無線傳感網(wǎng)中基于均方差賦權(quán)法的路由協(xié)議?

孫佳美，任秀麗

(遼寧大學(xué)信息學(xué)院，沈陽110036)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensor Network)是由大量多功能、低功耗、廉價的傳感器節(jié)點和一個Sink節(jié)點或基站組成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，節(jié)點間采用自組織無線通信的方式建立連接并傳遞信息，協(xié)同完成特定功能[1]。傳感器節(jié)點的能量、計算能力、存儲容量和通信帶寬等資源極為有限，如何設(shè)置有效的能量均衡策略，控制節(jié)點的能量消耗成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究的重點。

針對低功耗的無線網(wǎng)絡(luò)，IETF工作組制定了RPL路由協(xié)議[2]。在RPL路由協(xié)議中，根據(jù)路由度量計算節(jié)點rank值，通過比較節(jié)點rank值選擇下一跳。節(jié)點根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況動態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)包發(fā)送頻率，減少了節(jié)點能耗。但采用跳數(shù)作為路由度量，與節(jié)點間實際距離存在偏差。而且跳數(shù)少的路徑其單跳距離可能較長，影響鏈路質(zhì)量。

關(guān)于RPL路由協(xié)議的優(yōu)化研究中，文獻[3](ELT-RPL)提出了一種期望壽命路由度量，用于估算網(wǎng)絡(luò)中瓶頸節(jié)點的生存時間，以此構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓撲；并依據(jù)最大最小原則選擇父節(jié)點，延長了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。但該協(xié)議增加了控制包的數(shù)量造成包碰撞率增加，導(dǎo)致收包率下降。文獻[4](OBL-RPL)通過對節(jié)點的剩余能量進行分級和調(diào)節(jié)節(jié)點的通信半徑的方法，對目標函數(shù)進行改進。該協(xié)議均衡了節(jié)點的負載，但會增加路徑跳數(shù)，并且存在網(wǎng)絡(luò)抖動現(xiàn)象。文獻[5](EAM-RPL)將鏈路質(zhì)量與節(jié)點能耗相結(jié)合，提出了能量感知路由度量。該路由協(xié)議延長了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。但在網(wǎng)絡(luò)后期，由于父節(jié)點狀態(tài)信息更新不及時，導(dǎo)致節(jié)點做出錯誤的路由選擇，加速瓶頸節(jié)點的死亡。文獻[6](HE-CRPL)提出一種高效的基于簇父集協(xié)作通信的路由協(xié)議，該協(xié)議在選擇簇父節(jié)點時綜合考慮節(jié)點的通信可靠性與節(jié)點的剩余能量，并引入期望壽命ELT進行最優(yōu)簇父集選擇。雖然延長了網(wǎng)絡(luò)的生命周期，但增加了簇父節(jié)點之間的通信量。文獻[7](HIT-RPL)提出一種基于機會路由的RPL路由協(xié)議。節(jié)點采用任播的方式傳輸數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包的傳輸不依賴某一固定鏈路。雖然提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性，但目的節(jié)點會接收到多個來自不同路徑的相同數(shù)據(jù)包，增加了目的節(jié)點和中繼節(jié)點的負載。文獻[8](EB-RPL)提出一種帶有電量估算的路由協(xié)議，設(shè)計了一種基于能量消耗速率的父節(jié)點電量估算策略，通過估算父節(jié)點電量進行路由決策。延長了網(wǎng)絡(luò)的生命周期，但節(jié)點的預(yù)測誤差會影響節(jié)點的路由決策。以上這些算法在處理多指標優(yōu)化問題上，采用加權(quán)法將多個鏈路質(zhì)量指標組合成一個指標，各指標的權(quán)重系數(shù)都是根據(jù)主觀經(jīng)驗值給定。由于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境復(fù)雜多變，鏈路質(zhì)量指標在網(wǎng)絡(luò)運行過程中不斷發(fā)生變化，采用固定的主觀權(quán)重無法根據(jù)實際指標的變化作出自適應(yīng)的調(diào)整，路由決策難以滿足網(wǎng)絡(luò)的實際需求。

