一個(gè)適于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的WSN能量高效動(dòng)態(tài)路由協(xié)議*

韓雨澇,陳三清

(攀枝花學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院,四川 攀枝花 617000)

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一個(gè)適于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的WSN能量高效動(dòng)態(tài)路由協(xié)議*

韓雨澇*,陳三清

(攀枝花學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院,四川 攀枝花 617000)

針對(duì)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中,網(wǎng)絡(luò)生命期不足的問題,提出一種低占空比網(wǎng)絡(luò)下能量高效動(dòng)態(tài)路由協(xié)議EEDRP(Energy Efficient Dynamic Routing Protocol),該協(xié)議利用鄰居節(jié)點(diǎn)剩余能量和鏈路質(zhì)量動(dòng)態(tài)確定轉(zhuǎn)發(fā)集,通過基于轉(zhuǎn)發(fā)集活動(dòng)時(shí)隙預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)包重傳機(jī)制,解決了因鏈路不可靠導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸失敗問題。最后,通過仿真對(duì)協(xié)議進(jìn)行了驗(yàn)證,結(jié)果表明:該協(xié)議在保證數(shù)據(jù)收集低延遲和可靠性前提下,有效延長了網(wǎng)絡(luò)生命期,滿足結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用要求。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò);網(wǎng)絡(luò)生命期;重傳機(jī)制;結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè);占空比

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)[1-8]是一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)場(chǎng)景,如在研究工作中針對(duì)土遺址形變監(jiān)測(cè)[7]。這類場(chǎng)景常處于野外惡劣環(huán)境下,節(jié)點(diǎn)能量得不到及時(shí)更新,而應(yīng)用要求監(jiān)測(cè)周期較長,使得網(wǎng)絡(luò)生命期最大化成為此類應(yīng)用急需解決的問題?？紤]到興趣事件發(fā)生具有稀疏性特點(diǎn),通常將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)置于低占空比工作模式下[9-10],能有效延長節(jié)點(diǎn)壽命,產(chǎn)生的問題是數(shù)據(jù)得不到及時(shí)轉(zhuǎn)發(fā),同時(shí)由于無線鏈路可靠性低,導(dǎo)致數(shù)據(jù)收集的可靠性和延時(shí)性性能低下,而結(jié)構(gòu)健康分析是建立在數(shù)據(jù)收集的可靠性和低延遲基礎(chǔ)之上。

最近的一些研究工作,保證了低占空比無線傳感網(wǎng)絡(luò)下數(shù)據(jù)收集具有優(yōu)良QoS保障。其中,FLOOD協(xié)議是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)種一種經(jīng)典的路由協(xié)議,源節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)以廣播形式向周圍處于活動(dòng)狀態(tài)的鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送,直到數(shù)據(jù)包到達(dá)Sink節(jié)點(diǎn),或者到達(dá)預(yù)先設(shè)定的最大跳數(shù),存在的主要問題是資源浪費(fèi)。文獻(xiàn)[11]通過構(gòu)建路由樹,根據(jù)節(jié)點(diǎn)在樹中的深度構(gòu)成交錯(cuò)的活動(dòng)/睡眠調(diào)度,降低了數(shù)據(jù)傳輸延遲,但未考慮因鏈路不可靠導(dǎo)致傳輸失敗產(chǎn)生 的延遲。文獻(xiàn)[12]利用無線網(wǎng)絡(luò)的廣播特性,將機(jī)會(huì)路由用于低占空比的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,有效的提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?降低了傳輸延遲,但機(jī)會(huì)路由利用了接收節(jié)點(diǎn)性能多樣性特點(diǎn),如果節(jié)點(diǎn)部署不夠密集,同時(shí)喚醒的節(jié)點(diǎn)數(shù)量非常有限,導(dǎo)致機(jī)會(huì)路由的性能大大降低。文獻(xiàn)[13]提出一種多管道調(diào)度協(xié)議(RMS),有效的保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院偷脱舆t性,但節(jié)點(diǎn)調(diào)度的分配需要大量的通信和計(jì)算開銷。另外,單純以鏈路質(zhì)量作為度量選擇轉(zhuǎn)發(fā)集,容易導(dǎo)致部分節(jié)點(diǎn)因頻繁使用而能量枯竭。針對(duì)上述研究存在的問題,本文提出EEDRP協(xié)議,主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于:提出了一種休眠調(diào)度模型,均衡了節(jié)點(diǎn)間能量消耗,大大提高了網(wǎng)絡(luò)生命期。其次,對(duì)于不可靠鏈路導(dǎo)致的數(shù)據(jù)傳輸失敗問題,不像在ETX和DESS中,發(fā)送節(jié)點(diǎn)向固定一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)包的傳輸有很大延遲,在本文中使用了基于轉(zhuǎn)發(fā)集節(jié)點(diǎn)活動(dòng)時(shí)隙預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)包重傳機(jī)制,有效的降低了數(shù)據(jù)傳輸延遲。

