WSNs中基于傳輸內容與能量感知的機會路由協議

姚燁

摘 要：無線傳感網生存時間是衡量其應用價值的關鍵，為在保障網絡傳輸性能的同時盡量提升網絡生存時間，通過對現有機會路由協議的改進與優化，提出一種能同時對傳輸內容與節點能量進行感知的機會路由協議（CREAOR）。仿真結果表明，與傳統路由方案相比，CREAOR能顯著提升網絡生存時間，同時在傳輸高優先級數據包時降低了時延。

關鍵詞：無線傳感網；機會路由；能量感知；網絡生存時間

DOI：10.11907/rjdk.173331

中圖分類號：TP393

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2018）006-0198-05

Abstract：Survivability is crucial to the commercial value of Wireless Sensor Network. In order to keep a balance between the network life span and network performance， dynamic routing protocol named Content Relevance and Energy Aware Opportunistic Routing （CREAOR） based on the improvement and optimization of opportunistic routing approaches. Simulation results shows a significant increase in network lifespan while the overall packet delay remains similar compared with traditional routing.

Key Words：WSNs； opportunistic routing； energy aware； network lifespan

0 引言

近年來，無線傳感網在生活中應用越來越廣泛。無線傳感網是由大量廉價的微型傳感器節點以自組網方式形成的無線網絡，在環境監測、數據采集等場景中發揮著重要作用[1-3]。

微型傳感器節點通常需要在無人值守的環境中工作較長一段時間，但由于尺寸限制，節點自身的能量資源與計算資源極為有限，而且不同于一般移動設備，為傳感器節點充電或更換電池往往是不可行的[4]。因此，節點能量問題成為制約無線傳感網部署的一個關鍵。另一方面，數據包延遲也是衡量網絡性能的重要參數之一，尤其當網絡工作在環境監測、災害預警等對延遲容忍度低的場景中時，必須采取一定優化措施盡量降低數據包延遲。將大量微型傳感節點組成網絡是一項具有挑戰性的工作，主要需要解決網絡層的路由與尋址問題。傳統路由方案按照預定路徑傳輸數據包，僅簡單地將無線鏈路抽象為有線鏈路，而沒有充分利用無線鏈路的特性，在性能上仍有較大提升空間[5-7]。

針對以上問題并結合已有研究成果，本文提出一種針對傳輸內容與能量進行感知的動態路由協議（Content Relevance and Energy Aware Opportunistic Routing，CREAOR），該協議綜合考慮了數據包延遲與能量效率問題，通過數據包分級與動態路由方案提升了網絡吞吐量，同時引入對傳感節點的能量感知機制，可保證各節點的能量消耗程度基本一致，從而最大化地延長了網絡生存時間。與傳統路由方案相比，CREAOR基于地理位置、數據包信息與節點能量水平動態自主地選擇轉發節點，可有效提高網絡傳輸性能，降低網絡延遲。

1 相關工作

機會路由一經提出便備受關注，其利用了無線傳輸的廣播特性，在提升無線傳感網性能上具有較好的應用前景[8-9]。麻省理工大學的Biswas與Morris等[10]首先提出機會路由思想以及ExOR協議，ExOR允許轉發節點使用多種不同路徑將數據轉發至目的節點，每一對發送—接收節點之間的鏈路使用平均端到端傳輸次數（Expected Transmission Count， ETX）作為依據確定各自的優先級。ETX實質上是由接收節點與目的節點之間距離決定的，距離越短，優先級越高，擁有最高優先級的接收節點將被選作下一跳的轉發節點。ExOR的一個缺點是路由的選取基于全網鏈路狀態，因此網絡中的節點必須周期性地更新ETX值，當網絡到達一定規模后該做法將帶來很大的協議開銷，可擴展性不強[11]；基于地理位置信息的隨機轉發路由協議（Geographic Random Forwarding， GeRaF）首先由Michele等[12]提出，GeRaF中的每個數據包都包含發送節點與目的節點的位置信息，候選節點使用這些信息確定轉發優先級。GeRaF同時引入了經典的RTS/CTS握手機制用于在傳輸節點對之間交換信息，省去了維護全網拓撲帶來的協議開銷，同時避免了ExOR中存在的數據包重復問題。 GeRaF在技術上簡單易行，但沒有加入其它方面的考慮；P Spachos等[13]提出基于能量感知的無線傳感網機會路由協議（Energy Aware Opportunistic Routing， EAOR），EAOR使用節點能量水平與地理信息作為測度將候選轉發節點進行排序，并選擇其中的最佳節點作為中繼節點，有效延長了網絡生存時間。 EAOR的主要關注點在于節點能量水平，因此其應用場景較為有限。本文提出的基于傳輸內容與能量感知的機會路由協議（Content Relevance and Energy Aware Opportunistic Routing， CREAOR）則填補了上述協議間的空白，在數據包時延、能量效率之間取得了平衡，具有可擴展性強、應用場景多樣的特點。

