無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中基于鏈路質(zhì)量的能效任播路由

龍 飛

(長(zhǎng)春師范大學(xué)教育學(xué)院，長(zhǎng)春 130032)

0 引言

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)(WSNs)已在工業(yè)、農(nóng)業(yè)，包括軍事等領(lǐng)域廣泛使用[1-2]。WSNs是由微型、具有通信及感知能力的節(jié)點(diǎn)組成，這些節(jié)點(diǎn)感知環(huán)境數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)傳輸至控制中心，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)環(huán)境的目的。

節(jié)點(diǎn)由干電池供電，當(dāng)節(jié)點(diǎn)的電量耗盡時(shí)，節(jié)點(diǎn)就無(wú)法完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)热蝿?wù)，形成死亡節(jié)點(diǎn)。死亡節(jié)點(diǎn)一旦增多，網(wǎng)絡(luò)性能必然下降[3]。

業(yè)界采用低占空比[4-5]的節(jié)能技術(shù)緩解WSNs的網(wǎng)絡(luò)能耗，進(jìn)而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。在一個(gè)周期內(nèi)，占空比越低，節(jié)點(diǎn)工作時(shí)間越短，則休眠時(shí)間越長(zhǎng)。節(jié)點(diǎn)在休眠期間的能耗遠(yuǎn)低于其在工作時(shí)間的能耗。因此，通過(guò)延長(zhǎng)休眠時(shí)間可以降低節(jié)點(diǎn)能耗。當(dāng)需要接收或者傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，就喚醒節(jié)點(diǎn)。

除了節(jié)點(diǎn)能量消耗之外，數(shù)據(jù)傳輸率也是WSNs應(yīng)用必須考慮的因素。任播是兼顧節(jié)點(diǎn)能耗和數(shù)據(jù)傳輸率的有效路由策略之一。第6版互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(Internet protocol version 6, IPv6)將任播定義為一種新型通信服務(wù)[6]，網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)盡力將數(shù)據(jù)包傳遞至任播地址中的一個(gè)。

多數(shù)學(xué)者在構(gòu)建任播路由時(shí)引用信息生成樹[7-8]。例如，文獻(xiàn)[9]提出基于信息生成樹的多跳喚醒轉(zhuǎn)發(fā)路由(collection tree protocol-based multi-hop wake-up relay, CTP-WR )。CTP-WR路由利用期望傳輸次數(shù)(expect transmission count, ETX)構(gòu)建路由指標(biāo)，再由此路由指標(biāo)生成路由樹，如圖1(a)所示。圖中顯示了以節(jié)點(diǎn)A為根節(jié)點(diǎn)的樹，子節(jié)點(diǎn)E和F將信息傳輸至父節(jié)點(diǎn)C。節(jié)點(diǎn)C再將信息傳輸至根節(jié)點(diǎn)A。將任播技術(shù)應(yīng)用于數(shù)據(jù)收集，樹狀結(jié)構(gòu)就成為目的節(jié)點(diǎn)定向的有向非循環(huán)圖[10], 如圖1(b)所示。

圖1 數(shù)據(jù)收集拓?fù)鋱D

文獻(xiàn)[10]提出基于期望占空比喚醒指標(biāo)的機(jī)會(huì)路由(opportunistic routing based expected duty cycled wakeups, ORW)，其引用了期望占空比喚醒(expected duty cycled wakeups, EDC)變量作為任播指標(biāo)。EDC反映了將數(shù)據(jù)包傳輸至信宿所需期望的喚醒次數(shù)。但是EDC的物理意義并不明確，也沒(méi)有重點(diǎn)分析傳感節(jié)點(diǎn)的能耗問(wèn)題。

為此，面向采用低占空比策略的WSNs，提出基于鏈路質(zhì)量的能效任播路由(LQAR)。LQAR路由先利用數(shù)據(jù)包接收率和距離估計(jì)鏈路質(zhì)量，再結(jié)合能耗和鏈路質(zhì)量估算節(jié)點(diǎn)成為候選轉(zhuǎn)播節(jié)點(diǎn)的權(quán)重。仿真結(jié)果表明，提出的LQAR路由有效地緩解節(jié)點(diǎn)能耗，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率。

