一種低能耗無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)QoS路由協(xié)議.doc

精品論文推薦一種低能耗無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) qos 路由協(xié)議郭琳，李臘元 武漢理工大學(xué)，湖北武漢（430063） e-mail：tommy_摘要：為了解決無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量瓶頸和qos保障問(wèn)題,本文提出了一種新的協(xié)議mec路由協(xié)議。該協(xié)議通過(guò)記錄鄰居節(jié)點(diǎn)到sink節(jié)點(diǎn)的最短路徑信息建立到sink節(jié)點(diǎn)的多 條路徑,并根據(jù)信息包的qos要求和節(jié)點(diǎn)剩余能量選擇合適的路徑進(jìn)行路由。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)與sar協(xié)議比較,結(jié)果表明該路由協(xié)議在提高網(wǎng)絡(luò)生存期及提供qos服務(wù)方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。關(guān)鍵詞:無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，qos，路由協(xié)議，最短路徑，ns2，仿真1引言無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種由大量部署在觀測(cè)環(huán)境中的微型廉價(jià)低功耗的傳感器節(jié)點(diǎn)形成 的無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。它部署靈活,節(jié)點(diǎn)靠近目標(biāo),可實(shí)現(xiàn)高精度感知,支持多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)聚合 ( data aggregation)。它基本上是一種“以數(shù)量換質(zhì)量”,多用戶多任務(wù)并發(fā)操作的網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線 傳感器網(wǎng)絡(luò)有廣泛應(yīng)用潛力,是當(dāng)前計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。目前很多無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃蕴岢隽溯^高的要求，因此無(wú)線傳感器 網(wǎng)絡(luò)的可靠性研究顯得日趨重要。然而，與其它無(wú)線網(wǎng)絡(luò)不同，由于傳感器節(jié)點(diǎn)能量的限制 和工作環(huán)境的惡劣影響常常導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)失效，從而為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性路由協(xié)議的研究提 出了新的挑戰(zhàn)。2問(wèn)題的提出無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要有如下幾個(gè)主要特點(diǎn)2, 3：(1) 資源嚴(yán)重受限.(2) 以數(shù)據(jù)為中心、非端到端的通信模式. (3) 數(shù)據(jù)高度冗余,流量非均勻分布.(4) 多用戶、多任務(wù)的并發(fā)操作,多類別數(shù)據(jù)流量.針對(duì)上述特點(diǎn)，可靠性路由的設(shè)計(jì)通常主要采用兩種策略：一是利用節(jié)點(diǎn)配置的冗余性， 路徑上采用具有最佳配置的節(jié)點(diǎn)來(lái)保證通信的可靠性(如具有最大剩余能量的節(jié)點(diǎn))；二是建 立對(duì)每跳傳輸可靠性的評(píng)估機(jī)制，從而保證整個(gè)路由傳輸?shù)目煽啃?，如采用多徑路由方式。有序分配路?sequential assignment routing,sar)是第一個(gè)面向傳感器網(wǎng)絡(luò)提供qos 保障的路由協(xié)議4, 5. 它是一種表驅(qū)動(dòng)的路由協(xié)議,目標(biāo)是提高效能和容錯(cuò)能力。它在確定 路由樹(shù)時(shí),同時(shí)考慮qos質(zhì)量、路徑上的能量資源和每一個(gè)數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級(jí)。為了避免單條路 徑路由失敗, sar 使用了多條路徑方式和路徑存儲(chǔ)機(jī)制,建立了從源點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的多條路 徑,在建立路徑樹(shù)時(shí)會(huì)避免低能量或低qos保障的節(jié)點(diǎn)。sar 增強(qiáng)了能效和容錯(cuò)能力,但同時(shí)它也增加了路由表和狀態(tài)表的維護(hù)開(kāi)銷。所以,當(dāng)應(yīng)用于大規(guī)模的傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)，這種路由協(xié)議就顯出了相對(duì)的不足。擬以最大化網(wǎng)絡(luò)生存期為目標(biāo) , 本文提出了可同時(shí)支持實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)和非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的 mec( minimum energy consumption) 路由協(xié)議 。該協(xié)議以時(shí)延和路徑節(jié)點(diǎn)剩余能量作為 qos度量來(lái)選擇最優(yōu)路徑傳輸數(shù)據(jù)。-4-3mec路由協(xié)議的描述在mec協(xié)議中，假定網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)均勻分布, 用所經(jīng)過(guò)的跳數(shù)來(lái)估計(jì)傳輸延遲。