無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中ＥＲＡＲＰ拓?fù)淇刂扑惴?/h1>
2008-01-01 00:00:00宋艷艷左德承劉宏偉楊孝宗崔剛
計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究 2008年3期
摘要：為了延長(zhǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期，進(jìn)行了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)能路由協(xié)議的探索性研究，提出了一種新的節(jié)能路由協(xié)議并將其具體實(shí)現(xiàn)。首先分析了傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的特點(diǎn)以及設(shè)計(jì)和應(yīng)用中的限制，綜述了現(xiàn)有傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)能路由設(shè)計(jì)的方法，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于能量的半徑自適應(yīng)路由協(xié)議ERARP；然后在OPNET仿真平臺(tái)上對(duì)該協(xié)議進(jìn)行了仿真模擬；最后與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳統(tǒng)的兩種節(jié)能路由協(xié)議基于信息協(xié)商的傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和直接擴(kuò)散協(xié)議在同等條件下針對(duì)節(jié)點(diǎn)能量使用、延遲、丟包率和吞吐量等四個(gè)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，ERARP使得節(jié)點(diǎn)能夠根據(jù)自身剩余能量的狀況對(duì)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行模式進(jìn)行控制，同時(shí)對(duì)無線模塊的收發(fā)半徑進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，達(dá)到節(jié)能目的。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)； 能量感知； 半徑自適應(yīng)
中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
文章編號(hào)：1001－3695(2008)03－0847－04
0引言
隨著無線通信技術(shù)、電子工藝技術(shù)、嵌入式處理器和無線廣播通信技術(shù)的進(jìn)步，開發(fā)低花費(fèi)、低能量、小尺寸、多功能的傳感器節(jié)點(diǎn)成為可能。這些小的感知節(jié)點(diǎn)由傳感器、數(shù)據(jù)處理單元、通信組件等組成，它們可以用來監(jiān)控多種不同的環(huán)境[1]。由這些傳感器構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)引起了人們的極大關(guān)注。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常由大量的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，這些節(jié)點(diǎn)能夠協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并對(duì)這些信息進(jìn)行處理，獲得詳盡而準(zhǔn)確的信息。在網(wǎng)絡(luò)的生命周期時(shí)間內(nèi)，傳感器節(jié)點(diǎn)能夠?qū)⑹占降男畔⒅芷诘貍魉偷绞瞻l(fā)器節(jié)點(diǎn)，這些收發(fā)器節(jié)點(diǎn)或者是基站或者是移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。例如，傳感器網(wǎng)絡(luò)可以向醫(yī)生報(bào)告所監(jiān)控病人的心率、血壓等情況，以便主治醫(yī)師進(jìn)行相應(yīng)的處理。傳感器網(wǎng)絡(luò)可以使人們?cè)谌魏螘r(shí)間、地點(diǎn)和任何環(huán)境條件下獲取大量詳實(shí)而可靠的信息。因此，這種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以被廣泛地應(yīng)用于國(guó)防軍事、國(guó)家安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通管理、醫(yī)療衛(wèi)生、制造業(yè)、反恐抗災(zāi)等領(lǐng)域[2]。
傳感器節(jié)點(diǎn)是無線的，并且它們有很高的能量限制。進(jìn)一步說就是在許多應(yīng)用中，通過替代電池來更新能量幾乎是不可能的。因此，在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，一個(gè)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是在數(shù)據(jù)的傳遞過程中盡量限制能量以便最大化傳感器節(jié)點(diǎn)開發(fā)之后的網(wǎng)絡(luò)生命周期。
根據(jù)觀察，想要擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)生命周期必須要做到兩點(diǎn)：a)傳感器節(jié)點(diǎn)本身必須盡可能是能量有效的；b)傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)任務(wù)的協(xié)調(diào)收集策略必須是能量有效的。動(dòng)態(tài)地調(diào)整電壓并且增加電源的放電能力以便延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期的方法已經(jīng)有相關(guān)研究，最近也有許多能量有效的協(xié)調(diào)策略被提出。然而，當(dāng)電源替代是不現(xiàn)實(shí)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的生命周期不能超過特定的時(shí)間，這時(shí)網(wǎng)絡(luò)的能力主要依靠節(jié)點(diǎn)的初始電源能量，所以，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，如何利用現(xiàn)有的能量資源延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期，研究出優(yōu)化的路由通信協(xié)議是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中非常關(guān)鍵的一環(huán)[3]。
本文針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能量有效使用這一特定背景，選擇了通過路由協(xié)議來達(dá)到對(duì)節(jié)點(diǎn)所攜帶的電池能量的節(jié)約使用的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)工作。
設(shè)計(jì)一個(gè)高效傳輸數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，必須考慮節(jié)點(diǎn)本身的能量因素，根據(jù)節(jié)點(diǎn)自身能量狀況通過動(dòng)態(tài)調(diào)整節(jié)點(diǎn)自身信息處理狀態(tài)的方法來盡可能地發(fā)揮無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)有限資源，特別是電池所攜帶的寶貴資源的優(yōu)化配置和使用。
本文的主要研究工作在于設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種節(jié)能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，即基于能量的半徑自適應(yīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議（energybased radius selfadaptive wireless sensor networks routing protocol，ERARP）。該協(xié)議根據(jù)節(jié)點(diǎn)自身的能量狀態(tài)來動(dòng)態(tài)地調(diào)整節(jié)點(diǎn)作為源發(fā)起節(jié)點(diǎn)、轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)、轉(zhuǎn)發(fā)但降低傳輸半徑三種運(yùn)行模式狀態(tài)之間的調(diào)整和維護(hù)，通過調(diào)節(jié)傳感器節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率來降低節(jié)點(diǎn)無線收發(fā)的半徑，最終達(dá)到節(jié)能的目標(biāo)。
通過這種方式來對(duì)協(xié)議的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)于所設(shè)計(jì)的協(xié)議最后通過OPNET進(jìn)行仿真模擬，考察該協(xié)議在能量?jī)?yōu)化使用、延遲、丟包率、吞吐量等性能進(jìn)行仿真和評(píng)價(jià)。主要是通過所設(shè)計(jì)的協(xié)議和經(jīng)典的兩種節(jié)能路由協(xié)議SPIN和DD進(jìn)行上述各性能的評(píng)比。
1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介
在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)任意散布在被檢測(cè)區(qū)域內(nèi)，具體可以通過人工埋置、飛行器散播等方式實(shí)現(xiàn)。節(jié)點(diǎn)以自組織形式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以收集數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以通過單跳方式直接送到基站，也可以通過多跳中繼方式將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)傳送到隱蔽的接收節(jié)點(diǎn)，隱蔽接收節(jié)點(diǎn)可以直接與通信衛(wèi)星或Internet相連接，然后將整個(gè)區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程中心進(jìn)行處理，以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)者與傳感器節(jié)點(diǎn)間的通信功能[4]。