2 系統模型

2.1 傳輸測度

在開始傳輸前，網絡中的每個節點應明確自身的傳輸測度，即當給定節點i 與節點d時，應能唯一地確定兩節點之間的傳輸測度C-i，d。由于CREAOR基于節點的地理位置信息選擇下一跳節點，因此節點的傳輸測度本質上和當前節點與目的節點間的距離有關。 在CREAOR中，節點的傳輸測度被用于劃分其鄰居節點集合與轉發節點集合。

在網絡初始化階段，目的節點會廣播一些含有其身份信息的數據包，節點收到數據包后即可計算出距離目的節點的最小跳數并以此作為傳輸測度，隨后更新數據包中的跳數字段并再次向網絡中的其它節點轉發該數據包。當網絡中所有節點都收到數據包后，每個節點與目的節點間的傳輸測度即已確定。

當網絡中有新節點加入時，其可以從鄰居節點獲取自身的傳輸測度；當有節點離開網絡或者源節點位置改變時，網絡中其它節點的傳輸測度無需改變，僅當目的節點位置改變時才需要重新開始網絡初始化過程。在實際的傳感網絡設計方案中，源節點位置通常需要根據環境變化，但目的節點往往是控制室這類固定目標，因此該模型能滿足實際需求。

2.2 鏈路模型

節點與其鄰居節點之間通過無線信道發送數據包，由于真實的無線信道存在一定的誤包率（Packet Error Rate， PER），因此不能保證數據完整地到達目的節點。為了模擬使用BPSK調制的實際信道模型（未經過信道編碼），取PE^R（i）為[14]：

所有數據包的傳輸過程均服從PER。PER在不同P-t值下的曲線如圖1所示。

由圖1可知，P-t的取值不僅決定了網絡能量消耗，還會影響網絡連通性。P-t值過大時會加速能量消耗，同時也會增加鄰居節點間的傳輸沖突，而過小的P-t值雖然減小了沖突可能性，卻需要更多節點覆蓋監測區域。在CREAOR中，P-t值設定與監測區域的實際需求有關。

2.3 數據包分級方案

數據包的分級方案決定了協議傳輸性能，節點對不同優先級的數據包會表現出不同的轉發行為。一般而言，低優先級的數據包將優先由距離發送節點近的節點傳輸，因為低優先級的數據包對延遲相對不敏感；另一方面，高優先級的數據包需要在最短時間內傳輸至目的節點，因此將優先選用距離目的節點跳數較少的節點進行轉發，即位于節點傳輸范圍邊界處的節點更有可能成為下一跳節點。在節點的發送緩沖區內，數據包將按照各自的優先級排序，高優先級的數據包將被優先發送。表1為協議中的優先級安排規劃。

3 協議實現

CREAOR屬于按需機會路由協議，僅在需要時才發起路由創建過程，在CREAOR中由目的節點發起該過程，并在傳輸階段持續維護路由直到其不再被需要。源節點與目的節點之間將存在多條傳輸路徑，節點可根據需要作出適當選擇。影響路由的因素可能有鏈路干擾、信道或節點可用性與節點能量水平等。

