基于語義尋址的綠色無線網(wǎng)絡(luò)路由的研究

姜 晶

(1.徐州開放大學(xué),江蘇 徐州 221116;2.鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 451150)

0 引 言

無線傳感網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks, WSNs)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化系統(tǒng)[1]。然而，部分資源限制阻礙了WSNs的應(yīng)用發(fā)展，如嚴(yán)格的功率限制和有限的網(wǎng)絡(luò)資源，特別是在部署大型WSNs時，存在較多的挑戰(zhàn)[2]，例如，能量效率、路由、不可靠的通信鏈路。

如何有效地使用節(jié)點(diǎn)能量是WSNs的一項基本挑戰(zhàn)技術(shù)。然而，現(xiàn)存的多數(shù)方案只是著眼于如何提高節(jié)點(diǎn)的能量利用率。而文獻(xiàn)[3-4]考慮了能量采集技術(shù)。事實(shí)上，基于能量采集(Energy Harvesting)的WSNs(EH-WSNs)也稱為綠色網(wǎng)絡(luò)。由于不依賴于電池或其他有限的功率源，EH-WSNs受到廣泛關(guān)注。

除了能量之外，如何克服WSNs的物理限制也是WSNs一項挑戰(zhàn)技術(shù)，如喚醒無線電(Wake-Up Radios, WUR)[5-6]。在WUR中，只有節(jié)點(diǎn)接收到喚醒序列后，節(jié)點(diǎn)才會喚醒。在這種方式下，僅當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要傳輸或接收數(shù)據(jù)包時，節(jié)點(diǎn)才打開它的收發(fā)器，而其他時間節(jié)點(diǎn)就關(guān)閉收發(fā)器。通過這種方式，節(jié)省節(jié)點(diǎn)能量。

此外，WUR還具有另一特性：語義尋址(Semantic Addressing)。通過允許設(shè)備有選擇性地喚醒鄰居設(shè)備，語義尋址可提高了網(wǎng)絡(luò)性能，如能量利用率。

為此，結(jié)合WUR技術(shù)和能量收集，提出能量感知的交叉層路由(Routing based on Semantic Addressing, RBSA)。RBSA路由利用語義尋址選擇下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。每個設(shè)備有兩個喚醒地址。第一個地址是基于它離信宿的跳數(shù)和通往信宿路徑的能量估計；第二個地址就是節(jié)點(diǎn)ID號。最后，通過實(shí)驗仿真，分析RBSA路由性能，并與能量采集浪費(fèi)感知(Energy Harvest Wastage-Aware, EHWA)路由[7]進(jìn)行比較。實(shí)驗數(shù)據(jù)表明，RBSA路由的數(shù)據(jù)包傳遞率提高了近28%，傳輸時延降低了35%、總體能量消耗降低了近50%。

1 RBSA路由

RBSA路由是一個交叉路由協(xié)議。當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要傳輸數(shù)據(jù)時，先接入信道，再選擇下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。而RBSA路由是依據(jù)離信宿跳數(shù)和可用能量選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。

1.1 喚醒地址

(1)

其中ei表示節(jié)點(diǎn)i的可用能量。為了簡化能量表述，對節(jié)點(diǎn)能量進(jìn)行離散化，即ei∈{0,…,k}。

為了更好地理解，以圖1為例進(jìn)行分析。節(jié)點(diǎn)i離信實(shí)共有l(wèi)跳距?？杉俣ü?jié)點(diǎn)i通往信宿的路徑上共有l(wèi)個節(jié)點(diǎn)，且分別表示為j1,j2,…,jl-1。從圖1可知，j1是離信宿最近的節(jié)點(diǎn)，且離信宿距離為1跳，而jl-1是離信宿最遠(yuǎn)，且離節(jié)點(diǎn)i最近的節(jié)點(diǎn)。

圖1 連接信宿的路徑

(2)

1.2 數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)