典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1中給出的體系結(jié)構(gòu)主要體現(xiàn)的是平面的路由策略。從另外一個(gè)角度，也可以將傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)看成下述形式，如圖2所示。該結(jié)構(gòu)按照分層的簇集路由結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)據(jù)傳遞過程的描述。不同的節(jié)點(diǎn)集合組成相對(duì)獨(dú)立的簇，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)由所選出的簇頭節(jié)點(diǎn)管理，簇間信息的傳遞通過簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行，這個(gè)過程與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的分層式路由相似。
在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，匯聚點(diǎn)往往個(gè)數(shù)有限，而且能量能夠得到補(bǔ)充，而傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目非常龐大，通常采用不能補(bǔ)充的電池提供能量。傳感器節(jié)點(diǎn)具有終端節(jié)點(diǎn)和路由器兩個(gè)方面的功能：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和處理，執(zhí)行匯聚點(diǎn)的命令；實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的融合和路由，對(duì)本身采集的數(shù)據(jù)和收到其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合，轉(zhuǎn)發(fā)路由到匯聚點(diǎn)。因此，傳感器網(wǎng)絡(luò)主要研究的是傳感器節(jié)點(diǎn)。
對(duì)于無線自組網(wǎng)、蜂窩、藍(lán)牙等無線網(wǎng)絡(luò)，首要的設(shè)計(jì)目標(biāo)是提供良好的通信服務(wù)質(zhì)量和高效地利用無線網(wǎng)絡(luò)帶寬。由于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可以不斷地獲得電能補(bǔ)充，節(jié)點(diǎn)的能量考慮放在次要位置；而傳感器網(wǎng)絡(luò)存在著嚴(yán)重的能量約束問題，其首要設(shè)計(jì)目標(biāo)就是高效使用傳感器節(jié)點(diǎn)的能量，在完成應(yīng)用要求任務(wù)的前提下，盡量延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的生存期。
傳感器節(jié)點(diǎn)由處理模塊、通信模塊、傳感器模塊和能量供應(yīng)模塊四部分組成。其中前三個(gè)模塊消耗能量。隨著集成電路工藝的進(jìn)步，處理器和傳感器模塊的功耗均很低。無線通信模塊可以處于發(fā)送、接收、空閑或睡眠狀態(tài)。空閑狀態(tài)就是監(jiān)聽無線信道上的信息，但不發(fā)送或接收；睡眠狀態(tài)就是無線通信模塊處于不工作狀態(tài)。
圖3給出了傳感器節(jié)點(diǎn)各個(gè)模塊能量消耗情況[5]。
從圖中可以看出，在傳感器節(jié)點(diǎn)上，通信模塊消耗能量的比例是最大的，因此，通信模塊的節(jié)能是本文研究的重點(diǎn)。通信模塊節(jié)能策略的實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計(jì)密切相關(guān)。下面分別從通信模塊的節(jié)能策略和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議兩個(gè)方面來研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量有效性問題。
2ERARP原理
2．1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的能耗
假設(shè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以表示為一個(gè)帶權(quán)的圖G（V，E）。V代表網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)集，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有一個(gè)自身能量水平的屬性。E代表網(wǎng)絡(luò)中的邊集合，所謂邊指的是在信息通信范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)對(duì)。每一個(gè)邊的權(quán)代表兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間傳送單位數(shù)據(jù)時(shí)的能量消耗度量。假定在算法運(yùn)行過程中，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送的過程中的能量消耗不變，那么結(jié)果就與能量消耗無關(guān)。也就是說，在代表網(wǎng)絡(luò)的圖中，任何一條邊的權(quán)是固定的。
假定一個(gè)節(jié)點(diǎn)需要能量e來傳送數(shù)據(jù)給另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)，兩者間的距離是d，用文獻(xiàn)[6]中提出的模型來計(jì)算發(fā)送該消息的能量消耗為
e=kdc+a。
其中：k和c是常數(shù)，針對(duì)特定的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有所變化。通常，2≤c≤4。a依賴于下列因素中的能量消耗：數(shù)字編碼、模型調(diào)制、濾波等。在這里，為了簡(jiǎn)化以及使該方法能夠適應(yīng)于所有的能量消耗模型，取a=0，那么兩者之間的關(guān)系進(jìn)一步簡(jiǎn)化為e=kdc。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于發(fā)送端和接收端均貼近地面，干擾較大，障礙物較多，而且接收天線的性能不好，n接近于4，即通信能耗與距離的四次方成正比。由此看出，在單跳路由情況下，隨著通信距離的增加，能耗急劇增加，因此，應(yīng)盡量減少單跳通信距離，使用多跳短距離通信代替單跳長(zhǎng)距離通信。一般而言，傳感器節(jié)點(diǎn)的無線通信半徑在100 m以內(nèi)。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)能量是有限的，任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間僅能傳輸確定數(shù)目的消息。希望通過解決路由消息的問題來盡可能地最大化系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)的電池壽命。
2．2ERARP概述
基于能量的半徑自適應(yīng)路由協(xié)議是一種按需獲取路由進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞信息的協(xié)議。整個(gè)過程由路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)兩個(gè)過程組成。
節(jié)點(diǎn)上耗費(fèi)能量的大部分支出均是在無線通信模塊上，能量的消耗量與節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)傳輸距離的四次方成正比。所以采用單跳的方式直接從源發(fā)起節(jié)點(diǎn)到接收器節(jié)點(diǎn)建立鏈路的策略是不足以取的。因?yàn)楦毡榈那闆r是兩者距離很遠(yuǎn)，應(yīng)該采用多跳的方式進(jìn)行。同時(shí)也不能為了使能量降低就增加跳數(shù)、降低發(fā)射半徑，那樣會(huì)給整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的管理帶來額外的能量耗費(fèi)，所以在進(jìn)行協(xié)議的設(shè)計(jì)過程中對(duì)兩者作了權(quán)衡和折中。
路由發(fā)現(xiàn)的目的是選擇一條到目的節(jié)點(diǎn)平均能量消耗最少的路徑。路由維護(hù)的目的是在數(shù)據(jù)通信過程中，通過檢測(cè)自身節(jié)點(diǎn)能量的下降和鄰居節(jié)點(diǎn)能量的消耗，動(dòng)態(tài)調(diào)整（降低）節(jié)點(diǎn)射頻模塊的發(fā)送半徑，從而優(yōu)化路由。
本協(xié)議在路由發(fā)現(xiàn)過程中特別加入了對(duì)節(jié)點(diǎn)自身能量的因素，盡可能地提高單位電源能量的使用率。采用按需路由發(fā)起的路由發(fā)現(xiàn)策略，當(dāng)節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，節(jié)點(diǎn)首先發(fā)起路由請(qǐng)求包，接到該信息包的節(jié)點(diǎn)按照控制過程以泛洪的方法進(jìn)行傳播，直至接收器節(jié)點(diǎn)收到它的請(qǐng)求發(fā)送回復(fù)確認(rèn)數(shù)據(jù)包，從而建立兩者間的通信鏈路。
在泛洪廣播路由請(qǐng)求包的過程中，每個(gè)收到請(qǐng)求包的節(jié)點(diǎn)選擇一條源節(jié)點(diǎn)到自身的平均能量最小的路徑，然后再轉(zhuǎn)發(fā)這個(gè)請(qǐng)求包，直到在源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)建立一條最優(yōu)的路徑。不在活動(dòng)路徑上的節(jié)點(diǎn)既不保持任何路由信息，也無須參與任何周期性的路由表交換活動(dòng)。