1 網(wǎng)絡(luò)模型

1.1 工作調(diào)度

n個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在×的方形區(qū)域內(nèi)，匯聚節(jié)點(diǎn)位于區(qū)域中心，所有節(jié)點(diǎn)都采用低占空比工作模式。每個(gè)節(jié)點(diǎn)獨(dú)立完成自己的工作調(diào)度，調(diào)度以周期方式進(jìn)行。假定節(jié)點(diǎn)的周期為L(zhǎng)個(gè)時(shí)隙(時(shí)隙是指將時(shí)間劃分更小的時(shí)間間隔[11])，如圖2所示，圖中L=4, 在每個(gè)周期內(nèi)，節(jié)點(diǎn)在第2個(gè)時(shí)隙進(jìn)行工作，其他時(shí)隙休眠。

圖2 節(jié)點(diǎn)的工作調(diào)度示例

節(jié)點(diǎn)有休眠和工作兩種狀態(tài)：當(dāng)節(jié)點(diǎn)在休眠時(shí)，它只保留1個(gè)用于喚醒自己的定時(shí)器，關(guān)閉其他所有的模塊；當(dāng)節(jié)點(diǎn)在工作狀態(tài)時(shí)，就保持工作狀態(tài)，如感知環(huán)境數(shù)據(jù)、偵聽信道等。

1.2 節(jié)點(diǎn)能耗模型

如圖3所示的能量消耗模型[12]。令Et(m,d)表示節(jié)點(diǎn)傳輸mbit數(shù)據(jù)、且傳輸距離為d(單位：m)時(shí)所消耗的能量, 下標(biāo)“t”表示傳輸；令Er(m)表示接收mbit數(shù)據(jù)所消耗的能量，下標(biāo)“r”表示接收，它們的定義分別如式(1)和式(2)所示：

Et(m,d)=mEel+mεd2

(1)

Er(m)=mEel

(2)

圖3 能量消耗模型

式中：Eel表示發(fā)送電路的能耗；ε表示功放電路的能耗參數(shù)。

2 LQAR路由

在網(wǎng)絡(luò)建立的初始階段，節(jié)點(diǎn)周期的廣播Hello包包含了節(jié)點(diǎn)的編號(hào)(ID)、位置以及剩余能量。通過(guò)Hello包的交互，節(jié)點(diǎn)獲取鄰居節(jié)點(diǎn)的位置以及剩余能量信息。

2.1 鏈路質(zhì)量估計(jì)

采用數(shù)據(jù)包接收率和距離兩項(xiàng)信息估算鏈路質(zhì)量。首先，利用式(3)計(jì)算數(shù)據(jù)包接收率：

(3)

式中：Ni表示節(jié)點(diǎn)i的一跳鄰居節(jié)點(diǎn)，下標(biāo)“i”表示節(jié)點(diǎn)i；Pi,j表示節(jié)點(diǎn)i從其鄰居節(jié)點(diǎn)j所接收數(shù)據(jù)包成功率，下標(biāo)“i,j”表示節(jié)點(diǎn)i，節(jié)點(diǎn)j；pk,j為布爾變量。若pk,j=1，則表明節(jié)點(diǎn)i第k次成功地從節(jié)點(diǎn)j接收了數(shù)據(jù)包；反之，若pk,j=0，則表明節(jié)點(diǎn)i在第k次未能成功地從節(jié)點(diǎn)j接收數(shù)據(jù)包。

再依據(jù)Pi,j取值，將鏈路質(zhì)量劃分成3個(gè)等級(jí)：1) 優(yōu)質(zhì)區(qū)：Pi,j>0.9；2) 合格區(qū)：0.1≤Pi,j≤0.9；3) 劣質(zhì)區(qū)：Pi,j<0.1。

最后，依據(jù)式(4)估計(jì)節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j間所形成的鏈路質(zhì)量Qi,j：

(4)

2.2 路由指標(biāo)

若源節(jié)點(diǎn)i需要傳輸數(shù)據(jù)，首先需構(gòu)建任播節(jié)點(diǎn)集。令Fi表示源節(jié)點(diǎn)i的任播節(jié)點(diǎn)集，其屬于一跳鄰居集的子集，即Fi?Ni。