在初 始化階段,協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)中建立最小路徑集srs(shortest routing set)并沿著srs的方向收集保 存路徑節(jié)點(diǎn)剩余能量re( rest energy)信息,傳感節(jié)點(diǎn)不需要保存十分耗損能量的路由表,只 需要保存鄰居節(jié)點(diǎn)信息,就可以建立到sink節(jié)點(diǎn)的多條優(yōu)化路徑。傳感節(jié)點(diǎn)在構(gòu)造信息包時(shí) 加入相應(yīng)的qos參數(shù),然后選擇滿足qos要求且節(jié)點(diǎn)剩余能量較大的路徑進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。3.1 mec協(xié)議路徑尋找過(guò)程假設(shè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的局部節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，初始時(shí)設(shè)置sink節(jié)點(diǎn)的最短 路徑集srs(shortest routing set)為0,置其他所有節(jié)點(diǎn)的srs為無(wú)窮大。然后sink節(jié)點(diǎn)向其所 有鄰居節(jié)點(diǎn)洪泛一個(gè)路徑尋找消息,該消息中也有一個(gè)srs值，并置其值為0;鄰居節(jié)點(diǎn)收到 srs消息后,將自己的srs置為0 + 1 = 1,并生成一個(gè)當(dāng)前srs為1、sender為節(jié)點(diǎn)本身的新消息 向它的鄰居節(jié)點(diǎn)廣播。當(dāng)節(jié)點(diǎn)vj 收到由節(jié)點(diǎn)vi 發(fā)送的消息后做如下處理:(1)若節(jié)點(diǎn)vi不在節(jié)點(diǎn)vj 的鄰居節(jié)點(diǎn)列表中,則把vi節(jié)點(diǎn)加入其中,并記錄節(jié)點(diǎn)vj 的最 短路徑集srs(shortest routing set)值,然后執(zhí)行(2); 否則,取列表中vi原srs值和消息的當(dāng)前 srs值中較小者作為節(jié)點(diǎn)vi 的srs,然后執(zhí)行(2) 。(2)如果消息的當(dāng)前srs + 1小于節(jié)點(diǎn)vj 的srs,則置節(jié)點(diǎn)vj 的srs 等于消息的當(dāng)前srs + 1,然后執(zhí)行(3);若消息的當(dāng)前srs + 1大于或等于節(jié)點(diǎn)vj 的srs,則結(jié)束退出。(3)節(jié)點(diǎn)vj 向其鄰居節(jié)點(diǎn)廣播新消息,設(shè)置消息當(dāng)前srs為節(jié)點(diǎn)vj 的新srs值, sender為 節(jié)點(diǎn)vj。上述尋址過(guò)程結(jié)束后，各節(jié)點(diǎn)的srs值及其鄰居節(jié)點(diǎn)列表如圖1(b)所示。圖 1 mec 協(xié)議路徑尋找過(guò)程： (a) 尋找路徑之前各節(jié)點(diǎn)路徑信息的初始值；(b) 尋找路徑之后各節(jié)點(diǎn)鄰居 節(jié)點(diǎn)列表中的信息。3.2 收集節(jié)點(diǎn)能量信息尋找完最短路徑集之后, 需要在鄰居節(jié)點(diǎn)列表中增加一列用于存放每條路徑上各節(jié)點(diǎn) 的剩余能量（rest energy)之和, 由sink節(jié)點(diǎn)發(fā)起,沿已經(jīng)建立的最短路徑方向收集保存re信息。初始時(shí),置所有節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)列表中鄰居節(jié)點(diǎn)的路徑re為0,然后sink節(jié)點(diǎn)構(gòu)造re消息并沿上面建立的最短路徑方向傳播, re消息包含消息標(biāo)志、當(dāng)前最短路徑、當(dāng)前re、sender組成, 所有收到該消息的節(jié)點(diǎn)更新鄰居節(jié)點(diǎn)列表中鄰居節(jié)點(diǎn)的路徑re信息。節(jié)點(diǎn)vi 接收到來(lái)自節(jié)點(diǎn)vj 的包含當(dāng)前路徑信息的re消息后，vi 首先判斷re消息的當(dāng) 前srs是否等于它的鄰居列表中vj 的srs,若相等,說(shuō)明該re消息是沿著從sink節(jié)點(diǎn)到vj最 短路徑更新而來(lái)的，可以更新vi 的鄰居節(jié)點(diǎn)列表。在更新鄰居節(jié)點(diǎn)列表時(shí)，為保證vj 記錄 的re是到sink節(jié)點(diǎn)的能量最優(yōu)路徑的re,在節(jié)點(diǎn)vi接收到第一個(gè)來(lái)自vj 的且具備更新條件 的pre消息時(shí),不是生成新的re消息向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播新消息，而是等待一個(gè)時(shí)隙t，在這個(gè)時(shí) 隙內(nèi)，vi收集自vj的且具備更新條件的re信息并置鄰居節(jié)點(diǎn)列表中的re為其中的最大值。 時(shí)隙t 結(jié)束后，vi生成新的包含當(dāng)前路徑信息的pre消息向其所有鄰居節(jié)點(diǎn)廣播。在這個(gè)過(guò) 程中,每個(gè)節(jié)點(diǎn)只廣播一次re消息，有效減少網(wǎng)絡(luò)中消息的洪泛數(shù)量，節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)的能量。3.3 協(xié)議的qos保障為了滿足實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)和非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)對(duì)qos的不同要求，本協(xié)議采取不同的路徑選擇策略。 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)沿著路徑中剩余節(jié)點(diǎn)能量最大的路徑向sink節(jié)點(diǎn)傳送。非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)沿著剩余節(jié)點(diǎn)能 量較大但路徑最短的路徑向sink節(jié)點(diǎn)傳送。