節(jié)點(diǎn)的能量降到一定值時(shí)，如果該節(jié)點(diǎn)沒有被選為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，則開啟降徑調(diào)整的路由維護(hù)過程。降徑調(diào)整過程是路由維護(hù)主要的任務(wù)之一。在維護(hù)的過程中節(jié)點(diǎn)首先發(fā)送降徑通告數(shù)據(jù)包，接到該數(shù)據(jù)包的鄰居節(jié)點(diǎn)對(duì)該數(shù)據(jù)包進(jìn)行通告的回復(fù)，發(fā)送降徑通告的節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到的回復(fù)狀況做出自身節(jié)點(diǎn)后續(xù)工作過程中的新的傳感半徑。
在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)的角色可能在五種之間轉(zhuǎn)換：
a） 數(shù)據(jù)發(fā)送源節(jié)點(diǎn)（source）；
b） 數(shù)據(jù)包目的節(jié)點(diǎn)（destination）；
c） 節(jié)點(diǎn)被選為信息轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)（deliver）；
d） 可轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)但半徑降低（deliver reduce radius）；
e） 節(jié)點(diǎn)沒有被選為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)（idle）。
根據(jù)節(jié)點(diǎn)的能量狀況，節(jié)點(diǎn)的工作模式主要在下述三個(gè)狀態(tài)中，如圖4所示。
當(dāng)節(jié)點(diǎn)的能量足夠多時(shí)，如果節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，可以作為數(shù)據(jù)源進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送的請(qǐng)求，同時(shí)也可以作為中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)，在進(jìn)行數(shù)據(jù)包的發(fā)送時(shí)按照盡力服務(wù)（best effort）的方式，用射頻模塊（RF）允許的最大設(shè)計(jì)值進(jìn)行無線信號(hào)傳輸。
隨著節(jié)點(diǎn)運(yùn)行載荷不斷消耗能量，節(jié)點(diǎn)自身能量也隨之下降，當(dāng)能量下降到一定值時(shí)，進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的降低半徑維護(hù)路由的過程。經(jīng)過節(jié)點(diǎn)路由維護(hù)過程后，同樣地，在有數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送時(shí)可以作為數(shù)據(jù)源的發(fā)起者，也可以作為數(shù)據(jù)包的中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)，只不過在進(jìn)行數(shù)據(jù)包發(fā)送時(shí)，通過調(diào)節(jié)射頻模塊發(fā)射頻率的方式來降低傳感半徑。
當(dāng)節(jié)點(diǎn)的能量再度降低時(shí)，節(jié)點(diǎn)將不再作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。只有當(dāng)節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí)，才進(jìn)行路由請(qǐng)求過程。
3ERARP設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
3．1總體設(shè)計(jì)概述
基于能量的半徑自適應(yīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議（ERARP）的主要功能是為無線信道中傳送過來的數(shù)據(jù)包尋找一條去往目的節(jié)點(diǎn)的路徑，同時(shí)根據(jù)節(jié)點(diǎn)自身的能量在必要時(shí)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)傳感半徑降低功能的調(diào)整過程。
整個(gè)協(xié)議是采用平面的路由策略，由路由發(fā)現(xiàn)、路由維護(hù)兩個(gè)過程組成。而路由維護(hù)主要是在半徑的調(diào)節(jié)和路由過程中出錯(cuò)情況的處理兩部分內(nèi)容，如圖5所示。
圖5給出了協(xié)議總體上的兩大組成部分，在節(jié)點(diǎn)路由協(xié)議的控制系統(tǒng)中按照功能來分。可以劃分為五個(gè)模塊：初始化模塊、收/發(fā)模塊、核心處理模塊、狀態(tài)管理模塊、路由管理模塊（路由備選表模塊、路由表模塊），如圖6所示。
初始化部分，傳感器節(jié)點(diǎn)在開始運(yùn)行時(shí)首先進(jìn)行節(jié)點(diǎn)內(nèi)各協(xié)議運(yùn)行涉及到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和參數(shù)的初始化工作。初始化模塊主要完成對(duì)諸如路由表、路由備選表、接收隊(duì)列、發(fā)送隊(duì)列、鄰居節(jié)點(diǎn)列表等各數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和變量的初始化。
發(fā)送模塊主要完成對(duì)一個(gè)數(shù)據(jù)包的發(fā)送以及對(duì)發(fā)送隊(duì)列的管理。專門分配一個(gè)獨(dú)立的線程來對(duì)發(fā)送隊(duì)列中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。當(dāng)發(fā)送隊(duì)列不為空時(shí)，發(fā)送線程不斷地從中取出數(shù)據(jù)，按照對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)包格式發(fā)送出去。重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)發(fā)送隊(duì)列的互斥訪問。
接收模塊與發(fā)送模塊很類似，主要完成對(duì)一個(gè)數(shù)據(jù)包的接收以及對(duì)接收隊(duì)列的管理。每當(dāng)無線接收器收到數(shù)據(jù)包時(shí)，就將收到的數(shù)據(jù)包放入接收隊(duì)列中，等待核心處理模塊作進(jìn)一步處理。接收模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)無線接收器收到的數(shù)據(jù)包的控制。每當(dāng)有數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)就調(diào)用相關(guān)的回調(diào)函數(shù)，將數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)到接收隊(duì)列中。對(duì)數(shù)據(jù)接收隊(duì)列的管理主要由該模塊負(fù)責(zé)。
核心處理模塊是該協(xié)議中控制的中心，它主要對(duì)協(xié)議中所涉及到的各種運(yùn)行轉(zhuǎn)移邏輯進(jìn)行控制以及上述的各個(gè)模塊之間的協(xié)調(diào)。它從接收隊(duì)列中取出一個(gè)數(shù)據(jù)包，分析其中的類型，結(jié)合節(jié)點(diǎn)自身狀態(tài)對(duì)路由備選表以及路由表進(jìn)行動(dòng)態(tài)的操作和調(diào)整。
狀態(tài)管理模塊獲得節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)狀態(tài)并對(duì)這一狀態(tài)進(jìn)行維護(hù)。
路由備選表模塊負(fù)責(zé)對(duì)路由備選表的操作，如從中增刪表項(xiàng)、按評(píng)價(jià)函數(shù)對(duì)其中的表項(xiàng)進(jìn)行操作、提取路由信息等。
路由表管理模塊負(fù)責(zé)對(duì)路由表的插入、刪除等操作。因?yàn)槁酚杀碇械男畔碓从诼酚蓚溥x表中，所以這兩個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)操作是本模塊的管理核心。它從路由備選表中根據(jù)評(píng)價(jià)函數(shù)選出針對(duì)所有特定源發(fā)起節(jié)點(diǎn)的中轉(zhuǎn)路由（前提是當(dāng)前節(jié)點(diǎn)被選為了中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)）。
3．2ERARP的實(shí)現(xiàn)方法
本文對(duì)所設(shè)計(jì)的協(xié)議的實(shí)現(xiàn)采用了C++語言，在Visual C++6.0的IDE環(huán)境下編譯執(zhí)行，為了增加可移植性和減少代碼量、增加運(yùn)行的效率，盡量少地采用和繼承MFC（Microsoft foundation class）中的類。
選擇VisualC++6.0的IDE編譯環(huán)境對(duì)于開發(fā)過程中的調(diào)試問題可以很方便地進(jìn)行。同時(shí)在開發(fā)過程中沒有涉及到MFC類似的與平臺(tái)相關(guān)的特性，使得代碼可以很方便地移植到Linux等帶有C++的編譯系統(tǒng)中。
3．3ERARP在系統(tǒng)中的位置
在實(shí)際應(yīng)用于課題的具體環(huán)境時(shí)，ERARP處在網(wǎng)絡(luò)層的位置，協(xié)議設(shè)計(jì)過程中采用了分層的策略，網(wǎng)絡(luò)層需要底層協(xié)議提供的支持，同時(shí)為上層協(xié)議提供服務(wù)和支持。ERARP路由協(xié)議處于MAC層和上層應(yīng)用之間，如圖7所示。