通過分析以上協(xié)議，本文提出了一種無線傳感網(wǎng)中基于均方差賦權(quán)法的路由協(xié)議MSDRP(Mean-Squared Deviation weight decision Routing Protocol)。構(gòu)造一種新的節(jié)點距離路由度量。提出了一個節(jié)點鄰域空間劃分模型，并在節(jié)點鄰域內(nèi)確定一個參考點。根據(jù)余弦定理將節(jié)點距鄰節(jié)點距離，節(jié)點距Sink節(jié)點距離，鄰節(jié)點距Sink節(jié)點距離，節(jié)點的通信半徑等多個變量的取值及其變化關(guān)系轉(zhuǎn)化到節(jié)點鄰域內(nèi)參考點距鄰節(jié)點距離這一個變量的測量上。提高鄰節(jié)點距離這一評價指標所考慮因素的全面性和合理性。綜合考慮鄰節(jié)點的剩余能量，鄰節(jié)點的距離，鄰節(jié)點的鏈路質(zhì)量和鄰節(jié)點的負載這四個評價指標，根據(jù)均方差賦權(quán)法對節(jié)點評價指標的權(quán)值進行動態(tài)調(diào)整。通過目標函數(shù)公式計算出鄰節(jié)點的目標函數(shù)值，選擇目標函數(shù)值最大的節(jié)點作為下一跳，建立數(shù)據(jù)傳輸路徑。仿真結(jié)果表明該路由協(xié)議能夠有效均衡節(jié)點能耗，延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

1 系統(tǒng)模型

1.1 網(wǎng)絡(luò)與能耗模型

網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點隨機分布在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，且部署后位置固定。另外，節(jié)點之間的距離采用文獻[9]中的RSSI測距方法計算。傳感器節(jié)點依靠電池供電，能量有限。節(jié)點ID編號唯一，初始通信半徑都相同。Sink節(jié)點位置固定，能量充足。所有節(jié)點可以接收來自Sink節(jié)點廣播的數(shù)據(jù)包。節(jié)點發(fā)送和接收數(shù)據(jù)所消耗的能量采用與文獻[10]中相同的能耗模型進行計算。

圖1 節(jié)點的鄰域劃分

1.2 節(jié)點鄰域劃分模型

節(jié)點的單跳通信范圍是節(jié)點的鄰域。節(jié)點鄰域模型將節(jié)點鄰域劃分成兩部分，如圖1所示。點A表示Sink節(jié)點，點Nx表示傳感器節(jié)點。節(jié)點Nx的鄰域用圓Nx來表示，圓Nx的半徑為傳感器節(jié)點的初始通信半徑R0。Sink節(jié)點的通信區(qū)域用圓A表示，圓A的半徑為節(jié)點 Nx距 Sink節(jié)點的距離 d(Nx，Sink)。將圓Nx與圓A的相交區(qū)域視為節(jié)點Nx的前向鄰域(如圖1中的陰影區(qū)域)，圓Nx內(nèi)的剩余區(qū)域為節(jié)點Nx的后向鄰域。稱節(jié)點Nx前向鄰域內(nèi)的鄰節(jié)點為節(jié)點Nx的前向鄰節(jié)點。

1.3 節(jié)點鄰域內(nèi)的參考點

根據(jù)節(jié)點Nx的鄰域劃分模型確定節(jié)點Nx鄰域內(nèi)的參考點，如圖2所示。過點A(Sink節(jié)點)和點Nx作一條直線Lx。直線Lx與圓Nx相交于圓A內(nèi)一點Ox，將點Ox作為節(jié)點Nx鄰域內(nèi)的參考點。兩圓的交點B和C分別是節(jié)點Nx鄰域內(nèi)的兩個臨界點。

圖2 節(jié)點鄰域內(nèi)的參考點

如圖2所示，設(shè)節(jié)點Nk是節(jié)點Nx的前向鄰節(jié)點。則節(jié)點Nk距Sink節(jié)點的距離為d(Nk，Sink)，節(jié)點Nk距節(jié)點Nx的距離為d(Nk，Nx)。節(jié)點Nk距節(jié)點Nx鄰域內(nèi)參考點Ox的距離為d(Nk，Ox)。節(jié)點Nx距Sink節(jié)點的距離為d(Nx，Sink)，節(jié)點Nx距其鄰域內(nèi)的參考點Ox的距離為d(Nx，Ox)＝R0，R0為節(jié)點的初始通信半徑。設(shè)三角形 ΔNkNxA中∠NkNxA的度數(shù)為θxk。根據(jù)余弦定理，角θxk的余弦值cosθxk可以分別用式(1)和式(2)來表示。

