基于位置感知和代理的WSN多徑路由方案

湯 震，藺 莉

(黃淮學(xué)院 信息工程學(xué)院，河南 駐馬店 463000)

基于位置感知和代理的WSN多徑路由方案

湯 震，藺 莉

(黃淮學(xué)院 信息工程學(xué)院，河南 駐馬店 463000)

針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)中多徑路由的可靠性和能量效率問(wèn)題，提出了一種基于代理和位置感知的多徑路由發(fā)現(xiàn)方案(LABMR)。事件節(jié)點(diǎn)根據(jù)位置信息，動(dòng)態(tài)尋找其到Sink節(jié)點(diǎn)之間的特殊中間節(jié)點(diǎn)，來(lái)構(gòu)建多徑路由。利用移動(dòng)代理來(lái)收集多徑路由的局部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息，Sink節(jié)點(diǎn)根據(jù)代理收集的路由參數(shù)來(lái)計(jì)算路徑權(quán)值，以此選擇最優(yōu)不相交路徑。同時(shí)，對(duì)于信息的重要性差異，Sink節(jié)點(diǎn)選擇單條或多條路徑來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，在保證傳輸可靠性的同時(shí)減少能耗。與現(xiàn)有的基于代理的多徑路由(ABMR)方法相比，LABMP在數(shù)據(jù)包投遞率、能量消耗、額外開(kāi)銷和延遲方面具有更好的性能。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；多徑路由；網(wǎng)絡(luò)代理；位置感知

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)是由多個(gè)靜態(tài)傳感器組成，通過(guò)無(wú)線介質(zhì)連接，執(zhí)行物理世界的分布式感知、數(shù)據(jù)處理和決策[1]。在傳統(tǒng)的WSN中，傳感器節(jié)點(diǎn)周期性地收集數(shù)據(jù)，并通過(guò)使用多跳通信方式報(bào)告給Sink節(jié)點(diǎn)。使用傳統(tǒng)數(shù)據(jù)收集和處理方法可能會(huì)導(dǎo)致一些額外能量消耗、冗余的數(shù)據(jù)傳輸、增加延遲和帶寬開(kāi)銷等現(xiàn)象。WSN的關(guān)鍵問(wèn)題是網(wǎng)絡(luò)的生命周期和傳輸可靠性，這主要是依賴于傳感器節(jié)點(diǎn)的能量和通信機(jī)制[2]。

由于WSN中節(jié)點(diǎn)資源異構(gòu)性、通信鏈路不對(duì)稱等因素，導(dǎo)致數(shù)據(jù)鏈路容易發(fā)生斷裂。為了保證可靠的數(shù)據(jù)傳輸，多徑路由機(jī)制被廣泛應(yīng)用，其利用數(shù)據(jù)鏈路冗余方式傳輸數(shù)據(jù)，有效地提高了通信可靠性[3]。

1 相關(guān)工作

文獻(xiàn)[4]描述了一種基于代理的多徑路由(Agent Based Multipath Routing，ABMR)發(fā)現(xiàn)方案。ABMR考慮了傳感器節(jié)點(diǎn)的一些參數(shù)，如剩余能量、距離、信道可靠性來(lái)計(jì)算從源節(jié)點(diǎn)到Sink節(jié)點(diǎn)的多徑路由。從源節(jié)點(diǎn)觸發(fā)移動(dòng)代理，在傳感參數(shù)的基礎(chǔ)上，在網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)直到到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的移動(dòng)代理都會(huì)移動(dòng)到鄰居節(jié)點(diǎn)來(lái)收集信息，用來(lái)在鄰居節(jié)點(diǎn)中選擇出最好的節(jié)點(diǎn)。一旦從鄰居中選擇出了最好節(jié)點(diǎn)，則這個(gè)最好鄰居節(jié)點(diǎn)觸發(fā)自身的移動(dòng)代理到它的鄰居，重復(fù)執(zhí)行上述任務(wù)，選擇最佳節(jié)點(diǎn)直到到達(dá)Sink節(jié)點(diǎn)。Sink節(jié)點(diǎn)根據(jù)代理帶來(lái)的路徑信息來(lái)計(jì)算多徑路由。然而其存在著一些缺陷，要計(jì)算多徑路由，源節(jié)點(diǎn)需要同時(shí)發(fā)出多個(gè)代理，ABMR中的代理從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的過(guò)程中，要收集很多節(jié)點(diǎn)的信息，幾乎遍歷了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。這就導(dǎo)致大量的額外能量消耗。