在進(jìn)行該協(xié)議的實(shí)現(xiàn)過程中，上層的應(yīng)用針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的目標(biāo)主要是用來發(fā)送或傳遞目標(biāo)區(qū)域中收集到的信息。至于信息什么時(shí)候需要發(fā)送，以及所需要發(fā)送的信息的類型和大小等都要根據(jù)真實(shí)的物理情況來決定。所以在設(shè)計(jì)時(shí)需要采用基于事件的方式。每當(dāng)傳感器采集到數(shù)據(jù)并且需要向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)傳送時(shí)，就調(diào)用對(duì)應(yīng)的回調(diào)函數(shù)。因?yàn)镋RARP是網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議，它需要與射頻模塊進(jìn)行交互以對(duì)傳感半徑進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到能量的自適應(yīng)，從而達(dá)到有效使用寶貴能源的目的，需要留出一個(gè)接口來處理這部分工作；同時(shí)還需要媒體訪問控制層（media access control，MAC）的支持。本文選取的是CC1000的底層支持。
4ERARP的仿真與評(píng)測(cè)
4．1網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)價(jià)
在100 m×100 m的空間中隨機(jī)布設(shè)了無線傳感器節(jié)點(diǎn)。為了便于對(duì)所關(guān)心的網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行測(cè)試和仿真，沒有對(duì)更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行配置。
為了對(duì)所設(shè)計(jì)的協(xié)議進(jìn)行性能方面的評(píng)價(jià)，特別是在節(jié)能方面的優(yōu)勢(shì)，找出這些關(guān)鍵瓶頸，進(jìn)而為下一步協(xié)議的優(yōu)化等工作找到切入點(diǎn)。這樣的工作也是OPNET仿真的主要使用場(chǎng)合之一。
本文設(shè)計(jì)的協(xié)議是基于能量的半徑自適應(yīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是時(shí)下網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議未對(duì)節(jié)點(diǎn)自身能量在進(jìn)行無線發(fā)射過程中進(jìn)行考慮；設(shè)計(jì)的目的是通過加入半徑調(diào)節(jié)機(jī)制達(dá)到節(jié)能目的。
針對(duì)特定的網(wǎng)絡(luò)和特定的應(yīng)用背景，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)注點(diǎn)不同于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)。本文所要考察的一個(gè)重要性能就在于能量方面性能。針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)量相對(duì)減小，這種網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用更多的是在信息的及時(shí)傳送和有效傳送。
本文考察的重點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在能量有效使用上，通過這方面進(jìn)行仿真和測(cè)量，來對(duì)該協(xié)議的性能給出評(píng)價(jià)。
綜上所述，本文主要考察無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的四個(gè)方面的性能：
a）節(jié)點(diǎn)壽命。該指標(biāo)主要用來對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)經(jīng)過采用ERARP后的壽命進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。由于現(xiàn)有的材料中對(duì)無線自組網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)或者網(wǎng)絡(luò)的工作壽命問題沒有給出統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)模型，只有通過間接的方式采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來對(duì)協(xié)議間節(jié)點(diǎn)壽命進(jìn)行比較和仿真。
b）數(shù)據(jù)丟包率（data dropped）。考察節(jié)點(diǎn)在對(duì)數(shù)據(jù)包響應(yīng)時(shí)的性能。
c）吞吐量（throughput）。
d）端到端延遲(delay)。
4．2仿真結(jié)果
通過賦予某實(shí)型變量用400表示能量的原始值，每發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，分節(jié)點(diǎn)是否為盡力服務(wù)和降低半徑以后兩個(gè)狀態(tài)分別對(duì)從表征能量的整數(shù)中減去一個(gè)值（本文中設(shè)定盡力發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包減小0.000 1，降低半徑后每發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包減小0.000 1），仿真10 min統(tǒng)計(jì)所得的數(shù)據(jù)如圖8所示。
圖8ERARP、SPIN和DD協(xié)議能量性能比較
通過圖8顯示的結(jié)果可以看出ERARP要比SPIN和DD協(xié)議有著更多的優(yōu)勢(shì)。它的能量消耗更加平穩(wěn)、更加緩慢地進(jìn)行消耗，可以有根據(jù)地推測(cè)出，運(yùn)行ERARP的節(jié)點(diǎn)能夠運(yùn)行更長(zhǎng)的時(shí)間。由此可以看出，本文所設(shè)計(jì)的通過調(diào)節(jié)半徑來達(dá)到節(jié)能的目的，這種做法是可取并且富有成效的。
能量的評(píng)測(cè)之所以會(huì)出現(xiàn)上面的結(jié)果，其主要原因來自于三者之間的協(xié)議節(jié)能的原理以及不同原理所涉及到的節(jié)能策略的針對(duì)點(diǎn)的不同。DD通過引入的嗜好來建立某節(jié)點(diǎn)的梯度場(chǎng)，進(jìn)而來引導(dǎo)數(shù)據(jù)包的傳播路徑。這種方式雖然減少了泛洪等過度的能量消耗，但梯度建立過程中，廣播的過程消耗了相對(duì)較多的能量。SPIN協(xié)議所建立的協(xié)商機(jī)制，通過廣播采集數(shù)據(jù)的描述信息的方式來進(jìn)行路由的建立，通過減少數(shù)據(jù)包大小的方式來節(jié)省能量，從某種程度上來看，效果相對(duì)較差。而ERARP在路由建立過程中借鑒了SPIN協(xié)議的協(xié)商握手機(jī)制以及DD協(xié)議的引導(dǎo)數(shù)據(jù)包傳播的思想，同時(shí)通過對(duì)節(jié)點(diǎn)自身能量的運(yùn)行動(dòng)態(tài)狀況對(duì)節(jié)點(diǎn)的角色進(jìn)行調(diào)整，節(jié)省了能耗；同時(shí)通過調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)自身的發(fā)射半徑從更大程度上提高了能量的優(yōu)化配置和使用。這再次驗(yàn)證了節(jié)點(diǎn)能耗中無限射頻模塊占據(jù)了節(jié)點(diǎn)所消耗能量的大部分，同時(shí)通過降低節(jié)點(diǎn)的發(fā)射半徑可以較大程度地對(duì)節(jié)點(diǎn)能量進(jìn)行有效使用。
總的來說，綜合評(píng)定網(wǎng)絡(luò)節(jié)能性能、吞吐量、延遲、丟包率等評(píng)價(jià)指標(biāo)，可以看出，本文所設(shè)計(jì)的ERARP在吞吐量不降低、丟包率合理、延遲性能較優(yōu)的前提下，能量的使用更加合理，同樣的節(jié)點(diǎn)能量供給能夠讓節(jié)點(diǎn)運(yùn)行更長(zhǎng)的時(shí)間。
5結(jié)束語
本文分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的能量消耗情況以及能耗模型，發(fā)現(xiàn)無線收發(fā)模塊中的能量消耗占了整個(gè)節(jié)點(diǎn)所有耗能部件的大部分能量，而無線收發(fā)模塊所消耗的能量與射頻模塊在進(jìn)行無線收發(fā)時(shí)的傳感半徑有著緊密的關(guān)系。傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能路由協(xié)議的設(shè)計(jì)是基于無線射頻模塊在無線收發(fā)時(shí)均采用盡力服務(wù)的模式來展開討論，而這與真實(shí)的物理層情況不符。從而找出了優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能量的路由協(xié)議新的入口點(diǎn)。
本文設(shè)計(jì)了ERARP路由協(xié)議，該協(xié)議由路由發(fā)起和路由維護(hù)兩個(gè)階段組成。隨著節(jié)點(diǎn)能量的不斷消耗，通過動(dòng)態(tài)調(diào)整節(jié)點(diǎn)射頻模塊傳感半徑達(dá)到節(jié)能目的。在實(shí)現(xiàn)
過程中對(duì)各個(gè)功能模塊進(jìn)行了功能上的明細(xì)劃分，通過多線程的方式實(shí)現(xiàn)了該協(xié)議。最后通過OPNET Modeler仿真平臺(tái)對(duì)本文所設(shè)計(jì)的ERARP協(xié)議以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳統(tǒng)的兩種節(jié)能路由協(xié)議SPIN和DD在延遲率、吞吐量、丟包率三個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行了仿真和這三種統(tǒng)計(jì)量的收集。特別地，專門對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中能量節(jié)省情況進(jìn)行了數(shù)據(jù)收集和仿真。通過仿真所得數(shù)據(jù)，得出了ERARP在節(jié)點(diǎn)的能量使用方面的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)該協(xié)議在延遲、丟包率以及吞吐量三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)也顯示了很好的性能。