聯(lián)合式(1)和式(2)可以推導(dǎo)出節(jié)點Nk距參考點 Ox的距離 d(Nk，Ox)，如式(3)。

1.4 節(jié)點的距離路由度量

節(jié)點間的距離是影響節(jié)點能耗的重要因素。文獻[11－13]中分別采用了不同方法計算節(jié)點的距離代價。本文所定義的距離度量，如圖2所示。將節(jié)點Nk距參考點Ox的距離d(Nk，Ox)作為在節(jié)點Nx的鄰域內(nèi)，節(jié)點Nk的距離路由度量。從式(3)中可以看出，在建立了參考點后的鄰域劃分模型中，節(jié)點距離路由度量這一評價指標的選擇，不僅考慮到節(jié)點、鄰節(jié)點和Sink節(jié)點所構(gòu)成的三角形三邊的變化關(guān)系；同時還考慮了下一跳節(jié)點與鄰域內(nèi)特殊位置的距離變化關(guān)系。為了避免在路由選擇的過程中產(chǎn)生路由環(huán)路，規(guī)定節(jié)點從其鄰域劃分模型中的前向鄰域內(nèi)選擇下一跳節(jié)點。為了減少傳輸跳數(shù)，規(guī)定節(jié)點從其鄰域內(nèi)選擇距離Sink節(jié)點最近的鄰節(jié)點作為下一跳。顯然在節(jié)點的前向鄰域內(nèi)，參考點所在的位置最靠近Sink節(jié)點，因此參考點的位置是選擇下一跳節(jié)點進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)睦硐胛恢谩⑾乱惶?jié)點的選擇限定在節(jié)點的前向鄰域內(nèi)，在此前提下，圖2中各點間的距離滿足如下條件(4)。

式中：R0表示節(jié)點的初始通信半徑。d(Nk，Nx)表示鄰節(jié)點Nk距節(jié)點Nx的距離。由于鄰節(jié)點在節(jié)點的一跳鄰域內(nèi)，所以節(jié)點距鄰節(jié)點的距離d(Nk，Nx)應(yīng)大于 0且小于 R0。d(Nx，Sink)表示節(jié)點 Nx距Sink節(jié)點的距離。Area表示整個網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測區(qū)域的面積。當Sink節(jié)點位于傳感器節(jié)點的一跳鄰域內(nèi)時，傳感器節(jié)點采用單跳通信的方式直接向Sink節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。對于那些無法直接向Sink節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的傳感器節(jié)點，應(yīng)選擇中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。因此設(shè)定d(Nx，Sink)的距離大于R0，即只對需要選擇中繼的節(jié)點進行研究。d(Nk，Sink)表示鄰節(jié)點Nk距Sink節(jié)點的距離。由于規(guī)定了在節(jié)點的前向鄰域內(nèi)選擇下一跳節(jié)點，所以d(Nk，Sink)應(yīng)小于 d(Nx，Sink)。 d(Nk，Ox)表示節(jié)點 Nk距參考點 Ox的距離。maxDistx表示節(jié)點Nx的前向鄰域內(nèi)臨界點距參考點Ox的距離。在圖2中，點B和點C分別是節(jié)點Nx前向鄰域內(nèi)的兩個臨界點。根據(jù)不等式組(4)中的臨界條件，當 d(Nk，Nx)＝ R0時，d(Nk，Sink)＝ d(Nx，Sink)，此時 d(Nk，Ox)取得最大值，即d(Nk，Ox)＝ maxDistx。 之后分別將 d(Nk，Nx)＝ R0和 d(Nk，Sink)＝ d(Nx，Sink)代入式(3)中，求得maxDistx的計算公式，如式(5)。

2 MSDRP路由協(xié)議

將均方差賦權(quán)法引入到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議當中，將本文所提節(jié)點的距離路由度量作為節(jié)點路由選擇的一個評價指標。結(jié)合節(jié)點的剩余能量，節(jié)點的鏈路質(zhì)量，節(jié)點的負載等評價指標。分別對節(jié)點的評價指標進行數(shù)據(jù)標準化處理和無量綱化處理，將指標數(shù)據(jù)的數(shù)值限定到相同的數(shù)據(jù)區(qū)間內(nèi)并消除不同量綱的影響。根據(jù)節(jié)點不同指標數(shù)據(jù)的離散程度，利用均方差賦權(quán)法對指標的權(quán)值進行動態(tài)調(diào)整。根據(jù)目標函數(shù)對節(jié)點的評價指標進行加權(quán)求和，選擇目標函數(shù)值最大的節(jié)點作為下一跳，構(gòu)建數(shù)據(jù)傳輸路徑。由于路由決策問題涉及到節(jié)點的多個評價指標的綜合評判，因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的路由選擇問題可以看作是一個多指標決策問題。

