基于簇鏈結(jié)構(gòu)的節(jié)能路由協(xié)議

吳子彧, 俞　暉, 歸　琳

(上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院,上海 200240)

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基于簇鏈結(jié)構(gòu)的節(jié)能路由協(xié)議

吳子彧, 俞暉, 歸琳

(上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院,上海 200240)

摘要:隨著各類智能可穿戴設(shè)備越來越多地在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)中扮演著環(huán)境信息采集與傳輸?shù)慕巧?為保證網(wǎng)絡(luò)的性能,路由協(xié)議除了兼顧能量效率,還應(yīng)適應(yīng)移動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境.然而在移動(dòng)場(chǎng)景中,由于頻繁的拓?fù)涓?傳統(tǒng)的路由方案不能很好地應(yīng)對(duì)移動(dòng)性所帶來的能耗與丟包的挑戰(zhàn),網(wǎng)絡(luò)性能將會(huì)降低.因此,提出了一種新的基于簇鏈結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議(CCBRP),利用簇結(jié)構(gòu)和簇頭鏈實(shí)現(xiàn)采集信息的匯聚,并由鏈?zhǔn)坠?jié)點(diǎn)完成至匯聚節(jié)點(diǎn)的最后一跳傳輸.在此基礎(chǔ)上,通過移動(dòng)節(jié)點(diǎn)周期性的成員更新機(jī)制完成移動(dòng)管理與簇頭切換.仿真結(jié)果表明該路由協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)生命周期和數(shù)據(jù)包傳遞成功率方面均有優(yōu)異的表現(xiàn),且在能量效率和數(shù)據(jù)傳遞間達(dá)到了性能的平衡.

關(guān)鍵詞:路由協(xié)議; 簇鏈結(jié)構(gòu); 能量效率; 移動(dòng)管理; 移動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

0引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)[1]是由大量低功耗、多功能的傳感節(jié)點(diǎn),通過無線通信的方式形成的多跳自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),節(jié)點(diǎn)采集的信息通過網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同處理和傳輸,最終抵達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn),并為終端用戶所接入.隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步,WSN作為連接物理世界和信息空間的重要媒介,在環(huán)境監(jiān)測(cè)和工業(yè)控制等領(lǐng)域獲得了廣泛的關(guān)注與應(yīng)用.但受限于節(jié)點(diǎn)電池能量的有限性,如何降低能耗、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期成為WSN研究的重要方向,因此能量效率成為衡量網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議性能的關(guān)鍵指標(biāo).

隨著各類移動(dòng)智能設(shè)備的普及應(yīng)用,動(dòng)態(tài)信息的交互需求大大增加,如何在移動(dòng)的場(chǎng)景下實(shí)現(xiàn)信息的高效匯聚與傳輸成為亟待解決的應(yīng)用課題.在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境中,傳統(tǒng)的靜態(tài)路由協(xié)議[2]無法應(yīng)對(duì)由于節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性和拓?fù)涓滤鶐淼膩G包和網(wǎng)絡(luò)開銷等問題,因此適合移動(dòng)環(huán)境的動(dòng)態(tài)路由協(xié)議設(shè)計(jì)成為新的研究方向.

LEACH和PEGASIS作為分簇路由的典型代表,分別利用簇和鏈的結(jié)構(gòu)完成數(shù)據(jù)的匯聚,具有節(jié)能、簡(jiǎn)單和便于分布式計(jì)算等優(yōu)點(diǎn).LEACH[3]協(xié)議中,簇頭節(jié)點(diǎn)完成本簇內(nèi)數(shù)據(jù)的接收與匯聚,并將融合的數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn).和LEACH相比,PEGASIS[4]由于其沿鏈的數(shù)據(jù)傳遞與融合,在能量效率方面取得了較為明顯的進(jìn)步,但由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)鏈狀結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的顯著延時(shí),使其不能適用于實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用.因此,基于這兩類經(jīng)典路由協(xié)議的優(yōu)化與改進(jìn)適應(yīng)了很多新的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,如CBL[5]實(shí)現(xiàn)了LEACH和PEGASIS的融合,通過節(jié)點(diǎn)成簇和簇間多跳的路由形式完成大范圍覆蓋的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下數(shù)據(jù)的傳遞與收集,其中簇頭節(jié)點(diǎn)的輪流選舉與鏈?zhǔn)坠?jié)點(diǎn)的隨機(jī)選擇保證了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)均勻的能耗分布,但是頻繁的結(jié)構(gòu)更新給網(wǎng)絡(luò)帶來了額外的開銷,且未考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量與地理位置等信息的隨機(jī)選擇并非是一種最優(yōu)決策,因此依舊存在優(yōu)化的空間.LEACH-Mobile[6]提供了一種移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的成員更新機(jī)制,在TDMA某預(yù)分配的時(shí)隙內(nèi),移動(dòng)節(jié)點(diǎn)根據(jù)對(duì)簇頭發(fā)送消息的接收情況,確認(rèn)能否與其進(jìn)行通信,如果不可以則在下一時(shí)隙進(jìn)行簇頭切換,保證移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)下數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳遞.