1 網(wǎng)絡(luò)模型和問題描述

1.1 網(wǎng)絡(luò)模型

①假定網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)隨機(jī)均勻分布,具有相同通信半徑R、初始能量E,并且時(shí)鐘同步。

②無線傳感器網(wǎng)絡(luò)表示為G=(V,E,Q,W)。其中,V表示網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)集;E表示網(wǎng)絡(luò)鏈路集;Q表示鏈路質(zhì)量集,鏈路(i,j)的鏈路質(zhì)量表示為pi,j,假定網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)間鏈路質(zhì)量已經(jīng)確定;W表示節(jié)點(diǎn)的工作調(diào)度集,節(jié)點(diǎn)i的工作調(diào)度wi由0、1組成的字符串表示,其中,i∈[1,|V|]。

(1)式中:iID為節(jié)點(diǎn)i的標(biāo)識(shí),Xi,n表示在工作周期T的所有時(shí)隙中,節(jié)點(diǎn)i第n個(gè)活動(dòng)狀態(tài)時(shí)隙所處位置,如Xi,3=8,表示節(jié)點(diǎn)i的第3個(gè)活動(dòng)狀態(tài)時(shí)隙處于第8個(gè)時(shí)隙位置;占空比調(diào)節(jié)參數(shù)C控制所有節(jié)點(diǎn)占空比。如對(duì)節(jié)點(diǎn)i,當(dāng)iID=3,C=5,假定周期T內(nèi)時(shí)隙數(shù)為20,通過式(1)計(jì)算,節(jié)點(diǎn)i僅在第3、8、13、18時(shí)隙處于活動(dòng)狀態(tài),在其余時(shí)隙,均處于休眠狀態(tài),所以該節(jié)點(diǎn)工作調(diào)度w3表示為(00100001000010000100)。

④能量消耗模型:假定節(jié)點(diǎn)在休眠時(shí)隙,能量消耗忽略不計(jì),只考慮節(jié)點(diǎn)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的能量消耗。為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化我們的能量模型,參考文獻(xiàn)[14],本文只考慮發(fā)送數(shù)據(jù)對(duì)節(jié)點(diǎn)能耗的影響。又參考文獻(xiàn)[15],網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)呈隨機(jī)均勻分布,源節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包經(jīng)多跳發(fā)送Sink節(jié)點(diǎn),可認(rèn)為發(fā)送數(shù)據(jù)總能耗與發(fā)送節(jié)點(diǎn)到Sink節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)成正比。定義一跳范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包平均能耗為Ehop,則源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包到Sink能耗如式(2)所示。

E=Ehop·hop

(2)

1.2 問題描述及目標(biāo)

本文針對(duì)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用,提出了一種低占空比無線傳感器網(wǎng)絡(luò)下動(dòng)態(tài)路由協(xié)議EEDRP,旨在均衡網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗,最大化網(wǎng)絡(luò)生命期,同時(shí)保證數(shù)據(jù)收集的可靠性和低延遲性,滿足結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用的實(shí)際需要。

2 SLQE鏈路度量

先前算法[11-13,16]在確定下一跳節(jié)點(diǎn)鏈路度量時(shí),僅考慮了鏈路質(zhì)量,容易導(dǎo)致一些鏈路質(zhì)量好的節(jié)點(diǎn),由于連續(xù)多次發(fā)送數(shù)據(jù),過早能量耗盡,影響網(wǎng)絡(luò)生命期。本文給出一種鏈路度量SLQE(Sum of Link Quality and Energy),該度量在選擇下一跳節(jié)點(diǎn)時(shí),考慮了節(jié)點(diǎn)的剩余能量,有效的均衡了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量消耗,增加了網(wǎng)絡(luò)生命期。節(jié)點(diǎn)i與其下一跳節(jié)點(diǎn)j鏈路度量,定義為:

(3)

式中:pi,j表示鏈路(i,j)的鏈路質(zhì)量;Ni為節(jié)點(diǎn)i的下一跳鄰居節(jié)點(diǎn)集;Ej為節(jié)點(diǎn)j的剩余能量;E表示節(jié)點(diǎn)的初始能量;β為用于平衡鏈路質(zhì)量和剩余能量在度量中的比例。

3 EEDRP協(xié)議設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

EEDRP協(xié)議在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程中面臨挑戰(zhàn)主要有兩個(gè)方面:首先,如何有效均衡節(jié)點(diǎn)間能量消耗,避免熱點(diǎn)節(jié)點(diǎn)過早死亡,最大化網(wǎng)絡(luò)生命期。其次,對(duì)于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中存在不可靠鏈路,如何降低數(shù)據(jù)丟包率,保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。針?duì)上述挑戰(zhàn),本文首先提出一種休眠調(diào)度模型,使得節(jié)點(diǎn)工作在一種低占空比模式下,同時(shí)利用鄰居節(jié)點(diǎn)剩余能量和鏈路質(zhì)量動(dòng)態(tài)確定轉(zhuǎn)發(fā)集,通過基于轉(zhuǎn)發(fā)集活動(dòng)時(shí)隙預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)包重傳機(jī)制,解決了因鏈路不可靠導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸失敗問題。EEDRP協(xié)議分為協(xié)議初始化階段和協(xié)議運(yùn)行階段兩部分。為了保證網(wǎng)絡(luò)信息(拓?fù)?、剩余能?的實(shí)時(shí)更新,需每隔一段時(shí)間Tinitial進(jìn)行初始化。

3.1 初始化階段

在初始化階段,節(jié)點(diǎn)均處于喚醒狀態(tài),完成路由前期的一些準(zhǔn)備工作,包含如下3個(gè)子階段。

①確定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分層

根據(jù)節(jié)點(diǎn)到Sink節(jié)點(diǎn)的跳數(shù),將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)劃分為以Sink為中心,跳數(shù)由小到大的分層。具體步驟為:假定網(wǎng)絡(luò)中共|V|個(gè)節(jié)點(diǎn),Sink節(jié)點(diǎn)廣播HM(Hop Message)包,HM包含當(dāng)前節(jié)點(diǎn)距離Sink節(jié)點(diǎn)跳數(shù)hop的消息。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)某節(jié)點(diǎn)接收到第1個(gè)HM包后,經(jīng)歷時(shí)間段T1=2 s,選擇該時(shí)間段內(nèi)所有HM包中跳數(shù)最小的,將該包中跳數(shù)hop更新為hop+1,并將該值作為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的層數(shù),繼續(xù)廣播更新后的HM包,最后直至網(wǎng)絡(luò)中的|V|個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)均獲得自身所在網(wǎng)絡(luò)的層數(shù),假定最終形成q+1層的網(wǎng)絡(luò)分層圖,其層數(shù)依次表示為:L0,L1,…,Lq。其中,L0表示Sink節(jié)點(diǎn)所在的層數(shù),即第0層;距離Sink節(jié)點(diǎn)u跳的節(jié)點(diǎn)的層數(shù),表示為Lu,即第u層。如圖1表示一個(gè)矩形部署的5層的網(wǎng)絡(luò)分層圖。

圖1 網(wǎng)絡(luò)分層圖

②確定節(jié)點(diǎn)下一跳鄰居表

表1 節(jié)點(diǎn)i下一跳鄰居表結(jié)構(gòu)