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“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文”
摘要：為了延長(zhǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期，進(jìn)行了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)能路由協(xié)議的探索性研究，提出了一種新的節(jié)能路由協(xié)議并將其具體實(shí)現(xiàn)。首先分析了傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的特點(diǎn)以及設(shè)計(jì)和應(yīng)用中的限制，綜述了現(xiàn)有傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)能路由設(shè)計(jì)的方法，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于能量的半徑自適應(yīng)路由協(xié)議ERARP；然后在OPNET仿真平臺(tái)上對(duì)該協(xié)議進(jìn)行了仿真模擬；最后與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳統(tǒng)的兩種節(jié)能路由協(xié)議基于信息協(xié)商的傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和直接擴(kuò)散協(xié)議在同等條件下針對(duì)節(jié)點(diǎn)能量使用、延遲、丟包率和吞吐量等四個(gè)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，ERARP使得節(jié)點(diǎn)能夠根據(jù)自身剩余能量的狀況對(duì)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行模式進(jìn)行控制，同時(shí)對(duì)無線模塊的收發(fā)半徑進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，達(dá)到節(jié)能目的。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)； 能量感知； 半徑自適應(yīng)
中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
文章編號(hào)：1001－3695(2008)03－0847－04
0引言
隨著無線通信技術(shù)、電子工藝技術(shù)、嵌入式處理器和無線廣播通信技術(shù)的進(jìn)步，開發(fā)低花費(fèi)、低能量、小尺寸、多功能的傳感器節(jié)點(diǎn)成為可能。這些小的感知節(jié)點(diǎn)由傳感器、數(shù)據(jù)處理單元、通信組件等組成，它們可以用來監(jiān)控多種不同的環(huán)境[1]。由這些傳感器構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)引起了人們的極大關(guān)注。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常由大量的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，這些節(jié)點(diǎn)能夠協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并對(duì)這些信息進(jìn)行處理，獲得詳盡而準(zhǔn)確的信息。在網(wǎng)絡(luò)的生命周期時(shí)間內(nèi)，傳感器節(jié)點(diǎn)能夠?qū)⑹占降男畔⒅芷诘貍魉偷绞瞻l(fā)器節(jié)點(diǎn)，這些收發(fā)器節(jié)點(diǎn)或者是基站或者是移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。例如，傳感器網(wǎng)絡(luò)可以向醫(yī)生報(bào)告所監(jiān)控病人的心率、血壓等情況，以便主治醫(yī)師進(jìn)行相應(yīng)的處理。傳感器網(wǎng)絡(luò)可以使人們?cè)谌魏螘r(shí)間、地點(diǎn)和任何環(huán)境條件下獲取大量詳實(shí)而可靠的信息。因此，這種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以被廣泛地應(yīng)用于國(guó)防軍事、國(guó)家安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通管理、醫(yī)療衛(wèi)生、制造業(yè)、反恐抗災(zāi)等領(lǐng)域[2]。
傳感器節(jié)點(diǎn)是無線的，并且它們有很高的能量限制。進(jìn)一步說就是在許多應(yīng)用中，通過替代電池來更新能量幾乎是不可能的。因此，在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，一個(gè)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是在數(shù)據(jù)的傳遞過程中盡量限制能量以便最大化傳感器節(jié)點(diǎn)開發(fā)之后的網(wǎng)絡(luò)生命周期。
根據(jù)觀察，想要擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)生命周期必須要做到兩點(diǎn)：a)傳感器節(jié)點(diǎn)本身必須盡可能是能量有效的；b)傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)任務(wù)的協(xié)調(diào)收集策略必須是能量有效的。動(dòng)態(tài)地調(diào)整電壓并且增加電源的放電能力以便延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期的方法已經(jīng)有相關(guān)研究，最近也有許多能量有效的協(xié)調(diào)策略被提出。然而，當(dāng)電源替代是不現(xiàn)實(shí)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的生命周期不能超過特定的時(shí)間，這時(shí)網(wǎng)絡(luò)的能力主要依靠節(jié)點(diǎn)的初始電源能量，所以，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，如何利用現(xiàn)有的能量資源延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期，研究出優(yōu)化的路由通信協(xié)議是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中非常關(guān)鍵的一環(huán)[3]。
本文針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能量有效使用這一特定背景，選擇了通過路由協(xié)議來達(dá)到對(duì)節(jié)點(diǎn)所攜帶的電池能量的節(jié)約使用的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)工作。
設(shè)計(jì)一個(gè)高效傳輸數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，必須考慮節(jié)點(diǎn)本身的能量因素，根據(jù)節(jié)點(diǎn)自身能量狀況通過動(dòng)態(tài)調(diào)整節(jié)點(diǎn)自身信息處理狀態(tài)的方法來盡可能地發(fā)揮無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)有限資源，特別是電池所攜帶的寶貴資源的優(yōu)化配置和使用。
本文的主要研究工作在于設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種節(jié)能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，即基于能量的半徑自適應(yīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議（energybased radius selfadaptive wireless sensor networks routing protocol，ERARP）。該協(xié)議根據(jù)節(jié)點(diǎn)自身的能量狀態(tài)來動(dòng)態(tài)地調(diào)整節(jié)點(diǎn)作為源發(fā)起節(jié)點(diǎn)、轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)、轉(zhuǎn)發(fā)但降低傳輸半徑三種運(yùn)行模式狀態(tài)之間的調(diào)整和維護(hù)，通過調(diào)節(jié)傳感器節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率來降低節(jié)點(diǎn)無線收發(fā)的半徑，最終達(dá)到節(jié)能的目標(biāo)。
通過這種方式來對(duì)協(xié)議的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)于所設(shè)計(jì)的協(xié)議最后通過OPNET進(jìn)行仿真模擬，考察該協(xié)議在能量?jī)?yōu)化使用、延遲、丟包率、吞吐量等性能進(jìn)行仿真和評(píng)價(jià)。主要是通過所設(shè)計(jì)的協(xié)議和經(jīng)典的兩種節(jié)能路由協(xié)議SPIN和DD進(jìn)行上述各性能的評(píng)比。
1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介
在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)任意散布在被檢測(cè)區(qū)域內(nèi)，具體可以通過人工埋置、飛行器散播等方式實(shí)現(xiàn)。節(jié)點(diǎn)以自組織形式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以收集數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以通過單跳方式直接送到基站，也可以通過多跳中繼方式將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)傳送到隱蔽的接收節(jié)點(diǎn)，隱蔽接收節(jié)點(diǎn)可以直接與通信衛(wèi)星或Internet相連接，然后將整個(gè)區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程中心進(jìn)行處理，以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)者與傳感器節(jié)點(diǎn)間的通信功能[4]。