當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要向信宿傳輸數(shù)據(jù)包時，它首先向它的鄰居節(jié)點(diǎn)傳輸Wake-Up序列。具體而言，節(jié)點(diǎn)i需向信宿傳輸數(shù)據(jù)包，則它就向信實(shí)信宿傳輸Wake-Up序列ω=ωl-1ωεl-1，其中l(wèi)表示節(jié)點(diǎn)i離信宿的跳數(shù)，而εl-1表示路徑的能量。即節(jié)點(diǎn)先選擇能量最高的路由傳輸數(shù)據(jù)包。為此，節(jié)點(diǎn)i將ωεl-1設(shè)定為ωεl-1=k。

圖集示意圖

一旦接收Wake-Up序列，節(jié)點(diǎn)就自己的WUR與接收的序列進(jìn)行配對，如果不相符，就不理睬，繼續(xù)關(guān)閉無線電。反之，就打開無線電，喚醒并準(zhǔn)備接收RTS包。

然后，節(jié)點(diǎn)i就傳輸請求包RTS。若接收了RTS包，節(jié)點(diǎn)就設(shè)置定時器，定時時間T反比于它的能量。具體而言，假定節(jié)點(diǎn)j接收了來自節(jié)點(diǎn)i發(fā)送的RTS包，則節(jié)點(diǎn)j的定時時間Tj：

(3)

其中Tmin表示最小的定時間隔，而ej表示節(jié)點(diǎn)j的剩余能量。rand為隨機(jī)數(shù)?！浮?表示向下限取整。之所以加入隨機(jī)數(shù)，是為了避免能量相同的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)致定時時間相同的情況。

圖3 RTS和CTS包的傳輸過程示例

圖3、圖4分別表示發(fā)送節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)i)、接收節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)j)處理數(shù)據(jù)包的流程。

圖4 發(fā)送節(jié)點(diǎn)的操作

圖5 接收節(jié)點(diǎn)的操作

2 性能分析

2.1 仿真環(huán)境

選擇開源的仿真軟件Green-Castalia[8]建立仿真平臺，其考慮WSNs能量相關(guān)的因素[9]。Castalia是面向WSN的低能耗的嵌入設(shè)備的仿真器，它是基于OMNeT++平臺，并模擬了傳感節(jié)點(diǎn)真實(shí)行為的仿真器。

同時，假定64個節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布于224×56 m2網(wǎng)格區(qū)域，且每個網(wǎng)格大小為16×4。信宿位于仿真區(qū)域的左下角。

此外，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)能夠從環(huán)境中收集能量，如風(fēng)能或太陽能量。同時，引用文獻(xiàn)[10]的能量采集數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)將采集的能量存儲于超級電容中，且最大操作電壓為2.3伏，電容為50F[11]。

每個節(jié)點(diǎn)具有溫度感測能力，感測耗時為171 ms，能量消耗為3 mJ[12]。傳感節(jié)點(diǎn)對溫度測量的動作服從泊松過程(傳感節(jié)點(diǎn)并不是一直感測溫度)，且數(shù)據(jù)包產(chǎn)生間隔時間在1～120 s內(nèi)變化。在仿真中，隨機(jī)選擇某一個節(jié)點(diǎn)作為源節(jié)點(diǎn)，由它向信宿傳輸數(shù)據(jù)。且數(shù)據(jù)包大小為58字節(jié)，信道數(shù)據(jù)傳輸率為250 Kbps。此外，收發(fā)器的傳輸距離為60 m，傳輸功率為-2 dBm。仿真時間為4天。

為了更好地分析RBSA的性能，選擇文獻(xiàn)[7]所提出的EHWA路由作為參照，并對比分析它們的性能，主要包括數(shù)據(jù)包傳遞率、傳輸時延、跳數(shù)和能量消耗。其中，數(shù)據(jù)包傳遞率是指成功傳輸至信宿的數(shù)據(jù)包數(shù)占總的數(shù)據(jù)包的比例。而傳輸時延是指傳輸?shù)揭粋€數(shù)據(jù)包到信宿的時間，跳數(shù)是指通往信宿路徑的跳數(shù)。能量消耗是指仿真結(jié)束后，節(jié)點(diǎn)所消耗的能量。