其中,節(jié)點(diǎn)ID為節(jié)點(diǎn)i的鄰居節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí);鏈路質(zhì)量和SLQE值為節(jié)點(diǎn)i與鄰居節(jié)點(diǎn)形成鏈路的鏈路質(zhì)量和鏈路度量。確定節(jié)點(diǎn)下一跳鄰居表過程為:首先每個(gè)節(jié)點(diǎn)廣播NDM(Neighbor Discovery Message)包,NDM包含發(fā)送節(jié)點(diǎn)的ID、剩余能量以及距離Sink節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)hop。當(dāng)節(jié)點(diǎn)i收到一個(gè)節(jié)點(diǎn)j的NDM包后,若節(jié)點(diǎn)j到Sink節(jié)點(diǎn)比自身到Sink節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)hop小,則認(rèn)定節(jié)點(diǎn)j作為自己的下一跳節(jié)點(diǎn),然后將jID和Ej值保存到自己的下一跳鄰居表j的對(duì)應(yīng)表項(xiàng)中。節(jié)點(diǎn)i的所有下一跳節(jié)點(diǎn),構(gòu)成了自身的下一跳節(jié)點(diǎn)集Ni。最后,通過式(1),計(jì)算每個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)的工作調(diào)度w,并通過式(3),計(jì)算每個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)的鏈路度量。最終形成了如表1所示的下一跳鄰居表。

③確定節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)集

節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)集大小k影響著網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)率、延遲和以及網(wǎng)絡(luò)生命期。為了保證轉(zhuǎn)發(fā)率和低延遲性能,k不能太小,同時(shí)又考慮到節(jié)點(diǎn)多次發(fā)送數(shù)據(jù)產(chǎn)生過多能耗,結(jié)合后面仿真驗(yàn)證,在這里我們?nèi)為4。執(zhí)行過程為:將每個(gè)節(jié)點(diǎn)下一跳鄰居表按SLQE度量值降序排序,取前k個(gè)最大SLQE值對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn),作為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)集節(jié)點(diǎn)。

3.2 運(yùn)行階段

在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的每個(gè)周期T內(nèi),節(jié)點(diǎn)按照各自轉(zhuǎn)發(fā)集節(jié)點(diǎn)工作調(diào)度,將數(shù)據(jù)包通過逐層動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)發(fā),最終發(fā)送到Sink節(jié)點(diǎn),當(dāng)在某一層節(jié)點(diǎn)因轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)超過k,數(shù)據(jù)包被丟棄。具體步驟如下:

①構(gòu)建排序轉(zhuǎn)發(fā)集

構(gòu)建轉(zhuǎn)發(fā)集排序目的是為了保證網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。節(jié)點(diǎn)i計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)集節(jié)點(diǎn)下一個(gè)活動(dòng)狀態(tài)時(shí)隙與自身活動(dòng)狀態(tài)時(shí)隙之差并取絕對(duì)值,將結(jié)果以升序排列,即得到節(jié)點(diǎn)i的排序后的轉(zhuǎn)發(fā)集,表示為Si。

②運(yùn)行過程

網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)按照排序后的轉(zhuǎn)發(fā)集,將數(shù)據(jù)包逐層轉(zhuǎn)發(fā)給下一跳節(jié)點(diǎn),直至數(shù)據(jù)包發(fā)送到達(dá)Sink節(jié)點(diǎn)。其執(zhí)行過程為:當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中位于Lu層的節(jié)點(diǎn)i有數(shù)據(jù)包需發(fā)送時(shí),初始化m=1,節(jié)點(diǎn)i向位于L(u-1)層的排序后的轉(zhuǎn)發(fā)集中的第m個(gè)節(jié)點(diǎn)j發(fā)送數(shù)據(jù)包;節(jié)點(diǎn)j收到節(jié)點(diǎn)i的數(shù)據(jù)包后,判斷自身是否為Sink節(jié)點(diǎn),是則向節(jié)點(diǎn)i返回一個(gè)包含flag=1的ACK包,否則返回包含自身剩余能量和flag=0的ACK包;節(jié)點(diǎn)i判斷自己是否收到j(luò)的ACK包,收到ACK包,進(jìn)一步判斷如果ACK包中flag=1,可知節(jié)點(diǎn)i的數(shù)據(jù)包已經(jīng)成功發(fā)送到Sink節(jié)點(diǎn),結(jié)束。如果節(jié)點(diǎn)i收到的ACK包中flag=0,可知節(jié)點(diǎn)j不是Sink節(jié)點(diǎn),則節(jié)點(diǎn)i更新其下一跳鄰居表中節(jié)點(diǎn)j的剩余能量,第Lu層的數(shù)據(jù)包發(fā)送結(jié)束,令Lu=L(u-1),進(jìn)行下一層節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā);如果節(jié)點(diǎn)i未收到來自j的ACK包,則令m=m+1,定義max為最大轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù),其數(shù)值等于轉(zhuǎn)發(fā)集大小k,判斷m<=max是否成立,是則轉(zhuǎn)入發(fā)送節(jié)點(diǎn)下一次轉(zhuǎn)發(fā);否則,節(jié)點(diǎn)i發(fā)送數(shù)據(jù)包失敗,數(shù)據(jù)包被丟棄,結(jié)束。執(zhí)行過程如圖2所示。