結(jié)合能耗率和鏈路質(zhì)量，計(jì)算節(jié)點(diǎn)被選入候選任播節(jié)點(diǎn)集的權(quán)重：

(5)

式中：Wi,j表示節(jié)點(diǎn)j∈Ni的權(quán)重因子。從式(5)可知，權(quán)重因子越大，就意味著節(jié)點(diǎn)的能耗小，數(shù)據(jù)包傳遞率高。因此，擇優(yōu)選擇權(quán)重因子大的節(jié)點(diǎn)加入候選任播節(jié)點(diǎn)集。

(6)

(7)

(8)

2.3 數(shù)據(jù)傳輸

(9)

從式(9)可知，集Fi內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)越多，監(jiān)聽時(shí)間越短。原因在于：節(jié)點(diǎn)數(shù)越多，F(xiàn)i內(nèi)出現(xiàn)喚醒狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)概率越高，這就無(wú)需設(shè)置更長(zhǎng)的監(jiān)聽時(shí)間。

收到請(qǐng)求包后，節(jié)點(diǎn)回復(fù)確認(rèn)包。一旦收到確認(rèn)包，節(jié)點(diǎn)開始傳輸數(shù)據(jù)。圖4給出數(shù)據(jù)傳輸示例，其中“Q”表示請(qǐng)求包，“P”表示確認(rèn)包，“D”表示數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)i的任播節(jié)點(diǎn)集內(nèi)有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，即Fi={j1,j2}。源節(jié)點(diǎn)i先向Fi內(nèi)節(jié)點(diǎn)廣播請(qǐng)求包，然后進(jìn)入監(jiān)聽。假定節(jié)點(diǎn)j1收到請(qǐng)求包，并向節(jié)點(diǎn)i回復(fù)確認(rèn)包。最后，節(jié)點(diǎn)i向節(jié)點(diǎn)j1發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸示例

3 性能仿真

3.1 仿真環(huán)境

利用MATLAB R2014b建立仿真平臺(tái)。在100 m×100 m區(qū)域內(nèi)隨機(jī)分布400個(gè)節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)位于區(qū)域中心，且匯聚節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為(50 m,50 m)。具體的仿真參數(shù)如表1所示。每個(gè)實(shí)驗(yàn)獨(dú)立重復(fù)20次，取平均值作為最終的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 仿真參數(shù)

選擇CTP-WR和ORW路由作為參照，并對(duì)比分析它們的能耗、傳輸數(shù)據(jù)的端到端時(shí)延以及數(shù)據(jù)包傳遞率。

3.2 數(shù)據(jù)分析

3.2.1 節(jié)點(diǎn)數(shù)對(duì)性能的影響

圖5給出了平均能耗隨節(jié)點(diǎn)數(shù)的變化曲線，其中TW=2 s，節(jié)點(diǎn)數(shù)在25至400之間變化。從圖5可知，ORW中平均能耗隨節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加而上升。而LQAR路由和CTP-WR路由的平均能耗隨節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加而下降。原因在于：對(duì)于單播策略的ORW，節(jié)點(diǎn)數(shù)越多，數(shù)據(jù)包傳輸?shù)呐鲎猜试礁?。而?duì)于采用任播策略路由而言，節(jié)點(diǎn)數(shù)越多，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)數(shù)也越多，節(jié)點(diǎn)間的能耗也越平衡。相比于CTP-WR路由，LQAR路由降低了能耗。例如，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)N=400, LQAR路由的能耗比CTP-WR路由降低了25%。

圖5 平均能耗隨節(jié)點(diǎn)數(shù)變化情況

圖6描述了LQAR路由的平均端到端傳輸時(shí)延隨節(jié)點(diǎn)數(shù)的變化情況。從圖6可知，LQAR路由降低端到端傳輸時(shí)延，遠(yuǎn)低于CTP-WR和ORW路由的進(jìn)延。這歸功于：LQAR路由保持穩(wěn)定路由。它通過(guò)能耗和數(shù)據(jù)包接收率構(gòu)建轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集，降低路由斷裂的概率，提高了路由穩(wěn)定性，進(jìn)而縮短了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延。

