一种能量感知型无线传感器网络跨层式通信协议

1、一种能量感知型无线传感器网络跨层式通信协议    能量感知型WSN协议重点强调高效利用能量的重要性，其设计思想主要是在WSN各层协议中引入能量优化算法，通过 本文基于这一思想，设计了一种简单可靠的跨层式通信协议ECLC(Cross-Layer Communication Proto-c0l)，仿真结果表明：ECLC协议在保障网络流量和网络效率的前提下，可以较好地改善网络的能耗特性，延长网络的生存时间。1 ECLE协议的设计目标ECLC协议首要目标是改善整个网络的能耗特性；利用路由层与MAC层之间交互各自的能量信息，因此设计目标完全以实际应用的需求和可实现

2、性为出发点。11 能耗特性网络整体能耗效率：整个网络的生存周期内，网络总能量(全部节点的初始能量之和)与整个网络采集到的数据量之比值。可表示为：其中：ein-WSN表示整个WSN的初始能量；Dwsn为WSN在整个生存期内探测到的数据;ein-i为节点i的初始能量；Di为节点i在其生存期内探测到的全部数据；n为该WSN节点的个数。该指标衡量了WSN路由协议的整体能量效率。网络能耗平稳度：在任意时刻，整个网络中所有节点剩余能量的均方误差。可表示为：其中：随机变量erem表示WSN节点的剩余能量。剩余能量均方误差衡量了整个网络能耗的平稳性，通过控制剩余能量均方误差，可防止部分节点过早耗尽能量。网络生

3、存时间：从网络开始工作到有一定数量的节点死亡。该指标主要从时间角度考察了路由协议的整体性能；在WSN的实际应用过程中，网络生存时间是很关键的指标之一。12 可扩展性与容错能力由于WSN的应用环境复杂多变，节点失效、节点位置变化、新节点的加入都会引起网络拓扑结构的变化，这就要求网络协议具有很强的扩展性。另外由于节点死亡或无线链路本身的缺点会造成通信失败等故障，因而又对协议的容错能力有较高要求。13 快速收敛性WSN的能量和通信带宽等资源十分有限，因此要求协议能够快速收敛，以适应网络拓扑的动态变化，减少通信协议开销，提高信息传输效率。14 服务质量(QoS)WSN协议的QoS主要包括传输时延、数据

4、精度、带宽利用率等指标。一旦考虑了服务质量，那么必然要在QoS和能耗特性之间选择平衡。2 ECLC协议的描述21 基本定义为了后面描述的方便，先给出以下基本定义：邻居(Vicinage)：与节点A可以直接通信的节点称为节点A的邻居。节点A的所有邻居构成它的邻域，记为VA。前向邻居(Forward Vicinage)：数据传输过程中可以成为节点A下一跳节点的邻居。节点A的所有前向邻居构成它的前向邻居集；记为FVSA。后向邻居(Backward Vicinage)：如果节点A是节点B的前向邻居，那么节点B就称为节点A的后向邻居。节点A的所有后向邻居构成它的后向邻居集，记为BVSA。目的节点(Ter

5、mini Node)：不需其他节点路由，可直接将数据包发送给Sink的节点。热度：节点建立通信链路的频繁程度。22 信道接入无线信道访问机制采用IEEE80211 CSMACA机制。需要使用信道的节点首先侦听信道是否空闲，如果信道空闲且经过一个DIFS时序间隔后仍为空闲状态，那么发送节点直接开始发送分组数据；否则发送节点一直侦听信道直至信道最终空闲下来并且超过DIFS时序间隔，此时发送节点将启动退避机制。图1描述了CSMACA机制的基本访问方式。23 链路选择当系统布设完毕进入稳定状态后，Sink节点开始 该数据包共16个字节，其各字段含义如下：NOP：用来标识采用何种协议，包括协议的名称代码