對(duì)于一些現(xiàn)有的多徑路由技術(shù)存在的缺點(diǎn)，如在路徑發(fā)現(xiàn)和路徑建立過(guò)程中缺乏智能，中繼節(jié)點(diǎn)選擇機(jī)制的靈活性較小，計(jì)算多徑路由的能量消耗較大，對(duì)關(guān)鍵信息的傳輸缺乏魯棒性機(jī)制等。本文提出一種基于位置感知的代理的智能多徑路由發(fā)現(xiàn)機(jī)制(Location aware and Agent Based Multipath Routing，LABMR)。利用傳感器位置信息尋找特殊中間節(jié)點(diǎn)來(lái)構(gòu)建多徑路由，并觸發(fā)代理在路徑上移動(dòng)，來(lái)收集多徑路由的局部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息，Sink節(jié)點(diǎn)根據(jù)這些信息，計(jì)算出最優(yōu)不相交路徑。并根據(jù)事件重要性，選擇一條或多條路徑傳輸數(shù)據(jù)。

提出的LABMP和ABMR的根本區(qū)別如下：1)LABMP只使用局部拓?fù)湫畔?lái)尋找從源到Sink節(jié)點(diǎn)的多條路徑；2)建立了完善的代理機(jī)構(gòu)，Sink節(jié)點(diǎn)能夠根據(jù)代理收集的信息尋找最優(yōu)路徑，可靠傳輸關(guān)鍵信息；3)使用基于GPS(全球定位系統(tǒng))的位置信息，能夠更準(zhǔn)確地計(jì)算多條路徑。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，與ABMR方法相比，LABMP在數(shù)據(jù)包投遞率、能量消耗、額外開(kāi)銷和延遲方面具有更好的性能。

傳感器節(jié)點(diǎn)位置信息的獲取是通過(guò)內(nèi)置GPS模塊實(shí)現(xiàn)。為了盡可能減少成本，本文只在少量傳感器節(jié)點(diǎn)上使用GPS定位模塊，其他節(jié)點(diǎn)通過(guò)節(jié)點(diǎn)之間的通信來(lái)估計(jì)自己的位置。相比于GPS模塊的成本，位置信息對(duì)整體網(wǎng)絡(luò)性能更具價(jià)值。

2 提出的LABMR方案

2.1 相關(guān)概念

提出的LABMP方案中的主要名詞如下：

事件節(jié)點(diǎn)(Event node)，即在事件影響區(qū)域，用來(lái)檢測(cè)事件的傳感器節(jié)點(diǎn)。事件節(jié)點(diǎn)能夠觸發(fā)到Sink節(jié)點(diǎn)的路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程。節(jié)點(diǎn)會(huì)向其他鄰居節(jié)點(diǎn)宣布自己為一個(gè)事件節(jié)點(diǎn)，防止其他節(jié)點(diǎn)去事件影響區(qū)域重復(fù)檢測(cè)事件[5]。

中點(diǎn)(Midpoint)，是連接事件節(jié)點(diǎn)和Sink節(jié)點(diǎn)直線(X軸)上的中間位置點(diǎn)。若不存在嚴(yán)格中點(diǎn)，可將離中間位置最近的節(jié)點(diǎn)為中點(diǎn)。

特殊中間節(jié)點(diǎn)(Special intermediate nodes)，在事件和Sink節(jié)點(diǎn)之間，近似位于中點(diǎn)垂直上方和下方的節(jié)點(diǎn)。