2.1 均方差賦權(quán)法的基本原理

對評價指標進行賦權(quán)的方法主要有三類，分別是主觀賦權(quán)法、客觀賦權(quán)和主客觀賦權(quán)。主觀賦權(quán)法是根據(jù)主觀經(jīng)驗對評價指標賦予權(quán)值，如文獻[14]中的層次分析法是典型的主觀賦權(quán)法，它根據(jù)專家調(diào)研意見賦予指標權(quán)值值。客觀賦權(quán)法是根據(jù)評價指標的變化特征，建立數(shù)學(xué)函數(shù)模型計算權(quán)值。本文所引入的均方差賦權(quán)法屬于客觀賦權(quán)法。

均方差即標準差，標準差是方差的算術(shù)平方根。標準差能反映數(shù)據(jù)集的離散程度。均方差賦權(quán)法的主要原理是：各指標相對權(quán)重系數(shù)的大小，取決于在該指標下各方案評價值的相對離散程度[15]。若各方案在某指標下評價值的離散程度越大，就表明在該評價指標下，各方案的差異性較大，該指標應(yīng)賦予較大的權(quán)值系數(shù)，反之亦然。若某指標下各方案的評價值都相同(即評價指標的離散程度為0)，則該指標的權(quán)值系數(shù)應(yīng)為0。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由決策過程中，可以將下一跳節(jié)點的選擇作為一個決策方案。將不同節(jié)點的選擇問題轉(zhuǎn)化為不同方案的評價決策問題。

通常將評價指標分為“效益型”和“成本型”兩大類。“效益型”指標的評價值越大越好，“成本型”指標的評價值越小越好。不同評價指標具有不同的量綱和量綱單位，為了消除量綱與量綱單位的影響，應(yīng)將評價指標進行無量綱化處理。常用的無量綱化處理方法參見文獻[16]。

對于評價值越大越好的“效益型”指標，無量綱化計算公式如式(6)。

式(6)中Cmax，Cmin分別是指標C的最大值和最小值。對于評價值越小越好的“成本型”指標，無量綱化計算公式如式(7)。

2.2 節(jié)點的評價指標

本文所提算法將節(jié)點的剩余能量、節(jié)點的距離、節(jié)點的鏈路質(zhì)量和節(jié)點的負載作為節(jié)點進行路由選擇的評價指標。各指標的定義和計算方法如下。

2.2.1 節(jié)點的剩余能量

所有傳感器節(jié)點的初始能量都相同，初始能量值為E0。隨著網(wǎng)絡(luò)的運行，傳感器節(jié)點的剩余能量不斷減少。當節(jié)點的剩余能量減少到某一限定值時，節(jié)點進入失效狀態(tài)，不再采集數(shù)據(jù)。對于任意傳感器節(jié)點Nx，其剩余能量用Ex來表示。

2.2.2 節(jié)點的距離路由度量

如2.4節(jié)中所述，將節(jié)點距鄰域內(nèi)參考點的距離d(Nk，Ox)作為節(jié)點的距離路由度量。其度量值可以根據(jù)式(3)計算求得。對于任意節(jié)點Nx及其鄰域內(nèi)的節(jié)點Nk，鄰節(jié)點Nk在節(jié)點Nx的鄰域內(nèi)的距離度量用 Dkx來表示，即 Dkx＝d(Nk，Ox)。

2.2.3 節(jié)點的鏈路質(zhì)量

數(shù)據(jù)包傳輸時的碰撞和擁塞會導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失或被延遲轉(zhuǎn)發(fā)，因此數(shù)據(jù)包在被接收時存在時延。因此將節(jié)點的數(shù)據(jù)包傳輸時延作為節(jié)點鏈路質(zhì)量的評價指標。通過鄰節(jié)點數(shù)據(jù)包確認信息中的時間戳來計算數(shù)據(jù)包的傳輸時延。對于任意節(jié)點Nx及其鄰域內(nèi)的節(jié)點Nk，用Tkx表示鄰節(jié)點Nk轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點Nx的數(shù)據(jù)包的傳輸時延。