CREAOR包含兩個階段：初始化階段和傳輸階段。

3.1 初始化階段

在初始化階段，目的節點首先向源節點廣播含有其身份標識的數據包，數據包中的傳輸測度C-dst，dst設置為0，傳輸過程中的每一中繼節點向其候選節點集合轉發該數據包，同時更新傳輸測度。網絡中的任一節點i可根據傳輸測度將其周圍節點劃分為鄰居節點集合和候選轉發節點集合。i的鄰居節點集合S-i 即節點i傳輸范圍內的所有節點，有：

i的候選轉發節點集合V-i 即由i傳輸范圍內距離目的節點更近的節點組成的集合，因此候選節點集合為鄰居節點集合的子集。在初始化階段，數據包的目的節點是源節點，因此有：

當數據包到達源節點后，源節點會計算指向目的節點不同路由的傳輸開銷，并預估向其候選節點集合發送數據的大致能量消耗，隨后丟棄這些數據包。當整個路由發現過程結束后，網絡中的每個節點都獲取了發起傳輸的必要信息。

3.2 數據傳輸階段

網絡中的數據包可分為4種類型：DATA、ACK、RTS和CTS[15]，每種類型數據包的傳輸過程均存在一定的PER。當需要發送數據時，發送節點與其候選節點集合之間將發起一次RTS/CTS握手過程，發送節點首先發送一個RTS，然后等待候選節點響應。候選節點集合中會有部分節點收到該RTS，具體接收情況取決于鏈路質量、傳輸距離等因素。

若一個候選節點接收到RTS且當前處于空閑狀態，它會向發送節點回復一個CTS，在回復CTS之前，節點會等待一段時間：

其中L為數據包優先級平均值，L-K為當前數據包優先級，d為通信節點之間距離，SIFS為最短幀間間隔，C-0和C-1為常數。E-L為節點能量水平，有E-L=1-E-consE-init ，其中E-cons為節點已消耗的能量，E-init為節點初始能量。

在等待T-backoff時間后，候選節點將向發送節點回復CTS，由于CTS的傳輸過程也服從PER分布，因此存在包丟失的可能性，而一旦發送節點成功接收到第一個CTS，發送該CTS的節點將被選作中繼節點，隨后發送節點將向該節點發送數據并忽略后續其它節點回復的CTS。中繼節點成功接收數據后會向發送節點回復ACK，從而完成了一次RTS/CTS握手過程。

由式（5）可知，中繼節點的選擇策略與數據包優先級、節點間距離以及節點能量相關。若不考慮節點能量水平，對于低優先級的數據包（級別0、1）而言，距離發送節點越近的節點擁有越低的T-backoff，即發送節點周圍的鄰居節點將優先服務于優先級低的數據包，這些節點需要更多跳數才能將數據傳輸至目的節點。若節點同時需要轉發不同優先級的數據包，節點將在發送緩沖區中對數據包按優先級排序，高優先級的數據包優先得到轉發。對于高優先級的數據包（級別3、4）而言，距離發送節點越遠的節點擁有越低的T-backoff ，因此將優先選用位于發送節點傳輸范圍邊界附近的節點作為中繼節點，使高優先級數據包經過較少跳數即可到達目的節點。

此外，節點能量水平也是影響路由選擇的一個重要因素，在實際傳輸過程中，長時間傳輸同一等級的數據包可能導致某一區域內的節點能量水平迅速下降，根據式（5），此時節點的T-backoff會根據節點當前能量水平切換至對應等級的響應曲線上，從而降低了該節點被選作中繼節點的可能性，轉發任務將優先由其它能量更充足的節點完成，避免了在長時間傳輸中重復使用同一節點的情況，使網絡中所有節點能量水平趨于一致。由于等級最高的數據包具有一定特殊性，實際在傳輸中設定為不受能量水平影響，即將最優路徑永遠保留給最高優先級的數據包。

