(wú)信標(biāo)轉(zhuǎn)發(fā)

廣東高校優(yōu)秀青年創(chuàng)新人才培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目（No.2013LYM_0049）

Presents a dual-channel beaconless real-time routing protocol，called DBRR，for high-load wireless sensor networks（WSNs）.End-toend real-time requirements are fulfilled with speed or delay constraint at each hop through integrating the contention and neighbor table mechanisms.DBRR incorporates a dual-channel paradigm to alleviate packet collisions so as to lessen energy consumption and shorten end-to-end delay in high-load networks.Comprehensive simulations are carried out and show that DBRR outperform SPEED in terms of delivery ratio，end-to-end delay，energy efficiency and communication cost in high-load networks.