上升角度(Rising Angle)，是指事件節(jié)點(diǎn)和X軸上方的特殊中間節(jié)點(diǎn)之間的連線與X軸的角度。

下降角度(Falling angle)，是指事件節(jié)點(diǎn)和X軸下方的特殊中間節(jié)點(diǎn)之間的連線與X軸的角度。

跳數(shù)(Hop count)，是指事件節(jié)點(diǎn)到Sink節(jié)點(diǎn)路徑的中繼節(jié)點(diǎn)總數(shù)。

2.2 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境

本文中的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境如圖1所示，由多個(gè)具有數(shù)據(jù)感知能力的微小傳感器節(jié)點(diǎn)和Sink節(jié)點(diǎn)組成。當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到一個(gè)事件時(shí)，它們會(huì)將數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線多跳通信方式發(fā)送到Sink節(jié)點(diǎn)[6]。本文假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)(傳感器節(jié)點(diǎn)和Sink節(jié)點(diǎn))都是靜態(tài)的，且在初始部署階段，所有的傳感器節(jié)點(diǎn)具有相同的能量。在本文所提出的LABMP中，假設(shè)只有少量傳感器節(jié)點(diǎn)具有GPS功能，其余節(jié)點(diǎn)根據(jù)具有GPS節(jié)點(diǎn)的位置，使用定位算法來(lái)估算自己的位置，以此來(lái)降低系統(tǒng)的成本。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都具有一個(gè)代理機(jī)構(gòu)。

圖1 WSN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.3 多徑路由發(fā)現(xiàn)

2.3.1 路徑參數(shù)

本節(jié)描述了本文方案中所用到的路徑參數(shù)，包括鏈接和路徑的效率、能量比率和跳距離因子。

設(shè)C是離散信道的容量，B是信道的比特率，Ei是在鏈路i上傳輸1 bit數(shù)據(jù)消耗的總能量，SNR是信噪比。信道i的容量計(jì)算公式為[7]

Ci=Blb(1+SNR)

(1)

設(shè)定Et為1 bit數(shù)據(jù)每傳輸d距離所消耗的能量，則Ei可用下式計(jì)算

Ei=Et×d

(2)

鏈接效率(Leffi)計(jì)算公式為

(3)

路徑效率(Peff)為整條路徑上的n個(gè)鏈接效率的最低值，表達(dá)式如

Peff=min{Leff1,Leff2,…,Leffn}

(4)

路徑能量比率(Eeff)為每條從事件節(jié)點(diǎn)到Sink節(jié)點(diǎn)路徑中節(jié)點(diǎn)最小剩余能量和最大剩余能量之比。設(shè)定ER(1)到ER(n)為路徑上n個(gè)中間節(jié)點(diǎn)的剩余能量。路徑上n個(gè)節(jié)點(diǎn)的最小(ERmin)和最大(ERmax)剩余能量表達(dá)式如式(5)，式(6)所示，Eeff表達(dá)式如式(7)所示。

ERmin=min{ER(1),ER(2),…,ER(n)}

(5)

ERmax=max{ER(1),ER(2),…,ER(n)}

(6)

(7)

一條路徑的跳距離因子(Hdf)表達(dá)式如式(8)所示，其中，事件節(jié)點(diǎn)到Sink節(jié)點(diǎn)路徑的歐式距離為Pd，路徑上跳數(shù)的總和為Phc

(8)

2.3.2 局部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)

圖2顯示了從事件節(jié)點(diǎn)到Sink節(jié)點(diǎn)的多徑局部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)過(guò)程。S1和S7分別是事件節(jié)點(diǎn)和Sink節(jié)點(diǎn)。以S1和S7的直線連接為X軸，S2，S4和S6節(jié)點(diǎn)近似位于X軸上。根據(jù)GPS位置信息，設(shè)定以(xe,ye)和(xs,ys)分別作為事件節(jié)點(diǎn)和Sink節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)，根據(jù)式(9)、式(10)找出S1到S7直線上的中間位置點(diǎn)(中點(diǎn))為節(jié)點(diǎn)S4，其坐標(biāo)為(xmid,ymid)。

(9)

(10)