2.2.4 節(jié)點的負載

同一節(jié)點會接收到來自不同節(jié)點所轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)。將節(jié)點在一個數(shù)據(jù)傳輸周期內(nèi)所接收到的數(shù)據(jù)包個數(shù)作為節(jié)點的負載。所謂數(shù)據(jù)傳輸周期是指Sink節(jié)點接收到網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)所需的時間。對于任意傳感器節(jié)點Nx，其負載用Lx來表示。

2.3 指標權(quán)值的計算

用集合NbZx＝{N1，…，Nm}表示節(jié)點 Nx前向鄰域內(nèi)的m個前向鄰節(jié)點。從集合NbZx中選擇一個節(jié)點 Nk，則 k∈[1，m]。 在節(jié)點 Nx的前向鄰域內(nèi)，節(jié)點 Nk的評價指標集用 Cxk＝ {Ek，Dxk，Txk，Lk}來表示。其中Ek表示節(jié)點Nk的剩余能量，Dxk表示節(jié)點Nk的距離路由度量，Txk表示節(jié)點Nk的鏈路質(zhì)量，Lk表示節(jié)點Nk的負載。

節(jié)點Nx的m個前向鄰節(jié)點構(gòu)成一個m行的評價矩陣Mx，矩陣Mx中的每一行為一個節(jié)點的評價指標集，如式(8)。

分別按照2.1節(jié)中所述的“效益型”和“成本型”兩種指標類型，對節(jié)點的評價指標進行分類。通常節(jié)點的剩余能量越多越好，所以節(jié)點的剩余能量是“效益型”指標。根據(jù)式(6)，對矩陣Mx中表示節(jié)點剩余能量這一列的數(shù)據(jù)進行無量綱化和標準化處理，如式(9)。

式(9)中，maxEx和minEx分別表示節(jié)點Nx的m個前向鄰節(jié)點剩余能量的最大值和最小值，exk表示節(jié)點Nk的剩余能量的標準化數(shù)據(jù)值。如2.4節(jié)中所述，對于節(jié)點的距離路由度量值，應(yīng)是越小越好。因此節(jié)點的距離度量屬于“成本型”指標。同樣，對于節(jié)點的傳輸延遲和負載，也是越小越好。所以節(jié)點的鏈路質(zhì)量和負載都屬于“成本型”指標。根據(jù)式(7)，分別對矩陣Mx中節(jié)點的距離度量，節(jié)點的鏈路質(zhì)量和節(jié)點的負載的各列數(shù)據(jù)進行無量綱化和標準化處理，如式(10)至(12)。

式(10)中，maxDx和minDx分別表示節(jié)點Nx的m個前向鄰節(jié)點距離度量的最大值和最小值，dxk表示節(jié)點Nk的距離度量的標準化數(shù)據(jù)值。

式(11)中，maxTx和minTx分別表示節(jié)點Nx的m個前向鄰節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸延遲的最大值和最小值，txk表示節(jié)點Nk的傳輸延遲的標準化數(shù)據(jù)值。

式(12)中，maxLx和minLx分別表示節(jié)點Nx的m個前向鄰節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸延遲的最大值和最小值，lxk表示節(jié)點Nk的剩余能量的標準化數(shù)據(jù)值。對矩陣Mx中的數(shù)據(jù)進行標準化處理后得到標準矩陣STDx，如

式(13)。

式(13)中，由于經(jīng)過了數(shù)據(jù)標準化處理，標準矩陣STDx內(nèi)每個元素的取值范圍都在0～1區(qū)間。標準矩陣STDx中的各列分別對應(yīng)節(jié)點的各個評價指標。根據(jù)2.1節(jié)中所述的均方差賦權(quán)法，分別計算矩陣STDx中每列指標的平均值和標準差，如式(14)，其中m是節(jié)點Nx的前向鄰節(jié)點個數(shù)。

將矩陣STDx中的標準差數(shù)據(jù)表示為標準差向量 Sx＝{sxe，sxd，sxt，sxl}。 對標準差向量 Sx進行歸一化處理，如式(15)。將標準差向量Sx的歸一化值作為節(jié)點Nx鄰域內(nèi)，m個前向鄰節(jié)點各評價指標的權(quán)值。節(jié)點Nx鄰域內(nèi)的權(quán)值向量用Wx＝{wxe，wxd，wxt，wxl}來表示。