本文作者基于混合移動(dòng)與靜態(tài)節(jié)點(diǎn)的無線傳感網(wǎng)場(chǎng)景,提出了一種新的基于簇鏈的路由協(xié)議(CCBRP),利用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的簇鏈結(jié)構(gòu)和移動(dòng)管理機(jī)制,實(shí)現(xiàn)移動(dòng)環(huán)境下數(shù)據(jù)的匯聚與傳輸.在協(xié)議的每一個(gè)操作周期,建立階段完成簇頭選舉與簇鏈結(jié)構(gòu)的建立,穩(wěn)態(tài)階段實(shí)現(xiàn)簇內(nèi)和簇間數(shù)據(jù)的融合與傳遞,并最終通過鏈?zhǔn)装l(fā)送至匯聚節(jié)點(diǎn).本協(xié)議通過簇鏈分級(jí)結(jié)構(gòu)有效降低了網(wǎng)絡(luò)因數(shù)據(jù)傳輸而帶來的能量損耗,且鏈?zhǔn)踪Y格判決機(jī)制在最后一跳傳輸節(jié)點(diǎn)選擇中的應(yīng)用,進(jìn)一步提升了網(wǎng)絡(luò)的能量效率,而移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的成員更新機(jī)制保證了數(shù)據(jù)包的成功傳遞.

1系統(tǒng)模型

1.1網(wǎng)絡(luò)模型

研究場(chǎng)景為包含靜態(tài)與動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)的WSN,其中,靜態(tài)傳感節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi),匯聚節(jié)點(diǎn)位置固定且距離網(wǎng)絡(luò)較遠(yuǎn);動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)以隨機(jī)運(yùn)動(dòng)模型[7]在該區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng),每一時(shí)刻,在(0,2π]內(nèi)隨機(jī)選擇一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)距離為d,如果抵達(dá)邊界位置,會(huì)在邊界處鏡面反射運(yùn)動(dòng).假設(shè)所有的傳感節(jié)點(diǎn)都是能量受限的,具有相同的初始能量和通信能力,同時(shí)每個(gè)節(jié)點(diǎn)均以固定速率感知周邊環(huán)境,并在每一個(gè)預(yù)分配的TDMA時(shí)隙內(nèi)始終有數(shù)據(jù)要傳送,且會(huì)依據(jù)傳輸距離自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)射功率.同時(shí),假定無線傳輸信道具有對(duì)稱性,即在給定信噪比的要求下,某一消息從節(jié)點(diǎn)i到j(luò)的傳輸能耗與從節(jié)點(diǎn)j到i的傳輸能耗相同,為降低相互間的數(shù)據(jù)干擾,分別利用TDMA和CDMA機(jī)制實(shí)現(xiàn)簇內(nèi)和簇間的數(shù)據(jù)傳輸.

1.2能耗模型

采用一階無線電模型[3]來描述通信的能量消耗,在自由空間模型下,傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送l比特消息,傳輸距離為d,所消耗的能量為:

(1)

傳感器節(jié)點(diǎn)接收l比特信息所消耗的能量為:

(2)

其中,εamp是信號(hào)放大器的放大倍數(shù),Eelec是發(fā)送電路和接收電路所消耗的能量,在自由空間的信道模型條件下,信道傳輸?shù)哪芰克p為d2,即信號(hào)的傳輸距離越短,能量損耗越小.