S11,S22：特殊中間節(jié)點(diǎn) S7：Sink節(jié)點(diǎn) ?r1～?r11:上升角度 S1：事件節(jié)點(diǎn) S2～S6：傳感器節(jié)點(diǎn) ?f1～?f11：下降角度圖2 WSN中局部多徑發(fā)現(xiàn)模型

(11)

y″mid=ymid-n×R

(12)

式中：n和R分別是中點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)度和傳輸范圍。

每個(gè)節(jié)點(diǎn)處的上升和下降的角度計(jì)算公式如

(13)

式中：θr1是上升角度，同理可得下降角度θf(wàn)1表達(dá)式為

(14)

在下面的描述中，代理會(huì)在這3條路徑上移動(dòng)只到Sink節(jié)點(diǎn)，以此來(lái)收集路徑節(jié)點(diǎn)和鄰居的參數(shù)信息，這些信息將被Sink節(jié)點(diǎn)用來(lái)構(gòu)建局部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和發(fā)現(xiàn)多路徑。

2.4 代理機(jī)構(gòu)

本文方案中，為路徑發(fā)現(xiàn)和路徑計(jì)算設(shè)置了一組靜態(tài)和動(dòng)態(tài)代理，并為普通傳感器節(jié)點(diǎn)和Sink節(jié)點(diǎn)的構(gòu)建代理機(jī)構(gòu)。本節(jié)介紹了提出的代理機(jī)構(gòu)和相應(yīng)的代理。

2.4.1 普通節(jié)點(diǎn)代理機(jī)構(gòu)

本文中普通節(jié)點(diǎn)代理機(jī)構(gòu)是由節(jié)點(diǎn)管理者代理(NMA)、路徑發(fā)現(xiàn)代理(PDA)和多徑路由知識(shí)庫(kù)(MKRB)組成，其中NMA是靜態(tài)代理，PDA是移動(dòng)代理。節(jié)點(diǎn)代理機(jī)構(gòu)和它們之間的相互作用如圖3所示。

圖3 普通節(jié)點(diǎn)代理機(jī)構(gòu)

節(jié)點(diǎn)管理者代理(NMA)：是一個(gè)靜態(tài)代理，用來(lái)檢測(cè)可有信息，如信號(hào)強(qiáng)度、傳輸范圍、剩余能量，并計(jì)算鏈路效率，最小和最大剩余能量比和跳距離等參數(shù)。當(dāng)檢測(cè)到事件時(shí)，NMA開(kāi)始根據(jù)位置信息，計(jì)算中點(diǎn)和特殊中間節(jié)點(diǎn)(SINs)。然后，NMA創(chuàng)建PDA和MKRB，使用MKRB更新路徑信息。運(yùn)行過(guò)程中，NMA會(huì)根據(jù)節(jié)點(diǎn)剩余能量，使節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠或活動(dòng)模式。NMA會(huì)和鄰居節(jié)點(diǎn)的NMA進(jìn)行交流，以此得到鄰居節(jié)點(diǎn)信息，如節(jié)點(diǎn)ID、位置，并更新MKRB。

路徑發(fā)現(xiàn)代理(PDA)：一旦檢測(cè)到事件，事件節(jié)點(diǎn)的NMA會(huì)創(chuàng)建一個(gè)事件節(jié)點(diǎn)的PDA(移動(dòng)代理)，并復(fù)制成3個(gè)。3個(gè)PDA在3條路徑上移動(dòng)，第1個(gè)PDA幾乎在X軸上移動(dòng)，直到到達(dá)Sink節(jié)點(diǎn)；第2個(gè)PDA先以上升角度移動(dòng)，到達(dá)SIN節(jié)點(diǎn)后，再以下降角度遷移，直到到達(dá)Sink節(jié)點(diǎn)。第3個(gè)PDA先以下降角度移動(dòng)，到達(dá)SIN節(jié)點(diǎn)后以上升角度遷移。最后，PADs將收集的局部拓?fù)湫畔鬟f給Sink節(jié)點(diǎn)。