圖6 平均端到端時(shí)延隨節(jié)點(diǎn)數(shù)變化情況

圖7描述了數(shù)據(jù)包傳遞率隨節(jié)點(diǎn)數(shù)的變化情況。從圖可知，相比于CTP-WR和ORW路由，LQAR路由具有最高數(shù)據(jù)包傳遞率。在節(jié)點(diǎn)數(shù)變化期間，它的數(shù)據(jù)包傳遞率保持近100%。而CTP-WR和ORW路由的數(shù)據(jù)包傳遞率隨節(jié)點(diǎn)數(shù)增加有下降趨勢(shì)。原因在于：LQAR路由選擇穩(wěn)定的路由傳輸數(shù)據(jù)包，提升了數(shù)據(jù)傳遞成功率。

圖7 數(shù)據(jù)包傳遞率隨節(jié)點(diǎn)數(shù)變化情況

3.2.2 喚醒間隔對(duì)路由性能的影響

本節(jié)分析喚醒間隔TW路由性能的影響。實(shí)驗(yàn)參數(shù)：節(jié)點(diǎn)數(shù)100，1/λ=30 s。TW取0.25,0.5,1.0,2.0,4.0，如圖8～圖10所示。

圖8 平均能耗隨喚醒間隔變化情況

圖9 平均端到端時(shí)延隨喚醒間隔變化情況

圖10 數(shù)據(jù)包傳遞率隨喚醒間隔變化情況

從圖8可知，協(xié)議在TW=2 s時(shí)的能耗最低。而相比于ORW路由，LQAR路由的平均能耗降低了約20%。在TW>2 s期間，LQAR路由的能耗隨喚醒間隔的增長(zhǎng)變化速度減緩。此外，回顧圖7，CTP-WR和LQAR路由的數(shù)據(jù)包傳遞率隨節(jié)點(diǎn)數(shù)的變化趨勢(shì)相近，原因在于：CTP-WR和LQAR路由的構(gòu)建機(jī)制相同，只是它們選擇的路由指標(biāo)不同。因此，它們的平均能耗隨喚醒間隔的變化曲線相近，但是LQAR路由的平均能耗仍低于CTP-WR的能耗。

圖9描述了平均端到端時(shí)延隨喚醒間隔的變化曲線。由圖可知，平均端到端時(shí)延隨喚醒間隔的增加而增加。喚醒間隔越大，節(jié)點(diǎn)等待時(shí)間越長(zhǎng)，增加了傳輸數(shù)據(jù)包的時(shí)延。相比于CTP-WR路由，LQAR路由的傳輸時(shí)延得到有效控制，原因在于：LQAR路由的數(shù)據(jù)傳輸鏈路穩(wěn)定，避免重傳數(shù)據(jù)包，縮短數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)延。

圖10描述了數(shù)據(jù)包傳遞率隨喚醒間隔的變化曲線。在喚醒間隔變化期間，3個(gè)路由(LQAR，CTP-WR和ORW)的數(shù)據(jù)包傳遞率保持穩(wěn)定。相比于CTP-WR和ORW路由，LQAR路由的數(shù)據(jù)包傳遞率略有上升。

4 總結(jié)

針對(duì)低占空比的WSNs，提出基于鏈路質(zhì)量的能效任播路由。LQAR路由采用任播路由策略，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。LQAR路由利用節(jié)點(diǎn)能耗速率和鏈路質(zhì)量構(gòu)建任播節(jié)點(diǎn)集，再?gòu)娜尾ス?jié)點(diǎn)集中選擇最優(yōu)節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)包，進(jìn)而降低節(jié)點(diǎn)能耗。仿真數(shù)據(jù)表明，提出的LQAR路由降低了能耗速率，提升了數(shù)據(jù)包傳遞率。

喚醒間隔對(duì)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延和能耗有重要影響，并且數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延和能耗隨喚醒間隔的變化走勢(shì)相反。文中采用固定的喚醒間隔，沒(méi)有動(dòng)態(tài)設(shè)置喚醒間隔，后期將研究如何依據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔ⅲ瑒?dòng)態(tài)地設(shè)置喚醒間隔，進(jìn)一步優(yōu)化LQAR路由。