此外,對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行融合等處理也將損耗能量[8],由Eda表示融合單位長(zhǎng)度數(shù)據(jù)信號(hào)所消耗的能量.因此對(duì)于簇頭節(jié)點(diǎn),融合本地M個(gè)簇成員所采集的數(shù)據(jù)信號(hào)所消耗的能量為:

(3)

2路由協(xié)議

CCBRP路由協(xié)議按操作周期進(jìn)行執(zhí)行,每一周期包含建立階段和穩(wěn)態(tài)階段.為降低系統(tǒng)的開銷,在時(shí)長(zhǎng)上,穩(wěn)態(tài)階段應(yīng)大于建立階段,如圖1所示.

圖1　路由協(xié)議的操作周期

結(jié)合操作周期的時(shí)間分布,圖2描述了網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和協(xié)議的操作過程.在建立階段,分布式選舉產(chǎn)生的簇頭會(huì)招募本簇成員節(jié)點(diǎn),并依照貪婪算法在簇頭間形成鏈狀結(jié)構(gòu).由于分布式簇頭選舉會(huì)導(dǎo)致簇頭數(shù)目的不確定性,因此如果當(dāng)前周期的簇頭數(shù)目Nch小于某一閾值,考慮到因簇頭分布的稀疏性而帶來的傳輸能耗增加,為保證系統(tǒng)的能耗性能,定義該結(jié)構(gòu)建立過程無效.因此建立階段會(huì)包含若干無效過程,稱之為預(yù)建立過程,并最終以一次有效的簇鏈結(jié)構(gòu)形成作為結(jié)束.在穩(wěn)態(tài)階段的每一幀,首先根據(jù)鏈?zhǔn)踪Y格判決機(jī)制,確立當(dāng)前簇頭鏈的鏈?zhǔn)坠?jié)點(diǎn).當(dāng)簇內(nèi)數(shù)據(jù)完成傳輸與匯聚后,鏈?zhǔn)坠?jié)點(diǎn)利用令牌傳輸機(jī)制,開啟沿鏈的數(shù)據(jù)傳遞與融合,最終數(shù)據(jù)經(jīng)鏈?zhǔn)坠?jié)點(diǎn)發(fā)送至匯聚節(jié)點(diǎn).在每一幀的幀尾,移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通過成員更新機(jī)制完成簇頭切換與移動(dòng)管理.Ncl指代當(dāng)前簇頭鏈中符合鏈?zhǔn)讞l件的簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù),也就是當(dāng)前周期穩(wěn)態(tài)階段所包含的幀數(shù).顯然,簇鏈結(jié)構(gòu)的建立降低了數(shù)據(jù)傳輸與匯聚所消耗的能量,且分級(jí)結(jié)構(gòu)更加便于節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)管理.

圖2　網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.1建立階段

在建立階段,各傳感節(jié)點(diǎn)基于所示閾值[9]T(n)進(jìn)行分布式簇頭選舉,獨(dú)立判斷是否在當(dāng)前周期擔(dān)任簇頭角色,閾值公式為:

(4)

其中,P指代網(wǎng)絡(luò)預(yù)定義的簇頭節(jié)點(diǎn)比例(5%),rs表示當(dāng)前節(jié)點(diǎn)連續(xù)未被選為簇頭的周期數(shù),Ei和Emax分別表示當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的剩余能量和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中剩余能量的最大值.由于簇頭間沿鏈的數(shù)據(jù)傳遞與融合,全局參數(shù)Emax可被網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)獲取.

選舉所得的簇頭首先與匯聚節(jié)點(diǎn)通信,并由匯聚節(jié)點(diǎn)選擇距離自己最遠(yuǎn)的簇頭節(jié)點(diǎn)作為成鏈操作的起始節(jié)點(diǎn).每一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)依次廣播消息以搜尋距離自己最近的鄰居簇頭,作為簇頭鏈鄰居和鏈上的下一跳節(jié)點(diǎn),該過程依次執(zhí)行直到所有簇頭節(jié)點(diǎn)均包含在該鏈中.非簇頭節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的來自不同簇頭廣播消息的信號(hào)強(qiáng)度選擇對(duì)應(yīng)的簇頭,并發(fā)送請(qǐng)求消息申請(qǐng)加入該簇,消息包含節(jié)點(diǎn)的ID和節(jié)點(diǎn)的剩余能量.顯然,各個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)只需廣播一次消息即可完成簇成員招募和簇頭鏈建立,節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)能耗,同時(shí)降低系統(tǒng)開銷.