圖2 協(xié)議運(yùn)行圖

4 網(wǎng)絡(luò)性能分析

①源節(jié)點(diǎn)到Sink轉(zhuǎn)發(fā)率

依據(jù)鏈路質(zhì)量、休眠調(diào)度和轉(zhuǎn)發(fā)集,第l層節(jié)點(diǎn)i,計(jì)算到l-1層一跳轉(zhuǎn)發(fā)率HDR(Hop Delivery Ratio),如式(4)所示:

(4)

式中:m表示當(dāng)前發(fā)送次數(shù),k表示轉(zhuǎn)發(fā)集大小。增加k,提高了一跳轉(zhuǎn)發(fā)率,但這加劇了發(fā)送節(jié)點(diǎn)的能量開銷。進(jìn)一步分析可知,源節(jié)點(diǎn)s到Sink轉(zhuǎn)發(fā)率(End Delivery Ratio),如式(5)所示:

(5)

假定平均鏈路質(zhì)量達(dá)到0.6,k=4,由式(4)計(jì)算一跳轉(zhuǎn)發(fā)成功率約為98%。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)為5跳時(shí),源節(jié)點(diǎn)到Sink的轉(zhuǎn)發(fā)率超過88%。

②源節(jié)點(diǎn)到Sink轉(zhuǎn)發(fā)延遲

定義pl(i,j)為第l層節(jié)點(diǎn)i向l-1層轉(zhuǎn)發(fā)集成功轉(zhuǎn)發(fā)的前提下,轉(zhuǎn)發(fā)集中前j-1個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送失敗,而第j個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送成功的概率,可表示為式(6):

(6)

則源節(jié)點(diǎn)到Sink轉(zhuǎn)發(fā)延遲EDT(End Delay Time),可表示為式(7):

(7)

式中:Δi,j為節(jié)點(diǎn)i和轉(zhuǎn)發(fā)集中節(jié)點(diǎn)j下一活動(dòng)時(shí)隙的時(shí)隙間隔數(shù);π是節(jié)點(diǎn)一次成功發(fā)送數(shù)據(jù)包所需時(shí)間。

③源節(jié)點(diǎn)到Sink傳輸能耗

網(wǎng)絡(luò)模型中,假定網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中節(jié)點(diǎn)均勻密集部署,且具有相同發(fā)射功率。依據(jù)本文能量消耗模型,當(dāng)數(shù)據(jù)包沿多跳路徑發(fā)送到Sink節(jié)點(diǎn),所產(chǎn)生的能耗與發(fā)送節(jié)點(diǎn)到Sink節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)成正比,能量消耗模型對(duì)應(yīng)式(2),由于每一跳最多發(fā)送k次,則E∈[e·hop,k·e·hop],其中e表示發(fā)送一次數(shù)據(jù)所需能耗。

5 仿真結(jié)果及討論

本節(jié)將通過java語言編寫的模擬器仿真并分析協(xié)議的性能。每個(gè)時(shí)隙隨機(jī)選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包,經(jīng)過多跳轉(zhuǎn)發(fā)到達(dá)Sink節(jié)點(diǎn),所有仿真數(shù)值均為40個(gè)隨機(jī)場(chǎng)景結(jié)果的平均值。網(wǎng)絡(luò)相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 仿真參數(shù)

5.1 轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)k對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能影響