2.2 數(shù)據(jù)包傳遞率

首先分析數(shù)據(jù)包產(chǎn)生間隔時間對EHWA和RBSA路由的數(shù)據(jù)包傳遞率的影響。間隔時間反映了流量。時間越短，單位時間內(nèi)的流量就越大。同時，分析了節(jié)點(diǎn)收集風(fēng)能和太陽能兩類情況。實(shí)驗數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)包傳遞率

從圖5可知，RBSA路由的數(shù)據(jù)包傳遞率明顯優(yōu)于EHWA，并且RBSA路由在間隔時間變化期間，數(shù)據(jù)包傳遞率大于92%。即使在最大的流量環(huán)境(間隔時間為1 s)，RBSA路由的數(shù)據(jù)包傳遞率比EHWA路由提高了近28%。此外，注意到，EHWA路由的數(shù)據(jù)包傳遞率隨流量增加而下降，而RBSA路由具有較穩(wěn)定的數(shù)據(jù)包傳遞率性能。原因在于：RBSA路由資源消耗較少，優(yōu)先選擇能量高的路徑傳輸數(shù)據(jù)包。

2.3 路徑跳數(shù)

圖7顯示了平均傳輸一個數(shù)據(jù)包至信宿所需路徑跳數(shù)，且與圖5類似，節(jié)點(diǎn)可采集風(fēng)能或太陽能。

圖7 平均路徑跳數(shù)

從圖6可知，RBSA路由的路徑跳數(shù)短于EHWA路由。RBSA路由約需3跳將數(shù)據(jù)傳輸至信宿，而EHWA路由需要平均5跳才能成功傳輸數(shù)據(jù)。并且流量越大，跳數(shù)也越多。原因在于：RBSA路由盡量選擇離信宿更近的節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)包，即跳數(shù)越小的節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)包。同時，考慮路徑能量，優(yōu)先選擇能量高的路徑傳輸數(shù)據(jù)，降低了因節(jié)點(diǎn)能量耗盡而路徑斷裂的情況，進(jìn)而避免重傳。

2.4 傳輸時延

本次實(shí)驗分析了平均傳輸時延隨流量變化情況，實(shí)驗數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 傳輸時延

從圖7可知，不論流量大小和能量源(太陽能或風(fēng)能)的不同，EHWA路由的傳輸時延比RBSA路由的傳輸時延提高近50%。主要原因在于，EHWA路由選擇的路由路徑更長。路徑越長，路徑斷裂的概率越大，重傳率就越高，一旦需要重傳必然大幅度地增加傳輸時延。此外，觀察圖7不難發(fā)現(xiàn)，流量大的增加，降低了傳輸時延。

2.5 能量消耗

最后，分析RBSA路由和EHWA路由的能量消耗情況，實(shí)驗數(shù)據(jù)如圖9所示。

圖9 能量消耗

從圖8可知，盡管RBSA路由具有高的數(shù)據(jù)包傳遞率，但是它的能量消耗仍低于EHWA路由。原因在于：EHWA路由產(chǎn)生較多的控制包。注意到，在最大流量時，EHWA路由的能量消耗比RBSA路由提高了近60%。此外，發(fā)現(xiàn)RBSA路由在太陽能環(huán)境下的能量消耗低于風(fēng)能環(huán)境下的能量消耗。但是，RBSA路由的能量消耗并不隨能量源變化。在風(fēng)能和太陽能這兩能源下，RBSA路由的能源消耗相近。換而言之，觀察圖6至圖8，能量源對RBSA路由性能影響并不大。

3 結(jié) 語

基于綠色無線傳感網(wǎng)絡(luò)，提出RBSA路由。RBSA路由結(jié)合了喚醒無線電和能量收集特性，并利用語義尋找擇優(yōu)選擇離信宿距離 短和能量大的路由傳輸數(shù)據(jù)。同時，利用Green-Castalia軟件進(jìn)行實(shí)驗仿真。實(shí)驗數(shù)據(jù)表明，提出的RBSA路由的數(shù)據(jù)包傳遞率、傳輸時延和能量消耗性能均優(yōu)于EHWA路由。