2.2數(shù)據(jù)傳輸與匯聚

考慮到頻繁的網(wǎng)絡(luò)簇鏈結(jié)構(gòu)建立會(huì)給系統(tǒng)帶來額外的開銷和能耗,因此為提高已形成簇頭鏈的利用效率,本文作者提出鏈?zhǔn)坠?jié)點(diǎn)資格判決機(jī)制,通過選定符合能量與位置條件的簇頭節(jié)點(diǎn)擔(dān)任鏈?zhǔn)?來完成最后一跳的數(shù)據(jù)傳輸.

2.2.1能耗分析

利用平均能量Eave作為鏈?zhǔn)坠?jié)點(diǎn)資格判決機(jī)制的判決標(biāo)準(zhǔn),即在一個(gè)周期內(nèi),數(shù)據(jù)由傳感節(jié)點(diǎn)傳輸至匯聚節(jié)點(diǎn)所消耗的平均能耗.有如下3種資格判決策略:

(1) 每一周期只對(duì)應(yīng)一個(gè)鏈?zhǔn)坠?jié)點(diǎn)

(5)

(2) 一個(gè)周期內(nèi),所有簇頭節(jié)點(diǎn)輪流擔(dān)任鏈?zhǔn)捉巧?/p>

(6)

(3) 符合判決條件的簇頭節(jié)點(diǎn)擔(dān)任周期穩(wěn)態(tài)階段中各個(gè)幀的鏈?zhǔn)捉巧?/p>

(7)

其中,Ec,Ef和Et分別表示在網(wǎng)絡(luò)簇鏈結(jié)構(gòu)建立階段、數(shù)據(jù)匯聚階段以及最后一跳傳輸過程中所消耗的能量.可以分別表示為,

(8)

(9)

(10)

其中,lA和l分別表示廣播消息和采集信息的大小,Tr表示每個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍,dt表示簇成員節(jié)點(diǎn)與對(duì)應(yīng)簇頭的距離或簇頭鏈上相鄰簇頭鄰居節(jié)點(diǎn)間的距離,nk表示融合數(shù)據(jù)的數(shù)量,ds指代每個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)的距離.

顯然,策略(1)未能充分利用網(wǎng)絡(luò)中已形成的簇鏈結(jié)構(gòu),導(dǎo)致資源的浪費(fèi).關(guān)于策略(2),盡管保證了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的能耗均衡,但是一些距離匯聚節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)或剩余能量不足的簇頭節(jié)點(diǎn)可能會(huì)在數(shù)據(jù)傳輸過程中,因能量耗盡而導(dǎo)致簇內(nèi)數(shù)據(jù)丟失.綜上可知,策略(3)通過對(duì)節(jié)點(diǎn)剩余能量與位置信息的分析判斷,保證了由符合條件的簇頭節(jié)點(diǎn)完成最后一跳的數(shù)據(jù)傳輸,降低平均能耗,延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期.

2.2.2可靠性分析

在沿鏈的數(shù)據(jù)傳遞過程中,每個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)都會(huì)接收到上一級(jí)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行融合,然后再發(fā)送給下一跳的鏈鄰居節(jié)點(diǎn).但發(fā)送節(jié)點(diǎn)不會(huì)立即清除已發(fā)送的數(shù)據(jù),而是等待接受節(jié)點(diǎn)的信息確認(rèn)反饋,如果一段時(shí)間內(nèi)沒有接收到反饋信號(hào),則表明該數(shù)據(jù)發(fā)送丟失,重發(fā)一次,如果依舊不成功,則通過路由維護(hù),將數(shù)據(jù)傳送給簇頭鏈的下一跳節(jié)點(diǎn),保證鏈的完整有效性.

2.3移動(dòng)性管理

利用移動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行入簇請(qǐng)求消息的周期性廣播,以此來搜尋新的簇頭節(jié)點(diǎn)并更新當(dāng)前簇成員信息.在穩(wěn)態(tài)階段的簇內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸過程中,簇頭節(jié)點(diǎn)通過本地?cái)?shù)據(jù)請(qǐng)求消息的傳遞,開啟簇內(nèi)信息的傳輸匯聚,只要簇成員節(jié)點(diǎn)接收到請(qǐng)求信號(hào),便會(huì)根據(jù)TDMA時(shí)隙表在預(yù)分配的時(shí)隙內(nèi)傳遞采集信息.