在EEDRP協(xié)議中,為了分析轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)k對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)率、轉(zhuǎn)發(fā)延遲和網(wǎng)絡(luò)生命期的影響,我們將轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)由2增加到5,網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)目固定為500不變,仿真結(jié)果及討論如下:

圖3(a)顯示了k對(duì)從源節(jié)點(diǎn)到Sink端到端平均轉(zhuǎn)發(fā)率影響,從圖中可以發(fā)現(xiàn),隨著k的增加,成功轉(zhuǎn)發(fā)率增大。這是由于k增加后,轉(zhuǎn)發(fā)集節(jié)點(diǎn)增多,最終成功傳輸?shù)絊ink節(jié)點(diǎn)的包越多。圖3(b)是k對(duì)從源節(jié)點(diǎn)到Sink端到端平均轉(zhuǎn)發(fā)延遲的影響,從圖3可以看出,隨著k的增加,通過轉(zhuǎn)發(fā)集節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的幾率增加,使得每一跳轉(zhuǎn)發(fā)延遲降低,最終降低了端到端平均延遲。圖3(c)是k對(duì)網(wǎng)絡(luò)生命期的影響。可以看出,隨著k的增加,網(wǎng)絡(luò)生命期呈減少趨勢(shì),這是由于節(jié)點(diǎn)發(fā)送次數(shù)增加,如果鏈路質(zhì)量較差,需要多次發(fā)送,使得發(fā)送節(jié)點(diǎn)的能量消耗較大。另外,轉(zhuǎn)發(fā)集節(jié)點(diǎn)越多,計(jì)算量和通信量越大,這些都影響著網(wǎng)絡(luò)生命期。綜上分析,k過小降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)霓D(zhuǎn)發(fā)率,增加了數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t。另一方面,隨著k的增加,網(wǎng)絡(luò)生命期呈現(xiàn)明顯降低趨勢(shì)。最終,結(jié)合結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用對(duì)網(wǎng)絡(luò)生命期要求較長的特點(diǎn),同時(shí)綜合網(wǎng)絡(luò)的整體性能,選擇k值為4。

圖3

5.2 3種協(xié)議不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度下性能比較

我們將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)由300增加到600,固定部署區(qū)域大小不變,在3種協(xié)議EEDRP、FLOOD和RMS下,對(duì)源節(jié)點(diǎn)到Sink端到端平均轉(zhuǎn)發(fā)率、平均延遲和平均網(wǎng)絡(luò)生命期進(jìn)行了比較。

圖4(a)是3種協(xié)議下,節(jié)點(diǎn)端到端的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)率分布情況。從圖中可以發(fā)現(xiàn),隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增大,3種協(xié)議的平均轉(zhuǎn)發(fā)率均呈增加趨勢(shì)。這是由于部署區(qū)域固定,隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加,每個(gè)節(jié)點(diǎn)的周圍處于活動(dòng)狀態(tài)節(jié)點(diǎn)增多,這增加了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)率。另外,RMS轉(zhuǎn)發(fā)率性能稍微優(yōu)于EEDRP,而這種兩協(xié)議該性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于FLOOD。這是由于,FLOOD不管數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的方向,向周圍節(jié)點(diǎn)進(jìn)行廣播,這就極大的增加了數(shù)據(jù)包被轉(zhuǎn)發(fā)給Sink節(jié)點(diǎn)的概率。RMS的轉(zhuǎn)發(fā)率優(yōu)于EEDRP,這是因?yàn)镽MS在選擇轉(zhuǎn)發(fā)集時(shí),選擇鏈路質(zhì)量最高的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā),而EEDRP中β=0.9,綜合了鏈路質(zhì)量和節(jié)點(diǎn)剩余能量,弱化了鏈路質(zhì)量因素,使得轉(zhuǎn)發(fā)率有一定程度降低。圖4(b)是3種協(xié)議下網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)端到端的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)延遲分布情況。從圖4可以發(fā)現(xiàn),隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增大,3種協(xié)議的轉(zhuǎn)發(fā)延遲均呈遞減趨勢(shì),FLOOD轉(zhuǎn)發(fā)延遲要遠(yuǎn)優(yōu)于其他兩種協(xié)議,而RMS的轉(zhuǎn)發(fā)延遲稍微優(yōu)于EEDRP,原因與圖4(a)情況類似,為避免篇幅冗長,在此略去。圖4(c)是3種協(xié)議網(wǎng)絡(luò)生命期比較情況。