式(15)中，Sumx是節(jié)點Nx鄰域內(nèi)節(jié)點評價指標的標準差之和。對于節(jié)點Nx，wxe是節(jié)點剩余能量的權(quán)值，wxd是節(jié)點距離度量的權(quán)值，wxt是節(jié)點鏈路質(zhì)量的權(quán)值，wxl是節(jié)點負載的權(quán)值。

2.4 節(jié)點的目標函數(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的路由選擇問題，是一個多指標綜合評判問題。本文采用加權(quán)求和的方式對節(jié)點的各項指標進行綜合評判，即目標函數(shù)是對節(jié)點指標進行加權(quán)求和的計算函數(shù)。對于節(jié)點Nx，其目標函數(shù)如式(16)。

式中：fx(Nk)是節(jié)點Nk在節(jié)點Nx鄰域內(nèi)的目標函數(shù)值。 wxe，wxd，wxt和 wxl是節(jié)點 Nx鄰域內(nèi)的各指標權(quán)值，如式(16)。 exk，dxk，txk和 lxk是節(jié)點 Nk的在節(jié)點Nx鄰域內(nèi)的各指標標準化數(shù)據(jù)，如式(13)中矩陣STDx的第k行。在經(jīng)過3.3節(jié)中的數(shù)據(jù)標準化處理后，所有指標的數(shù)據(jù)值都是越大越好。因此節(jié)點應(yīng)選擇目標函數(shù)值最大的鄰節(jié)點作為下一跳，如式(17)。

式(17)中，NextHop(Nx)表示節(jié)點Nx的下一跳節(jié)點，Ni表示節(jié)點Ni。其中Ni是節(jié)點Nx的m個前向鄰節(jié)點中，目標函數(shù)值最大的節(jié)點。

2.5 數(shù)據(jù)傳輸與路由維護

位于Sink節(jié)點一跳鄰域內(nèi)的所有節(jié)點采用單跳通信的方式直接向Sink節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。Sink節(jié)點一跳鄰域外的所有節(jié)點采用多跳的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至Sink節(jié)點。

節(jié)點向下一跳發(fā)送數(shù)據(jù)，下一跳節(jié)點返回確認信息。下一跳節(jié)點繼續(xù)傳遞數(shù)據(jù)，直至Sink節(jié)點接收到源節(jié)點所發(fā)送的數(shù)據(jù)。當Sink節(jié)點接收到網(wǎng)絡(luò)中所有可用節(jié)點的數(shù)據(jù)包后，就完成了一輪傳輸。隨后Sink節(jié)點廣播消息宣布開啟新一輪的數(shù)據(jù)傳輸。

每輪數(shù)據(jù)傳輸周期開始之前，節(jié)點間都會互相傳遞剩余能量等鏈路信息。當節(jié)點發(fā)現(xiàn)有鄰節(jié)點電量不足時，就將電量不足的節(jié)點標記為失效節(jié)點。在進行下一次的路由選擇時，排除掉鄰居信息表中的失效節(jié)點。從可用鄰節(jié)點中選擇下一跳繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)。

2.6 MSDRP路由協(xié)議的實現(xiàn)

本文提出的MSDRP路由協(xié)議的具體實現(xiàn)步驟如下，其流程如圖3所示。

步驟1 網(wǎng)絡(luò)初始化。Sink節(jié)點廣播開始消息，所有傳感器節(jié)點進入初始化階段。節(jié)點通過鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議探測周圍鄰節(jié)點，創(chuàng)建鄰居節(jié)點信息表。通過RSSI測距方法計算節(jié)點間距離并存入鄰居表。

步驟2 數(shù)據(jù)更新。節(jié)點通過無線通信的方式與周圍鄰節(jié)點互相通信，獲取鄰節(jié)點剩余能量信息，節(jié)點的鏈路質(zhì)量和節(jié)點的負載等指標數(shù)據(jù)并更新鄰居表。標記剩余能量不足的節(jié)點。

步驟3 數(shù)據(jù)標準化。節(jié)點根據(jù)3.3節(jié)中所描述的方法，對節(jié)點的指標數(shù)據(jù)進行標準化處理。

步驟4 計算指標權(quán)值。節(jié)點利用均方差賦權(quán)法計算標準化數(shù)據(jù)的標準差，計算各指標對應(yīng)的權(quán)重值。