典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1中給出的體系結(jié)構(gòu)主要體現(xiàn)的是平面的路由策略。從另外一個(gè)角度，也可以將傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)看成下述形式，如圖2所示。該結(jié)構(gòu)按照分層的簇集路由結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)據(jù)傳遞過程的描述。不同的節(jié)點(diǎn)集合組成相對(duì)獨(dú)立的簇，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)由所選出的簇頭節(jié)點(diǎn)管理，簇間信息的傳遞通過簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行，這個(gè)過程與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的分層式路由相似。
在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，匯聚點(diǎn)往往個(gè)數(shù)有限，而且能量能夠得到補(bǔ)充，而傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目非常龐大，通常采用不能補(bǔ)充的電池提供能量。傳感器節(jié)點(diǎn)具有終端節(jié)點(diǎn)和路由器兩個(gè)方面的功能：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和處理，執(zhí)行匯聚點(diǎn)的命令；實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的融合和路由，對(duì)本身采集的數(shù)據(jù)和收到其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合，轉(zhuǎn)發(fā)路由到匯聚點(diǎn)。因此，傳感器網(wǎng)絡(luò)主要研究的是傳感器節(jié)點(diǎn)。
對(duì)于無線自組網(wǎng)、蜂窩、藍(lán)牙等無線網(wǎng)絡(luò)，首要的設(shè)計(jì)目標(biāo)是提供良好的通信服務(wù)質(zhì)量和高效地利用無線網(wǎng)絡(luò)帶寬。由于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可以不斷地獲得電能補(bǔ)充，節(jié)點(diǎn)的能量考慮放在次要位置；而傳感器網(wǎng)絡(luò)存在著嚴(yán)重的能量約束問題，其首要設(shè)計(jì)目標(biāo)就是高效使用傳感器節(jié)點(diǎn)的能量，在完成應(yīng)用要求任務(wù)的前提下，盡量延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的生存期。
傳感器節(jié)點(diǎn)由處理模塊、通信模塊、傳感器模塊和能量供應(yīng)模塊四部分組成。其中前三個(gè)模塊消耗能量。隨著集成電路工藝的進(jìn)步，處理器和傳感器模塊的功耗均很低。無線通信模塊可以處于發(fā)送、接收、空閑或睡眠狀態(tài)。空閑狀態(tài)就是監(jiān)聽無線信道上的信息，但不發(fā)送或接收；睡眠狀態(tài)就是無線通信模塊處于不工作狀態(tài)。
圖3給出了傳感器節(jié)點(diǎn)各個(gè)模塊能量消耗情況[5]。
從圖中可以看出，在傳感器節(jié)點(diǎn)上，通信模塊消耗能量的比例是最大的，因此，通信模塊的節(jié)能是本文研究的重點(diǎn)。通信模塊節(jié)能策略的實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計(jì)密切相關(guān)。下面分別從通信模塊的節(jié)能策略和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議兩個(gè)方面來研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量有效性問題。
2ERARP原理
2．1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的能耗
假設(shè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以表示為一個(gè)帶權(quán)的圖G（V，E）。V代表網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)集，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有一個(gè)自身能量水平的屬性。E代表網(wǎng)絡(luò)中的邊集合，所謂邊指的是在信息通信范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)對(duì)。每一個(gè)邊的權(quán)代表兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間傳送單位數(shù)據(jù)時(shí)的能量消耗度量。假定在算法運(yùn)行過程中，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送的過程中的能量消耗不變，那么結(jié)果就與能量消耗無關(guān)。也就是說，在代表網(wǎng)絡(luò)的圖中，任何一條邊的權(quán)是固定的。
假定一個(gè)節(jié)點(diǎn)需要能量e來傳送數(shù)據(jù)給另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)，兩者間的距離是d，用文獻(xiàn)[6]中提出的模型來計(jì)算發(fā)送該消息的能量消耗為
e=kdc+a。
其中：k和c是常數(shù)，針對(duì)特定的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有所變化。通常，2≤c≤4。a依賴于下列因素中的能量消耗：數(shù)字編碼、模型調(diào)制、濾波等。在這里，為了簡(jiǎn)化以及使該方法能夠適應(yīng)于所有的能量消耗模型，取a=0，那么兩者之間的關(guān)系進(jìn)一步簡(jiǎn)化為e=kdc。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于發(fā)送端和接收端均貼近地面，干擾較大，障礙物較多，而且接收天線的性能不好，n接近于4，即通信能耗與距離的四次方成正比。由此看出，在單跳路由情況下，隨著通信距離的增加，能耗急劇增加，因此，應(yīng)盡量減少單跳通信距離，使用多跳短距離通信代替單跳長(zhǎng)距離通信。一般而言，傳感器節(jié)點(diǎn)的無線通信半徑在100 m以內(nèi)。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)能量是有限的，任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間僅能傳輸確定數(shù)目的消息。希望通過解決路由消息的問題來盡可能地最大化系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)的電池壽命。
2．2ERARP概述
基于能量的半徑自適應(yīng)路由協(xié)議是一種按需獲取路由進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞信息的協(xié)議。整個(gè)過程由路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)兩個(gè)過程組成。
節(jié)點(diǎn)上耗費(fèi)能量的大部分支出均是在無線通信模塊上，能量的消耗量與節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)傳輸距離的四次方成正比。所以采用單跳的方式直接從源發(fā)起節(jié)點(diǎn)到接收器節(jié)點(diǎn)建立鏈路的策略是不足以取的。因?yàn)楦毡榈那闆r是兩者距離很遠(yuǎn)，應(yīng)該采用多跳的方式進(jìn)行。同時(shí)也不能為了使能量降低就增加跳數(shù)、降低發(fā)射半徑，那樣會(huì)給整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的管理帶來額外的能量耗費(fèi)，所以在進(jìn)行協(xié)議的設(shè)計(jì)過程中對(duì)兩者作了權(quán)衡和折中。
路由發(fā)現(xiàn)的目的是選擇一條到目的節(jié)點(diǎn)平均能量消耗最少的路徑。路由維護(hù)的目的是在數(shù)據(jù)通信過程中，通過檢測(cè)自身節(jié)點(diǎn)能量的下降和鄰居節(jié)點(diǎn)能量的消耗，動(dòng)態(tài)調(diào)整（降低）節(jié)點(diǎn)射頻模塊的發(fā)送半徑，從而優(yōu)化路由。
本協(xié)議在路由發(fā)現(xiàn)過程中特別加入了對(duì)節(jié)點(diǎn)自身能量的因素，盡可能地提高單位電源能量的使用率。采用按需路由發(fā)起的路由發(fā)現(xiàn)策略，當(dāng)節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，節(jié)點(diǎn)首先發(fā)起路由請(qǐng)求包，接到該信息包的節(jié)點(diǎn)按照控制過程以泛洪的方法進(jìn)行傳播，直至接收器節(jié)點(diǎn)收到它的請(qǐng)求發(fā)送回復(fù)確認(rèn)數(shù)據(jù)包，從而建立兩者間的通信鏈路。
在泛洪廣播路由請(qǐng)求包的過程中，每個(gè)收到請(qǐng)求包的節(jié)點(diǎn)選擇一條源節(jié)點(diǎn)到自身的平均能量最小的路徑，然后再轉(zhuǎn)發(fā)這個(gè)請(qǐng)求包，直到在源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)建立一條最優(yōu)的路徑。不在活動(dòng)路徑上的節(jié)點(diǎn)既不保持任何路由信息，也無須參與任何周期性的路由表交換活動(dòng)。