數據傳輸過程中的每個中繼節點將重復上述過程直至所有數據傳輸完畢，因此每個數據包都可能使用不同路由。

4 性能評估與仿真結果

本章將在網絡生存時間與平均端到端時延等方面對傳統路由方案以及CREAOR進行比較。傳統路由方案使用源節點與目的節點之間最優路徑上的節點傳輸數據，該策略使只有較為優質的鏈路才會被選中（例如PER < 10%），而CREAOR將盡量利用所有PER < 80%的鏈路。因此，動態路由協議會不斷檢測鏈路的可用性與鏈路質量，而傳統路由方案在所有傳輸過程中選用幾乎一致的路徑。

仿真使用離散事件仿真軟件OMNeT++完成[16]。傳感節點均勻分布在100×100m2 的區域中，通信參數的選取基于IEEE802.15.4，具體參數如表2所示。

4.1 網絡生存時間

網絡生存時間（Network Lifespan）定義為自開始傳輸至網絡中出現第一個能量耗盡節點之間經過的時間。實驗中設置節點的電池容量為1 000mAh，因此每個節點的初始能量為：

圖3展示了兩種協議對比結果，由于傳統路由在每次傳輸時趨向于選擇相同路徑，因此這條路徑上的節點將承擔全部傳輸任務直至能量耗盡。另一方面，CREAOR會針對數據包內容選擇不同轉發策略，節點的候選轉發節點根據轉發策略競爭RTS包，首先回應CTS包的節點才被確定為下一跳節點，因此傳輸任務實際由候選節點集合中的所有節點承擔，且CREAOR中基于能量感知的部分傾向于使節點能量水平趨于一致。因此，CREAOR的網絡生存時間明顯優于傳統路由協議。

4.2 端到端時延

端到端時延（End to End Delay）是指數據包從離開源節點開始至到達目的節點經過的時間。為計算不同數據包優先級條件下的平均端到端時延，在保持網絡拓撲不變的情況下，依次使用優先級為0、2、4的數據包對協議進行仿真，結果見圖4-圖6。

傳統路由為最短路徑算法，在網絡參數不變時有著幾乎一致的表現。CREAOR在傳輸低優先級數據包時的表現不如傳統路由，主要原因是低優先級數據包應盡量使用不常用的節點，將最優鏈路保留給高優先級節點。因此，低優先級數據包選擇的節點往往需要更多跳數才能將數據包遞送至目的節點，增加了端到端時延。隨著網絡節點密度的增大，CREAOR與傳統路由之間的差距逐漸縮小，這是因為CREAOR本質是動態路由協議，其候選節點集合隨著網絡節點密度增大而增大，可供利用的節點增多，因而一定程度上彌補了與傳統路由之間的性能差距。

對于中等優先級的數據包而言，其性能與傳統路由相近，動態路由利用了機會路由的優勢，候選節點集中的每個節點都有可能被選作下一跳節點，而其中一些節點由于鏈路質量原因不會被傳統路由考慮。對于CREAOR而言，只要在當前傳輸時隙節點間鏈路可靠，即可在兩節點間發起傳輸，則其單次傳輸過程可能相較傳統路由使用更少跳數，使得兩種協議在全部傳輸過程中時延表現相近。

CREAOR在高優先級數據包上的表現優于傳統路由，主要由于機會路由帶來性能上的提升。CREAOR會利用當前可用的所有鏈路進行傳輸，同時優先選擇距離目的節點更近的節點作為下一跳節點，使數據包能夠盡快到達目的節點，最大限度地降低了時延。

3 結語

針對現有機會路由方案中存在的問題，本文提出一種能夠同時針對節點能量與傳輸內容進行感知的動態路由方案CREAOR。仿真結果表明，相比于傳統路由方案，CREAOR能顯著提升網絡生存時間，同時在傳輸高優先級數據包時擁有比傳統路由方案更低的時延。

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（責任編輯：黃 健）