步驟5 計算目標函數(shù)。節(jié)點根據(jù)根據(jù)目標函數(shù)公式計算鄰節(jié)點目標函數(shù)值，選擇目標函數(shù)值最大的節(jié)點作為下一跳。

步驟6 數(shù)據(jù)傳輸。節(jié)點選擇好下一跳后，與下一跳節(jié)點建立通信連接。開始新一輪的數(shù)據(jù)傳輸。完成一輪數(shù)據(jù)傳輸后，節(jié)點檢查自身剩余能量。如果節(jié)點剩余能量不足則進入失效狀態(tài)，執(zhí)行步驟7退出網(wǎng)絡(luò)。否則執(zhí)行步驟2更新鄰節(jié)點數(shù)據(jù)。

步驟7 退出網(wǎng)絡(luò)。剩余能量不足的節(jié)點進入失效狀態(tài)，不再采集和轉(zhuǎn)發(fā)任何數(shù)據(jù)。

圖3 路由協(xié)議流程圖

3 仿真實驗和實際測試

使用OMNeT＋＋5.2仿真環(huán)境，對MSDRP協(xié)議的性能進行驗證。將MSDRP與RPL、EB-RPL在網(wǎng)絡(luò)能效性、時效性等方面進行了比較；并使用CC2530開發(fā)板在實際環(huán)境下進行了測試。

3.1 實驗參數(shù)設(shè)置

使用OMNet＋＋對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進行仿真。將100個節(jié)點隨機分布在100 m×100 m的區(qū)域內(nèi)，Sink節(jié)點位于監(jiān)測區(qū)域的中心位置。節(jié)點初始能量為0.5 J，數(shù)據(jù)包大小為 500 byte，控制包大小為 50 byte。節(jié)點初始通信半徑R0＝20 m。

3.2 仿真結(jié)果分析

3.2.1 網(wǎng)絡(luò)能效性

隨著網(wǎng)絡(luò)的運行和節(jié)點能量的消耗，網(wǎng)絡(luò)中不斷有節(jié)點因能量耗盡而失效。網(wǎng)絡(luò)中剩余節(jié)點的個數(shù)反映網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點能量的消耗情況，是評價網(wǎng)絡(luò)能效性的標準之一。通常將網(wǎng)絡(luò)中首個節(jié)點失效的時間作為網(wǎng)絡(luò)的生命周期。如圖4是網(wǎng)絡(luò)中的剩余節(jié)點個數(shù)隨仿真時間的變化情況。隨著仿真時間的增加，網(wǎng)絡(luò)中的失效節(jié)點逐漸增加，可用節(jié)點逐漸減少。從圖4可以看出，MSDRP協(xié)議與RPL和EBRPL相比，網(wǎng)絡(luò)生命周期分別提高了55.56%和20.69%。這說明MSDRP協(xié)議所采用的權(quán)值計算方法能夠有效均衡節(jié)點能耗，延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

圖4 網(wǎng)絡(luò)生命周期對比圖

3.2.2 網(wǎng)絡(luò)負載均衡性

通常除了檢測區(qū)域邊緣部分的少數(shù)節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)中的大部分節(jié)點會接收多個節(jié)點的數(shù)據(jù)并進行轉(zhuǎn)發(fā)。由于節(jié)點周期的鄰節(jié)點個數(shù)和節(jié)點所處的地理位置不同，節(jié)點需要接收和轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包個數(shù)也存在差異。節(jié)點能量主要消耗在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包上，節(jié)點的剩余能量標準差可以反映節(jié)點之間剩余能量的離散程度，依此對網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的負載均衡性進行評估。圖5是網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的剩余能量標準差隨仿真時間的變化情況。從圖5可以看出，隨著仿真時間的增加，節(jié)點的剩余能量標準差始終處于上下波動的狀態(tài)，且波動幅度基本保持在一定范圍內(nèi)。與RPL和EB-RPL相比，MSDRP的節(jié)點剩余能量的標準差分別降低了51.11%和33.33%。且MSDRP協(xié)議中節(jié)點剩余能量標準差的波動幅度較小，這說明MSDRP協(xié)議能夠有效均衡網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的負載。

圖5 節(jié)點負載均衡性對比圖

3.2.3 網(wǎng)絡(luò)可靠性

數(shù)據(jù)包傳輸時的碰撞和擁塞會導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失，無線鏈路的不穩(wěn)定也會導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失[17]。因此節(jié)點的丟包率是反映網(wǎng)絡(luò)可靠性的一個評價指標。實驗中通過改變節(jié)點的發(fā)包速率，統(tǒng)計節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包個數(shù)和Sink節(jié)點接收的數(shù)據(jù)包個數(shù)，計算出節(jié)點的丟包率。圖6是不同節(jié)點發(fā)包速率下，節(jié)點丟包率的變化情況。