對(duì)于移動(dòng)節(jié)點(diǎn),由于位置的變更,其接收到原有簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)請(qǐng)求消息的信號(hào)強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化,因此首先根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行本地的位置更新,即如果移動(dòng)節(jié)點(diǎn)朝向簇頭移動(dòng),接收到的信號(hào)請(qǐng)求消息強(qiáng)度增大,因此可以降低發(fā)射功率傳遞采集信息;反之如果遠(yuǎn)離簇頭運(yùn)動(dòng),需提高發(fā)射功率以保證數(shù)據(jù)包的成功傳輸.當(dāng)完成鏈?zhǔn)坠?jié)點(diǎn)最后一跳的數(shù)據(jù)傳輸后,在當(dāng)前幀尾,由需要進(jìn)行位置與成員更新的移動(dòng)節(jié)點(diǎn),即那些因移出當(dāng)前簇范圍或遠(yuǎn)離原有簇頭的移動(dòng)節(jié)點(diǎn),主動(dòng)廣播入簇請(qǐng)求消息,根據(jù)各個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)反饋消息的強(qiáng)度,進(jìn)行簇頭重新選擇,并完成成員更新信息的交互.簇頭節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)成員變化更新本地的簇信息,重新規(guī)劃TDMA時(shí)隙表,并從下一幀開始按照新的時(shí)隙表進(jìn)行簇內(nèi)數(shù)據(jù)的傳遞與匯聚.

2.4簇頭鏈路由維護(hù)

在提出的路由方案中,由于最后一跳傳輸所需的能量較多,可能會(huì)導(dǎo)致簇頭節(jié)點(diǎn)的意外死亡和簇頭鏈的失效,因此利用鏈?zhǔn)坠?jié)點(diǎn)的令牌傳輸機(jī)制進(jìn)行簇間多跳路由的維護(hù).

當(dāng)鏈?zhǔn)坠?jié)點(diǎn)通過令牌傳輸進(jìn)行沿鏈數(shù)據(jù)融合請(qǐng)求時(shí),如果一段時(shí)間后沒有信息反饋,則通過令牌重傳以確認(rèn)鄰居簇頭的死亡并同時(shí)尋找死亡簇頭的鏈鄰居節(jié)點(diǎn).由于此時(shí)各個(gè)簇頭已經(jīng)完成了簇內(nèi)數(shù)據(jù)的匯聚,因此利用令牌消息的廣播來連結(jié)當(dāng)前簇頭節(jié)點(diǎn)和死亡節(jié)點(diǎn)的上一跳鏈鄰居,完成簇頭鏈的維護(hù),并在當(dāng)前幀結(jié)束后直接開啟下一周期,重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的簇鏈結(jié)構(gòu).

3仿真結(jié)果與分析

3.1仿真實(shí)驗(yàn)

表1　仿真參數(shù)表

為研究所提出路由協(xié)議的性能,通過MATLAB進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如表1所示.

本文作者首先定義3個(gè)度量標(biāo)準(zhǔn)來衡量路由協(xié)議的能量效率與數(shù)據(jù)包傳遞成功率,分別是網(wǎng)絡(luò)存活的節(jié)點(diǎn)數(shù)目(NAN),網(wǎng)絡(luò)功能性生命周期(FL)以及數(shù)據(jù)包接收成功率(SPRR).網(wǎng)絡(luò)存活的節(jié)點(diǎn)數(shù)在每一次匯聚節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行統(tǒng)計(jì),稱之為一輪.網(wǎng)絡(luò)功能性生命周期與存活節(jié)點(diǎn)數(shù)直接相關(guān),而且其定義也因網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景而異.在仿真實(shí)驗(yàn)中,將網(wǎng)絡(luò)從開始運(yùn)轉(zhuǎn)到20%的傳感節(jié)點(diǎn)死亡所持續(xù)的時(shí)間定義為網(wǎng)絡(luò)的功能性生命周期,單位是輪.數(shù)據(jù)包接收成功率表示簇頭實(shí)際的數(shù)據(jù)接收率與預(yù)期接受率之比.因節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性而導(dǎo)致的丟包主要發(fā)生在簇內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸階段,因此在衡量數(shù)據(jù)包傳遞性能時(shí),只考慮簇成員節(jié)點(diǎn)與對(duì)應(yīng)簇頭之間的數(shù)據(jù)傳遞.

網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中,規(guī)定10%的節(jié)點(diǎn)是移動(dòng)的,以此來仿真可穿戴設(shè)備和移動(dòng)智能終端,同時(shí)考慮到移動(dòng)設(shè)備的續(xù)航能力以及移動(dòng)簇頭給網(wǎng)絡(luò)協(xié)議帶來的復(fù)雜性,規(guī)定所有的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)均不可被選舉為簇頭.