這種策略既保證了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)要求,又保證 了非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的吞吐量。mec協(xié)議采用一種按照優(yōu)先級(jí)調(diào)度的策略:在信息包排隊(duì)時(shí),高優(yōu)先級(jí)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)優(yōu)先 得到調(diào)度。為了避免非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的較長(zhǎng)時(shí)間等待,協(xié)議設(shè)定一個(gè)非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等待時(shí)限tw，在 等待時(shí)限tw內(nèi),信息包必須受到調(diào)度。4協(xié)議的仿真試驗(yàn)協(xié)議通過(guò)網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)和sar協(xié)議進(jìn)行了比較。仿真工具采用ns2,網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積500500m2 ,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)設(shè)置為50,設(shè)置節(jié)點(diǎn)的傳輸距離為60m。實(shí)驗(yàn)采用的傳輸信道數(shù)據(jù)傳輸 率為200kb、出錯(cuò)率為0、信道延遲為0.5s,數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度為128bit。實(shí)驗(yàn)中,從第2 s開(kāi)始,每隔2 s, 網(wǎng)絡(luò)都有30個(gè)隨機(jī)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造信息包向sink節(jié)點(diǎn)發(fā)送。初始時(shí)設(shè)定,所有節(jié)點(diǎn)的初始能量為1000個(gè)能量單位,接收一個(gè)初始化消息消耗1個(gè)單位能量,發(fā)送一個(gè)初始化消息消耗2個(gè)單位能 量,接收一個(gè)信息包消耗2個(gè)能量單位,發(fā)送一個(gè)信息包消耗4個(gè)能量單位。隨著時(shí)間的推移， 兩種協(xié)議的能量消耗如圖2所示，其中上面的紅色曲線代表sar協(xié)議的能量消耗，下面的綠 色曲線代表mec協(xié)議的能量消耗；隨著sink節(jié)點(diǎn)接受到數(shù)據(jù)包數(shù)量的增多，兩種協(xié)議的平均 時(shí)延如表1所示。圖 2 兩種協(xié)議的能量消耗比較模擬試驗(yàn)曲線圖（紅色代表 sar 協(xié)議，綠色代表 mec 協(xié)議）表 1 兩種協(xié)議在傳輸數(shù)據(jù)過(guò)程中的時(shí)延數(shù)據(jù)比較接受數(shù)據(jù)包數(shù)量sar 時(shí)延emc 時(shí)延503.46s3.11s1003.67s3.31s2003.86s3.44s5004.11s3.68s5總結(jié)mec協(xié)議有效地解決了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中能量消耗和qos服務(wù)問(wèn)題，該協(xié)議能夠針對(duì)實(shí) 時(shí)業(yè)務(wù)和非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的不同要求，選取最適合的路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此協(xié)議 比sar協(xié)議在能量損耗和提供qos服務(wù)方面表現(xiàn)出更好的性能。參考文獻(xiàn)1 孫利民,李建中,陳渝,等.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)m.北京:清華大學(xué)出版社,2005.2 李建中,李金寶,石圣飛.傳感器網(wǎng)絡(luò)及其數(shù)據(jù)管理的概念、問(wèn)題與進(jìn)展j.軟件學(xué)報(bào), 2003,14(10):1717 -1727.3 楊少軍,史浩山,陳敏. 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)qos路由的研究與仿真j. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào)2005, 18(3):455 - 459.4 chen s. routing support for providing guaranteed end-to-end quality-of-service d.phd thesis, university of illino, 1999.5 sohrabik, gao j,alawadhiv. protocols for self-organization of a wireless sensor network:j.ieee personal communications, 2000, 7(5):16-27.energy efficiency qos routing protocol for wireless sensor networksguo lin, li layuanwuhan university of technology, wuhan, china (430063)abstractin order to solve the wireless sensor networks energy bottlenecks and qos requirement issues, thispaper presents a new routing protocol mec. it set up several paths by record the information of shortest path from neighbor nodes to sink node, and choose a suitable path for routing to send messages according to the qos requirement and rest energy. after simulation with ns2 and compa