節(jié)點(diǎn)的能量降到一定值時(shí)，如果該節(jié)點(diǎn)沒有被選為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，則開啟降徑調(diào)整的路由維護(hù)過程。降徑調(diào)整過程是路由維護(hù)主要的任務(wù)之一。在維護(hù)的過程中節(jié)點(diǎn)首先發(fā)送降徑通告數(shù)據(jù)包，接到該數(shù)據(jù)包的鄰居節(jié)點(diǎn)對(duì)該數(shù)據(jù)包進(jìn)行通告的回復(fù)，發(fā)送降徑通告的節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到的回復(fù)狀況做出自身節(jié)點(diǎn)后續(xù)工作過程中的新的傳感半徑。
在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)的角色可能在五種之間轉(zhuǎn)換：
a） 數(shù)據(jù)發(fā)送源節(jié)點(diǎn)（source）；
b） 數(shù)據(jù)包目的節(jié)點(diǎn)（destination）；
c） 節(jié)點(diǎn)被選為信息轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)（deliver）；
d） 可轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)但半徑降低（deliver reduce radius）；
e） 節(jié)點(diǎn)沒有被選為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)（idle）。
根據(jù)節(jié)點(diǎn)的能量狀況，節(jié)點(diǎn)的工作模式主要在下述三個(gè)狀態(tài)中，如圖4所示。
當(dāng)節(jié)點(diǎn)的能量足夠多時(shí)，如果節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，可以作為數(shù)據(jù)源進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送的請(qǐng)求，同時(shí)也可以作為中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)，在進(jìn)行數(shù)據(jù)包的發(fā)送時(shí)按照盡力服務(wù)（best effort）的方式，用射頻模塊（RF）允許的最大設(shè)計(jì)值進(jìn)行無線信號(hào)傳輸。
隨著節(jié)點(diǎn)運(yùn)行載荷不斷消耗能量，節(jié)點(diǎn)自身能量也隨之下降，當(dāng)能量下降到一定值時(shí)，進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的降低半徑維護(hù)路由的過程。經(jīng)過節(jié)點(diǎn)路由維護(hù)過程后，同樣地，在有數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送時(shí)可以作為數(shù)據(jù)源的發(fā)起者，也可以作為數(shù)據(jù)包的中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)，只不過在進(jìn)行數(shù)據(jù)包發(fā)送時(shí)，通過調(diào)節(jié)射頻模塊發(fā)射頻率的方式來降低傳感半徑。
當(dāng)節(jié)點(diǎn)的能量再度降低時(shí)，節(jié)點(diǎn)將不再作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。只有當(dāng)節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí)，才進(jìn)行路由請(qǐng)求過程。
3ERARP設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
3．1總體設(shè)計(jì)概述
基于能量的半徑自適應(yīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議（ERARP）的主要功能是為無線信道中傳送過來的數(shù)據(jù)包尋找一條去往目的節(jié)點(diǎn)的路徑，同時(shí)根據(jù)節(jié)點(diǎn)自身的能量在必要時(shí)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)傳感半徑降低功能的調(diào)整過程。
整個(gè)協(xié)議是采用平面的路由策略，由路由發(fā)現(xiàn)、路由維護(hù)兩個(gè)過程組成。而路由維護(hù)主要是在半徑的調(diào)節(jié)和路由過程中出錯(cuò)情況的處理兩部分內(nèi)容，如圖5所示。
圖5給出了協(xié)議總體上的兩大組成部分，在節(jié)點(diǎn)路由協(xié)議的控制系統(tǒng)中按照功能來分。可以劃分為五個(gè)模塊：初始化模塊、收/發(fā)模塊、核心處理模塊、狀態(tài)管理模塊、路由管理模塊（路由備選表模塊、路由表模塊），如圖6所示。
初始化部分，傳感器節(jié)點(diǎn)在開始運(yùn)行時(shí)首先進(jìn)行節(jié)點(diǎn)內(nèi)各協(xié)議運(yùn)行涉及到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和參數(shù)的初始化工作。初始化模塊主要完成對(duì)諸如路由表、路由備選表、接收隊(duì)列、發(fā)送隊(duì)列、鄰居節(jié)點(diǎn)列表等各數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和變量的初始化。
發(fā)送模塊主要完成對(duì)一個(gè)數(shù)據(jù)包的發(fā)送以及對(duì)發(fā)送隊(duì)列的管理。專門分配一個(gè)獨(dú)立的線程來對(duì)發(fā)送隊(duì)列中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。當(dāng)發(fā)送隊(duì)列不為空時(shí)，發(fā)送線程不斷地從中取出數(shù)據(jù)，按照對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)包格式發(fā)送出去。重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)發(fā)送隊(duì)列的互斥訪問。
接收模塊與發(fā)送模塊很類似，主要完成對(duì)一個(gè)數(shù)據(jù)包的接收以及對(duì)接收隊(duì)列的管理。每當(dāng)無線接收器收到數(shù)據(jù)包時(shí)，就將收到的數(shù)據(jù)包放入接收隊(duì)列中，等待核心處理模塊作進(jìn)一步處理。接收模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)無線接收器收到的數(shù)據(jù)包的控制。每當(dāng)有數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)就調(diào)用相關(guān)的回調(diào)函數(shù)，將數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)到接收隊(duì)列中。對(duì)數(shù)據(jù)接收隊(duì)列的管理主要由該模塊負(fù)責(zé)。
核心處理模塊是該協(xié)議中控制的中心，它主要對(duì)協(xié)議中所涉及到的各種運(yùn)行轉(zhuǎn)移邏輯進(jìn)行控制以及上述的各個(gè)模塊之間的協(xié)調(diào)。它從接收隊(duì)列中取出一個(gè)數(shù)據(jù)包，分析其中的類型，結(jié)合節(jié)點(diǎn)自身狀態(tài)對(duì)路由備選表以及路由表進(jìn)行動(dòng)態(tài)的操作和調(diào)整。
狀態(tài)管理模塊獲得節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)狀態(tài)并對(duì)這一狀態(tài)進(jìn)行維護(hù)。
路由備選表模塊負(fù)責(zé)對(duì)路由備選表的操作，如從中增刪表項(xiàng)、按評(píng)價(jià)函數(shù)對(duì)其中的表項(xiàng)進(jìn)行操作、提取路由信息等。
路由表管理模塊負(fù)責(zé)對(duì)路由表的插入、刪除等操作。因?yàn)槁酚杀碇械男畔碓从诼酚蓚溥x表中，所以這兩個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)操作是本模塊的管理核心。它從路由備選表中根據(jù)評(píng)價(jià)函數(shù)選出針對(duì)所有特定源發(fā)起節(jié)點(diǎn)的中轉(zhuǎn)路由（前提是當(dāng)前節(jié)點(diǎn)被選為了中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)）。
3．2ERARP的實(shí)現(xiàn)方法
本文對(duì)所設(shè)計(jì)的協(xié)議的實(shí)現(xiàn)采用了C++語言，在Visual C++6.0的IDE環(huán)境下編譯執(zhí)行，為了增加可移植性和減少代碼量、增加運(yùn)行的效率，盡量少地采用和繼承MFC（Microsoft foundation class）中的類。
選擇VisualC++6.0的IDE編譯環(huán)境對(duì)于開發(fā)過程中的調(diào)試問題可以很方便地進(jìn)行。同時(shí)在開發(fā)過程中沒有涉及到MFC類似的與平臺(tái)相關(guān)的特性，使得代碼可以很方便地移植到Linux等帶有C++的編譯系統(tǒng)中。
3．3ERARP在系統(tǒng)中的位置
在實(shí)際應(yīng)用于課題的具體環(huán)境時(shí)，ERARP處在網(wǎng)絡(luò)層的位置，協(xié)議設(shè)計(jì)過程中采用了分層的策略，網(wǎng)絡(luò)層需要底層協(xié)議提供的支持，同時(shí)為上層協(xié)議提供服務(wù)和支持。ERARP路由協(xié)議處于MAC層和上層應(yīng)用之間，如圖7所示。