3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1網(wǎng)絡(luò)生命周期分析

為了衡量所提出路由協(xié)議的能量效率,選取LEACH和CCBRP-L兩種路由協(xié)議作為參考對(duì)象,其中CCBRP-L相比CCBRP,缺少了鏈?zhǔn)坠?jié)點(diǎn)的資格判決,未定義操作周期中的預(yù)建立過程與穩(wěn)態(tài)階段多幀概念,即依照3.2.1中的策略(1)進(jìn)行鏈?zhǔn)坠?jié)點(diǎn)的選擇和數(shù)據(jù)的匯聚.通過上文分析可知,頻繁的簇鏈結(jié)構(gòu)建立會(huì)帶來網(wǎng)絡(luò)開銷的增加,而且缺乏預(yù)建立過程,會(huì)導(dǎo)致在某些簇頭選擇不合理的情況下依然進(jìn)行數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸與匯聚,帶來能耗的劇增。

以NAN和FL作為度量準(zhǔn)則對(duì)比分析上述3種路由方案,結(jié)果由如圖3(a)可知提出的路由方案CCBRP顯著延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生命周期,且鏈?zhǔn)着袥Q與協(xié)議周期的設(shè)計(jì)使得相較于CCBRP-L,網(wǎng)絡(luò)功能性生命周期延長(zhǎng)80%.

3.2.2鏈?zhǔn)着袥Q機(jī)制分析

對(duì)照3.2.1中的分析,通過NAN和FL2個(gè)度量參量來驗(yàn)證鏈?zhǔn)着袥Q機(jī)制的有效性,即實(shí)現(xiàn)平均能耗Eave的降低.在仿真實(shí)驗(yàn)中,定義如果簇頭節(jié)點(diǎn)符合下述條件,即到匯聚節(jié)點(diǎn)的距離在當(dāng)前周期所有簇頭中最遠(yuǎn)且剩余能量低于當(dāng)前周期簇頭節(jié)點(diǎn)的平均能量,或剩余能量最低且到匯聚節(jié)點(diǎn)的距離大于當(dāng)前周期簇頭節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的平均距離,則不滿足鏈?zhǔn)坠?jié)點(diǎn)的條件,不適合完成最后一跳的傳輸.

如圖3所示,依照上述準(zhǔn)則進(jìn)行鏈?zhǔn)着袥Q條件下的路由協(xié)議(CLQJ)對(duì)應(yīng)的NAN曲線始終高于所有的簇頭節(jié)點(diǎn)均可成為鏈?zhǔn)讞l件下的路由協(xié)議(ALL),而且FL也提升了9%.因此可以證明提出的鏈?zhǔn)着袥Q機(jī)制在提高路由協(xié)議能量效率方面是有效的.

3.2.3移動(dòng)性管理機(jī)制分析

(1) 方法對(duì)比.作者評(píng)估了兩種移動(dòng)管理方案CHB和MU,其中,CHB利用簇頭的消息廣播來招募移動(dòng)節(jié)點(diǎn),MU則是利用移動(dòng)節(jié)點(diǎn)廣播入簇請(qǐng)求消息,通過簇頭節(jié)點(diǎn)的反饋來進(jìn)行成員的更新.考慮到簇頭在提出的路由協(xié)議中所承擔(dān)的責(zé)任與消耗的能量,不再適合作為移動(dòng)管理階段的主體,因此通過移動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行廣播可以有效平衡網(wǎng)絡(luò)的能耗分布.而且經(jīng)過傳輸階段的本地位置更新之后,只有需要進(jìn)行成員更新的節(jié)點(diǎn)才會(huì)廣播請(qǐng)求消息,因此和被動(dòng)的重成簇方案CHB相比,MU方案在能效方面更加性能更佳.

如圖3(c)所示,MU對(duì)應(yīng)的NAN曲線始終位于CHB曲線的上方,因此,可以證明通過移動(dòng)節(jié)點(diǎn)廣播入簇請(qǐng)求消息來實(shí)現(xiàn)移動(dòng)管理的機(jī)制擁有更高的能量效率.

