一種能量感知型無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )跨層式通信協(xié)議

摘 要：結合無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )面向應用的實(shí)際需求，提出一種新穎的能量感知型無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )跨層協(xié)議ECLC，并給出了實(shí)現過(guò)程和仿真結果?；谥攸c(diǎn)關(guān)注熱點(diǎn)能耗的策略，綜合WSN在能量高效、可擴展性、服務(wù)質(zhì)量等方面的不同要求，設計了簡(jiǎn)單可靠、易于實(shí)現的跨層式WSN網(wǎng)絡(luò )協(xié)議。仿真結果表明：ECLC協(xié)議在傳感器網(wǎng)絡(luò )系統層面較好地改善能量消耗的有效性和均衡性，因而避免了網(wǎng)絡(luò )中熱點(diǎn)的過(guò)早出現，延長(cháng)了整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的生存期。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )；跨層協(xié)議；能量高效；熱點(diǎn)

0 引 言
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(Wireless Sensor Networks，WSN)是一種特殊的無(wú)線(xiàn)自組織通信網(wǎng)絡(luò )。其區別于傳統無(wú)線(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)包括：節點(diǎn)數量特別巨大、節點(diǎn)硬件功能簡(jiǎn)單、應用場(chǎng)境復雜、各種資源受限等。能量資源受限是WSN主要的瓶頸之一。
能量感知型WSN協(xié)議重點(diǎn)強調高效利用能量的重要性，其設計思想主要是在WSN各層協(xié)議中引入能量?jì)?yōu)化算法，通過(guò)控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的能耗平穩性和高效性，從而達到在系統層面上改善傳感器網(wǎng)絡(luò )能耗特性、減少傳感器網(wǎng)絡(luò )的熱點(diǎn)并延長(cháng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的生存周期的目的。為了解決能耗問(wèn)題，研究者提出了眾多的解決途徑，文獻[2]提出的SPEED協(xié)議采用基于位置的思想，提供擁塞控制和軟實(shí)時(shí)保障，從而降低通信沖突；文獻[3]提出的SPIN協(xié)議則是利用基于數據的思想，通過(guò)引入抽象的元數據概念避免資源的盲目利用；Shah RC等人則直接設計了基于能量?jì)?yōu)化的路由協(xié)議。然而后續研究表明，在網(wǎng)絡(luò )某一層單獨引入能量?jì)?yōu)化策略的效果并不明顯，并且可能會(huì )惡化其他層的能耗特性?？鐚觾?yōu)化思想利用網(wǎng)絡(luò )各層信息的有機交互，可以避免各層獨立優(yōu)化時(shí)引起的層間干擾。
本文基于這一思想，設計了一種簡(jiǎn)單可靠的跨層式通信協(xié)議ECLC(Cross-Layer Communication Proto-c0l)，仿真結果表明：ECLC協(xié)議在保障網(wǎng)絡(luò )流量和網(wǎng)絡(luò )效率的前提下，可以較好地改善網(wǎng)絡(luò )的能耗特性，延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )的生存時(shí)間。

1 ECLE協(xié)議的設計目標
ECLC協(xié)議首要目標是改善整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的能耗特性；利用路由層與MAC層之間交互各自的能量信息，因此設計目標完全以實(shí)際應用的需求和可實(shí)現性為出發(fā)點(diǎn)。
1．1 能耗特性
網(wǎng)絡(luò )整體能耗效率：整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的生存周期內，網(wǎng)絡(luò )總能量(全部節點(diǎn)的初始能量之和)與整個(gè)網(wǎng)絡(luò )采集到的數據量之比值?？杀硎緸椋?/p>

其中：ein-WSN表示整個(gè)WSN的初始能量；Dwsn為WSN在整個(gè)生存期內探測到的數據;ein-i為節點(diǎn)i的初始能量；Di為節點(diǎn)i在其生存期內探測到的全部數據；n為該WSN節點(diǎn)的個(gè)數。該指標衡量了WSN路由協(xié)議的整體能量效率。
網(wǎng)絡(luò )能耗平穩度：在任意時(shí)刻，整個(gè)網(wǎng)絡(luò )中所有節點(diǎn)剩余能量的均方誤差?？杀硎緸椋?/p>

其中：隨機變量erem表示W(wǎng)SN節點(diǎn)的剩余能量。剩余能量均方誤差衡量了整個(gè)網(wǎng)絡(luò )能耗的平穩性，通過(guò)控制剩余能量均方誤差，可防止部分節點(diǎn)過(guò)早耗盡能量。
網(wǎng)絡(luò )生存時(shí)間：從網(wǎng)絡(luò )開(kāi)始工作到有一定數量的節點(diǎn)死亡。該指標主要從時(shí)間角度考察了路由協(xié)議的整體性能；在WSN的實(shí)際應用過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò )生存時(shí)間是很關(guān)鍵的指標之一。
1．2 可擴展性與容錯能力
由于WSN的應用環(huán)境復雜多變，節點(diǎn)失效、節點(diǎn)位置變化、新節點(diǎn)的加入都會(huì )引起網(wǎng)絡(luò )拓撲結構的變化，這就要求網(wǎng)絡(luò )協(xié)議具有很強的擴展性。另外由于節點(diǎn)死亡或無(wú)線(xiàn)鏈路本身的缺點(diǎn)會(huì )造成通信失敗等故障，因而又對協(xié)議的容錯能力有較高要求。
1．3 快速收斂性
WSN的能量和通信帶寬等資源十分有限，因此要求協(xié)議能夠快速收斂，以適應網(wǎng)絡(luò )拓撲的動(dòng)態(tài)變化，減少通信協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)，提高信息傳輸效率。
1．4 服務(wù)質(zhì)量(QoS)
WSN協(xié)議的QoS主要包括傳輸時(shí)延、數據精度、帶寬利用率等指標。一旦考慮了服務(wù)質(zhì)量，那么必然要在QoS和能耗特性之間選擇平衡。

2 ECLC協(xié)議的描述
2．1 基本定義
為了后面描述的方便，先給出以下基本定義：鄰居(Vicinage)：與節點(diǎn)A可以直接通信的節點(diǎn)稱(chēng)為節點(diǎn)A的鄰居。節點(diǎn)A的所有鄰居構成它的鄰域，記為VA。