6、、版本号等信息；TID：HELLo消息的来源，因为系统中往往不止一个节点可直接向Sink发送数据；NOT：该数据包被转发的次数，Sink节点广播此消息时该字段为O，每转发一次，该字段值加1，终节点发送时此字段值为1；TRID：发出该数据包的节点ID；EREM：发出该数据包的节点的当前剩余能量；HELL0：消息内容；HOT：发送该消息的节点“热度”；0NM：用来标记每次建立路由，在一次建立路由过程中，消息编码固定，Sink节点移动位置或其他情况下需要重建路由时，修改该字段；SP：用来填补该数据包的空余，该字段值为O。当某个节点收到此消息后，完成下面动作：(1)检测数据帧，检测步骤如下：查看数据包

7、的消息代码字段，检查与上次接收到的协议编号是否相同(首次接收到判为不同)；若相同转步骤；否则转步骤； 清除邻居列表信息，重新建表；查看HELLO消息数据包的转发节点ID字段，若该节点已包括在后向邻居列表中，则丢弃该包；将转发节点ID添加到前向邻居列表。(2)发送一个名为“COUNTERSIGN”的确认消息数据包，消息格式如图3所示：该数据包共有16个字节，各字段含义如下：NOP：与HELLO消息的相应字段相同；TRID：产生并发送该消息的节点ID；COUNTERSIGN：消息内容；REIDL：该字段包含了需接收该消息的全部节点ID；SP：与HELL0消息的相应字段相同。(3)转发HELLO消息

8、，其过程为：修改转发次数字段，给其值加1；将转发节点ID、“热度”、剩余能量替换为自己的相应值；发送HELLO消息。(4)接收确认消息，修改其后向邻居表。24 建立通信链路当某个节点需要发送数据时，它在自己的前向邻居中选择一个节点作为接收点，其选择步骤如下：(1)根据前向邻居表内各个邻居的“热度”，避开比较热的节点；(2)启用功率管理算法计算最佳传输距离范围；(3)在最佳传输距离范围内选择剩余能量最大的节点作为它的下一跳。25 数据传输传感器节点产生的数据包格式如图4所示，数据包中各字段含义如下：NOP：与HELL0消息相同；REID：接收该数据包的节点ID；NOT：表示该数据包被发送的次数；

9、源节点发送时该字段值为1；TRID：发送该数据包的节点ID；DATE：数据包的内容；SP：补充数据包的空余，该字段值为0。图4数据帧格式数据包转发过程如下：(1)当某个节点接收到该数据包时，检测接收节点ID是否与自己ID一致，若不一致丢弃该包，再检测发送节点ID是否在自己的后向邻居列表中，若发送节点ID不在自己后向邻居列表中，则丢弃该包。否则接收该包并缓存。(2)数据包被缓存后，该节点将该数据包的接收节点ID字段替换为它的下一跳ID，将发送节点ID字段修改为自己的ID，然后将数据包发送出去。3 仿真分析利用OPNET仿真平台对设计的通信协议进行了仿真，在200×100的区域中，共随机

10、布设了120个节点，仿真环节的各项参数设置如表1所示。31 ECLC的能耗特性分析图5表示了AODV，DSRE，SPEED，GPSR，SPIN(MAC层采用80211协议)，ECLC六种协议在传输相同数据量的条件下的能耗特性，可以看出：与其他几种协议相比，未使用跨层交互机制时几种协议能耗特性相差较小，原因是几种协议的MAC层访问机制相同；而在开启跨层优化功能后，ECLC可以很好地避免冲突与网络拥挤，因而减少了能量浪费。图5是未开启跨层优化时各种协议的能耗比较；图6是开启跨层优化后各种协议的能耗比较。32 ECLC网络生存时间的影响在仿真路由协议对网络生存时间的影响时，选择节点死亡数目超过13的时刻作为WSN的失效时刻，即在仿真时，当死亡节点数量达到40时，表示WSN死亡。图7表示了多次仿真取算术平均值的网络生存时间比较图。从图中可以看出，ECLC可以最大限度地延长网络生存周期，这是因为ECLC协议更好地控制了所有节点能量消耗的平稳性，因而不会导致部分区域过早出现热点而引发连锁效应。4 结 语本文通过采用跨层机制来交换层间能耗信息，设计了一种简单可靠的能量感知型无线传感器网络通信协议ECL，并给出了实现过程。在理论分析的基础上，用OPNET仿真平