圖3　路由協(xié)議的能量效率分析

(2) MU性能分析.利用成員更新機(jī)制來保證數(shù)據(jù)包的正確傳遞,但是必然會(huì)帶來額外的能量消耗.因此在移動(dòng)場(chǎng)景下分別度量?jī)深惵酚蓞f(xié)議的FL和SPRR:有CCBRP和無移動(dòng)管理機(jī)制的靜態(tài)路由協(xié)議(CCBRP-S).在CCBRP-S的應(yīng)用場(chǎng)景中,節(jié)點(diǎn)移動(dòng)會(huì)導(dǎo)致移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與對(duì)應(yīng)簇頭間距離的變化,但移動(dòng)節(jié)點(diǎn)不能進(jìn)行位置更新來調(diào)節(jié)發(fā)射功率和簇頭切換,因此數(shù)據(jù)包的傳遞無法得到保障,且用更高的發(fā)射功率來完成短距離傳輸,也降低了能量的效率.而且,隨著移動(dòng)節(jié)點(diǎn)比例的增加,潛在的簇頭比例降低,不均衡的能耗分布也將導(dǎo)致FL的縮短.

如圖4(a)所示,隨著移動(dòng)節(jié)點(diǎn)比例的增加,對(duì)比的兩個(gè)路由協(xié)議的FL曲線均有下降,但CCBRP-S對(duì)應(yīng)的FL曲線始終高于CCBRP.但就數(shù)據(jù)包傳遞性能來看,如圖4(b)所示,CCBRP保持了一個(gè)較為穩(wěn)定的成功接收率,而CCBRP-S的接收成功率隨著移動(dòng)節(jié)點(diǎn)比例的增加急速下降.因此可以得出結(jié)論,提出的路由方案CCBRP在數(shù)據(jù)包傳遞方面有較穩(wěn)定的表現(xiàn),而且因移動(dòng)管理和保障傳遞成功率而付出的額外能量損耗也在可接受的范圍內(nèi),即在能量效率與數(shù)據(jù)包傳遞之間達(dá)到了較好的平衡.

圖4　移動(dòng)管理機(jī)制分析

4結(jié)束語

本文作者提出了一種新的基于簇鏈結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議,用于提升網(wǎng)絡(luò)的能量效率并支持節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性.協(xié)議的操作按周期進(jìn)行,包括建立階段和穩(wěn)態(tài)階段.在建立階段完成分布式簇頭選舉和簇鏈結(jié)構(gòu)的形成;在穩(wěn)態(tài)階段各個(gè)幀內(nèi),具有鏈?zhǔn)踪Y格的簇頭節(jié)點(diǎn)將融合的采集信息傳輸至匯聚節(jié)點(diǎn);且在每幀的結(jié)尾,由需要進(jìn)行成員更新的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)主動(dòng)廣播請(qǐng)求消息來完成簇頭切換.仿真結(jié)果表明,CCBRP路由協(xié)議延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的功能性生命周期同時(shí)在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中保證了數(shù)據(jù)包的接收成功率,且在能量效率和數(shù)據(jù)包傳遞間達(dá)到平衡.

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(責(zé)任編輯：顧浩然)

Cluster chain based energy efficient routing protocol for moblie

WSNWU Ziyu, YU Hui, GUI Lin

(School of Electronic Information and Electrical Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)

Abstract:With the ubiquitous smart devices acting as mobile sensor nodes in the wireless sensor networks(WSNs) to sense and transmit physical information,routing protocols should be designed to accommodate the mobility issues,in addition to conventional considerations on energy efficiency.However,due to frequent topology change,traditional routing schemes cannot perform well.Moreover,existence of mobile nodes poses new challenges on energy dissipation and packet loss.In this paper,a novel routing scheme called cluster chain based routing protocol(CCBRP) is proposed,which employs a combination of cluster and chain structure to accomplish data collection and transmission and thereafter selects qualified cluster heads as chain leaders to transmit data to the sink.Furthermore,node mobility is handled based on periodical membership update of mobile nodes.Simulation results demonstrate that CCBRP has a good performance in terms of network lifetime and packet delivery,also strikes a better balance between successful packet reception and energy consumption.

Key words:routing protocol; cluster chain structure; energy efficiency; mobility management; mobile wireless sensor network

中圖分類號(hào):TN 929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1000-5137(2016)02-0215-08

通信作者:俞暉,中國(guó)上海市閔行區(qū)東川路800號(hào),上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院,郵編:200240,E-mail:yuhui@sjtu.edu.cn

收稿日期:2016-03-04