從圖6中可以看出，隨著節(jié)點發(fā)包速率的增加，節(jié)點丟包率逐漸增加。當節(jié)點發(fā)包速率較快時，節(jié)點丟包率有明顯上升的趨勢。與RPL和EB-RPL協(xié)議相比，MSDRP協(xié)議的丟包率分別降低了75.3%和55.6%。且隨著發(fā)包速率的增加，MSDRP協(xié)議中節(jié)點的丟包率上升緩慢。這說明MSDRP協(xié)議能夠有效均衡節(jié)點負載，減少數(shù)據(jù)包碰撞，提高網(wǎng)絡(luò)可靠性。

3.2.4 網(wǎng)絡(luò)時效性

源節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)和目的節(jié)點接收的數(shù)據(jù)存在時間延遲，時間延遲主要來自于數(shù)據(jù)包的傳輸延遲[18]。因此數(shù)據(jù)包的傳輸延遲是檢驗網(wǎng)絡(luò)時效性的重要指標。圖7是不同節(jié)點發(fā)包速率下，數(shù)據(jù)包傳輸延遲的變化情況。從圖7中可以看出，隨著節(jié)點發(fā)包速率的增加，RPL和EB-RPL協(xié)議的數(shù)據(jù)包傳輸延遲呈快速上升的趨勢，而MSDRP協(xié)議的數(shù)據(jù)包傳輸延遲上升趨勢較為緩慢。與RPL和EB-RPL相比，MSDRP的數(shù)據(jù)包傳輸延遲分別降低了63.5%和42.6%。這說明MSDRP協(xié)議結(jié)合節(jié)點鏈路質(zhì)量對指標權(quán)值進行調(diào)整，能夠有效提高網(wǎng)絡(luò)的時效性。

圖7 節(jié)點數(shù)據(jù)包傳輸延遲對比圖

3.3 實際測試

3.3.1 測試環(huán)境和節(jié)點參數(shù)

在面積為100 m×100 m的實驗場地上部署測試系統(tǒng)。系統(tǒng)所用節(jié)點工作頻段為2.4 GHz，節(jié)點芯片型號為CC2530，執(zhí)行 ZigBee/IEEE802.15.4標準，RAM大小為8 kbyte，支持CSMA/CA協(xié)議。實驗中將10個節(jié)點隨機部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，其中一個節(jié)點作為Sink節(jié)點與PC機相連。普通節(jié)點采集數(shù)據(jù)并逐跳發(fā)送至Sink節(jié)點，Sink節(jié)點將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機上。

3.3.2 實驗結(jié)果及結(jié)論

實際環(huán)境的測試內(nèi)容與仿真中所進行的實驗相對應(yīng)，分別對三個路由協(xié)議RPL、EB-RPL和MSDRP的網(wǎng)絡(luò)能效性、負載均衡性、可靠性和時效性進行了對比實驗。實際環(huán)境測試效果與仿真結(jié)果基本一致。進一步驗證了MSDRP能夠均衡節(jié)點能耗，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。

4 結(jié)語

針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點能耗不均衡的問題，本文提出一種基于均方差賦權(quán)法的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議MSDRP。該協(xié)議將客觀賦權(quán)法中的均方差賦權(quán)法，引入到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議當中。根據(jù)提出的節(jié)點鄰域劃分模型，限定節(jié)點的選擇區(qū)域，縮小節(jié)點的選擇范圍，減少節(jié)點的計算量。根據(jù)均方差賦權(quán)法和鄰節(jié)點指標的變化情況，

對指標權(quán)值進行動態(tài)調(diào)整。通過目標函數(shù)對節(jié)點的各項指標的標準化數(shù)據(jù)加權(quán)求和。最后選擇目標函數(shù)值最大的節(jié)點作為下一跳。該目標函數(shù)綜合考慮了節(jié)點的剩余能量、節(jié)點的距離度量、節(jié)點的鏈路質(zhì)量和節(jié)點的負載。實驗結(jié)果表明，MSDRP協(xié)議能有效延長網(wǎng)絡(luò)生命周期，均衡節(jié)點能耗。