圖4

從圖4可以發(fā)現(xiàn),隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加,EEDRP和RMS的網(wǎng)絡(luò)生命期呈現(xiàn)上升趨勢(shì),FLOOD逐漸降低。這是由于隨著節(jié)點(diǎn)密度的增加,在EEDRP和RMS中,有更好鏈路質(zhì)量的節(jié)點(diǎn)參與轉(zhuǎn)發(fā),而FLOOD中同時(shí)處于活動(dòng)狀態(tài)節(jié)點(diǎn)的增多,由于沒有轉(zhuǎn)發(fā)集的選擇,使得一個(gè)節(jié)點(diǎn)的任意鄰居節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)包要發(fā)送時(shí),可能都要通過該節(jié)點(diǎn),極大的降低了該節(jié)點(diǎn)的壽命,影響了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命期。從圖4還可以看出,對(duì)于任意一組節(jié)點(diǎn)數(shù)量固定的網(wǎng)絡(luò)仿真,EEDRP網(wǎng)絡(luò)生命期最高,且EEDRP和RMS的網(wǎng)絡(luò)生命期要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于FLOOD。FLOOD網(wǎng)絡(luò)生命期最低,這是由自身的洪泛特性決定的;EEDRP網(wǎng)絡(luò)生命期高于RMS,這是由于,首先,RMS在初始化時(shí),為每個(gè)節(jié)點(diǎn)都分配了最優(yōu)的時(shí)隙,而這是以通信和計(jì)算開銷為代價(jià)的,而EEDRP協(xié)議根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)ID確定工作調(diào)度,不需要額外的通信開銷。其次,EEDRP在選擇轉(zhuǎn)發(fā)集使用了參數(shù)β,考慮了下一跳節(jié)點(diǎn)剩余能量,從而均衡了節(jié)點(diǎn)間能量消耗,提高了網(wǎng)絡(luò)生命期。

6 結(jié)論

本文針對(duì)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用對(duì)網(wǎng)絡(luò)生命期要求較高的特點(diǎn),提出了一種低占空比網(wǎng)絡(luò)下能量高效的動(dòng)態(tài)路由協(xié)議EEDRP。仿真結(jié)果表明:相對(duì)于FLOOD和RMS,EEDRP具有最大的網(wǎng)絡(luò)生命期,同時(shí)能滿足結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用所需轉(zhuǎn)發(fā)率和延遲性能要求。

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陳三清(1980-),男,湖北省廣水市人,碩士,講師,研究方向?yàn)橐苿?dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用。

An Energy Efficient Dynamic Routing Protocol in WSN forStructural Health Monitoring*

HAN Yulao*,CHEN Sanqing

(Department of mathematics and computer,Panzhihua university,Panzhihua Sichuan 617000,China)

With the shortage problem of network lifetime in wireless sensor network of structural health monitoring,this paper proposes a routing protocol EEDRP(Energy Efficient Dynamic Routing Protocol)in the low duty cycle network. The protocol dynamically works out a set of forwarding nodes by using neighbor nodes’ link quality and residual energy. At the same time,the protocol also solves the problem of data transmission failure caused by unreliable links by the data packet retransmission mechanism which is based on predicting active time slots of forwarding set. At last,a simulation platform was established to verify the protocol,the result showed that the protocol can prolong the network lifetime efficiently in the conditions of assuring reliability and low latency of data collection. Therefore it can meet the application requirements of structural health monitoring.

wireless sensor networks;network lifetime;retransmission mechanism;structural health monitoring;duty cycle

項(xiàng)目來源:國家科技支撐計(jì)劃自助項(xiàng)目(2013BAK01B02);國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61070176,61202393,61272461,61170218);陜西省教育廳科研計(jì)劃項(xiàng)目(2011JG06);攀枝花市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015CY-S-7)

2016-11-29 修改日期:2017-03-05

TP393

A

1004-1699(2017)07-1106-06

C:6150P

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.07.023