在進(jìn)行該協(xié)議的實(shí)現(xiàn)過程中，上層的應(yīng)用針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的目標(biāo)主要是用來發(fā)送或傳遞目標(biāo)區(qū)域中收集到的信息。至于信息什么時(shí)候需要發(fā)送，以及所需要發(fā)送的信息的類型和大小等都要根據(jù)真實(shí)的物理情況來決定。所以在設(shè)計(jì)時(shí)需要采用基于事件的方式。每當(dāng)傳感器采集到數(shù)據(jù)并且需要向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)傳送時(shí)，就調(diào)用對(duì)應(yīng)的回調(diào)函數(shù)。因?yàn)镋RARP是網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議，它需要與射頻模塊進(jìn)行交互以對(duì)傳感半徑進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到能量的自適應(yīng)，從而達(dá)到有效使用寶貴能源的目的，需要留出一個(gè)接口來處理這部分工作；同時(shí)還需要媒體訪問控制層（media access control，MAC）的支持。本文選取的是CC1000的底層支持。
4ERARP的仿真與評(píng)測(cè)
4．1網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)價(jià)
在100 m×100 m的空間中隨機(jī)布設(shè)了無線傳感器節(jié)點(diǎn)。為了便于對(duì)所關(guān)心的網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行測(cè)試和仿真，沒有對(duì)更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行配置。
為了對(duì)所設(shè)計(jì)的協(xié)議進(jìn)行性能方面的評(píng)價(jià)，特別是在節(jié)能方面的優(yōu)勢(shì)，找出這些關(guān)鍵瓶頸，進(jìn)而為下一步協(xié)議的優(yōu)化等工作找到切入點(diǎn)。這樣的工作也是OPNET仿真的主要使用場(chǎng)合之一。
本文設(shè)計(jì)的協(xié)議是基于能量的半徑自適應(yīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是時(shí)下網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議未對(duì)節(jié)點(diǎn)自身能量在進(jìn)行無線發(fā)射過程中進(jìn)行考慮；設(shè)計(jì)的目的是通過加入半徑調(diào)節(jié)機(jī)制達(dá)到節(jié)能目的。
針對(duì)特定的網(wǎng)絡(luò)和特定的應(yīng)用背景，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)注點(diǎn)不同于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)。本文所要考察的一個(gè)重要性能就在于能量方面性能。針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)量相對(duì)減小，這種網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用更多的是在信息的及時(shí)傳送和有效傳送。
本文考察的重點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在能量有效使用上，通過這方面進(jìn)行仿真和測(cè)量，來對(duì)該協(xié)議的性能給出評(píng)價(jià)。
綜上所述，本文主要考察無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的四個(gè)方面的性能：
a）節(jié)點(diǎn)壽命。該指標(biāo)主要用來對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)經(jīng)過采用ERARP后的壽命進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。由于現(xiàn)有的材料中對(duì)無線自組網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)或者網(wǎng)絡(luò)的工作壽命問題沒有給出統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)模型，只有通過間接的方式采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來對(duì)協(xié)議間節(jié)點(diǎn)壽命進(jìn)行比較和仿真。
b）數(shù)據(jù)丟包率（data dropped）。考察節(jié)點(diǎn)在對(duì)數(shù)據(jù)包響應(yīng)時(shí)的性能。
c）吞吐量（throughput）。
d）端到端延遲(delay)。
4．2仿真結(jié)果
通過賦予某實(shí)型變量用400表示能量的原始值，每發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，分節(jié)點(diǎn)是否為盡力服務(wù)和降低半徑以后兩個(gè)狀態(tài)分別對(duì)從表征能量的整數(shù)中減去一個(gè)值（本文中設(shè)定盡力發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包減小0.000 1，降低半徑后每發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包減小0.000 1），仿真10 min統(tǒng)計(jì)所得的數(shù)據(jù)如圖8所示。
圖8ERARP、SPIN和DD協(xié)議能量性能比較
通過圖8顯示的結(jié)果可以看出ERARP要比SPIN和DD協(xié)議有著更多的優(yōu)勢(shì)。它的能量消耗更加平穩(wěn)、更加緩慢地進(jìn)行消耗，可以有根據(jù)地推測(cè)出，運(yùn)行ERARP的節(jié)點(diǎn)能夠運(yùn)行更長(zhǎng)的時(shí)間。由此可以看出，本文所設(shè)計(jì)的通過調(diào)節(jié)半徑來達(dá)到節(jié)能的目的，這種做法是可取并且富有成效的。
能量的評(píng)測(cè)之所以會(huì)出現(xiàn)上面的結(jié)果，其主要原因來自于三者之間的協(xié)議節(jié)能的原理以及不同原理所涉及到的節(jié)能策略的針對(duì)點(diǎn)的不同。DD通過引入的嗜好來建立某節(jié)點(diǎn)的梯度場(chǎng)，進(jìn)而來引導(dǎo)數(shù)據(jù)包的傳播路徑。這種方式雖然減少了泛洪等過度的能量消耗，但梯度建立過程中，廣播的過程消耗了相對(duì)較多的能量。SPIN協(xié)議所建立的協(xié)商機(jī)制，通過廣播采集數(shù)據(jù)的描述信息的方式來進(jìn)行路由的建立，通過減少數(shù)據(jù)包大小的方式來節(jié)省能量，從某種程度上來看，效果相對(duì)較差。而ERARP在路由建立過程中借鑒了SPIN協(xié)議的協(xié)商握手機(jī)制以及DD協(xié)議的引導(dǎo)數(shù)據(jù)包傳播的思想，同時(shí)通過對(duì)節(jié)點(diǎn)自身能量的運(yùn)行動(dòng)態(tài)狀況對(duì)節(jié)點(diǎn)的角色進(jìn)行調(diào)整，節(jié)省了能耗；同時(shí)通過調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)自身的發(fā)射半徑從更大程度上提高了能量的優(yōu)化配置和使用。這再次驗(yàn)證了節(jié)點(diǎn)能耗中無限射頻模塊占據(jù)了節(jié)點(diǎn)所消耗能量的大部分，同時(shí)通過降低節(jié)點(diǎn)的發(fā)射半徑可以較大程度地對(duì)節(jié)點(diǎn)能量進(jìn)行有效使用。
總的來說，綜合評(píng)定網(wǎng)絡(luò)節(jié)能性能、吞吐量、延遲、丟包率等評(píng)價(jià)指標(biāo)，可以看出，本文所設(shè)計(jì)的ERARP在吞吐量不降低、丟包率合理、延遲性能較優(yōu)的前提下，能量的使用更加合理，同樣的節(jié)點(diǎn)能量供給能夠讓節(jié)點(diǎn)運(yùn)行更長(zhǎng)的時(shí)間。
5結(jié)束語
本文分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的能量消耗情況以及能耗模型，發(fā)現(xiàn)無線收發(fā)模塊中的能量消耗占了整個(gè)節(jié)點(diǎn)所有耗能部件的大部分能量，而無線收發(fā)模塊所消耗的能量與射頻模塊在進(jìn)行無線收發(fā)時(shí)的傳感半徑有著緊密的關(guān)系。傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能路由協(xié)議的設(shè)計(jì)是基于無線射頻模塊在無線收發(fā)時(shí)均采用盡力服務(wù)的模式來展開討論，而這與真實(shí)的物理層情況不符。從而找出了優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能量的路由協(xié)議新的入口點(diǎn)。
本文設(shè)計(jì)了ERARP路由協(xié)議，該協(xié)議由路由發(fā)起和路由維護(hù)兩個(gè)階段組成。隨著節(jié)點(diǎn)能量的不斷消耗，通過動(dòng)態(tài)調(diào)整節(jié)點(diǎn)射頻模塊傳感半徑達(dá)到節(jié)能目的。在實(shí)現(xiàn)
過程中對(duì)各個(gè)功能模塊進(jìn)行了功能上的明細(xì)劃分，通過多線程的方式實(shí)現(xiàn)了該協(xié)議。最后通過OPNET Modeler仿真平臺(tái)對(duì)本文所設(shè)計(jì)的ERARP協(xié)議以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳統(tǒng)的兩種節(jié)能路由協(xié)議SPIN和DD在延遲率、吞吐量、丟包率三個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行了仿真和這三種統(tǒng)計(jì)量的收集。特別地，專門對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中能量節(jié)省情況進(jìn)行了數(shù)據(jù)收集和仿真。通過仿真所得數(shù)據(jù)，得出了ERARP在節(jié)點(diǎn)的能量使用方面的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)該協(xié)議在延遲、丟包率以及吞吐量三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)也顯示了很好的性能。
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