多徑路由知識(shí)庫(kù)(MKRB)：是基于網(wǎng)絡(luò)路徑相關(guān)信息建立的知識(shí)庫(kù)，通過(guò)代理可以讀取和更新。它包括節(jié)點(diǎn)ID、活動(dòng)/睡眠模式、剩余能量、鄰居節(jié)點(diǎn)之間的距離、Sink節(jié)點(diǎn)ID、SINs的ID、Sink節(jié)點(diǎn)和SINs的位置信息、事件感知時(shí)間、信號(hào)強(qiáng)度、可用帶寬、自身和Sink節(jié)點(diǎn)之間的距離、上升和下降的角度等信息。它也保存著鄰居節(jié)點(diǎn)的信息，如節(jié)點(diǎn)的ID和位置信息。

2.4.2 Sink節(jié)點(diǎn)代理機(jī)構(gòu)

Sink節(jié)點(diǎn)代理機(jī)構(gòu)由Sink管理者代理(SMA)、路徑設(shè)置代理(PSA)和Sink知識(shí)庫(kù)(SKB)組成。Sink節(jié)點(diǎn)代理機(jī)構(gòu)的組成以及之間的相互作用如圖4所示。

圖4 Sink節(jié)點(diǎn)代理機(jī)構(gòu)

Sink知識(shí)庫(kù)(SKB)：是用于Sink節(jié)點(diǎn)計(jì)算路徑的信息知識(shí)庫(kù)，能夠被SMA、PDA和PSA讀取和更新。它存儲(chǔ)了與網(wǎng)絡(luò)有關(guān)的信息，包括路徑長(zhǎng)度、跳總數(shù)、剩余能量、每條路徑剩余能量的最小和最大值、可用帶寬、信道容量、到事件節(jié)點(diǎn)的可用路徑數(shù)量、路徑權(quán)重因子等。

Sink管理者代理(SMA)：是存在于Sink節(jié)點(diǎn)中的一個(gè)靜態(tài)代理，檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)信息。基于收集的信息，如剩余能量、可用帶寬、每條路徑的跳總數(shù)和路徑距離，SMA能夠計(jì)算出從Sink節(jié)點(diǎn)到事件節(jié)點(diǎn)的不相交路徑。同時(shí)計(jì)算每條路徑的路徑權(quán)重因子，根據(jù)事件的重要性，決定選擇一條或多條路徑進(jìn)行傳輸。根據(jù)路徑權(quán)重因子決定路徑的優(yōu)先級(jí)，如果事件是重要的，則選擇出多條路徑，并使PSAs在這些路徑上移動(dòng)到事件節(jié)點(diǎn)。為了減少開(kāi)銷，本文考慮最多選擇3條最優(yōu)不相交路徑。如果事件是不重要的，則只選擇一條最優(yōu)路徑給PSA移動(dòng)，當(dāng)事件節(jié)點(diǎn)收到PSA時(shí)，開(kāi)始傳輸信息數(shù)據(jù)。

路徑設(shè)置代理(PSA)：是通過(guò)SMA構(gòu)建的移動(dòng)代理，其從Sink節(jié)點(diǎn)的SKB獲得路徑信息，從Sink節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到事件節(jié)點(diǎn)來(lái)檢查路徑上的節(jié)點(diǎn)。在到達(dá)事件節(jié)點(diǎn)后，它根據(jù)路徑信息更新事件節(jié)點(diǎn)的MKRB。

2.4.3 示例場(chǎng)景

本文方案的一個(gè)應(yīng)用示例場(chǎng)景如圖5所示。圖中數(shù)字表示的本文方法步驟的序號(hào)，執(zhí)行步驟如下：

1)傳感器節(jié)點(diǎn)S1檢測(cè)到一個(gè)事件時(shí)，事件節(jié)點(diǎn)的NMA啟動(dòng)到Sink節(jié)點(diǎn)的路徑發(fā)現(xiàn)過(guò)程。

2)NMA產(chǎn)生PDA，PDA產(chǎn)生3個(gè)PDA復(fù)制品，并計(jì)算得出特殊中間節(jié)點(diǎn)(S11和S12)和移動(dòng)的角度；3個(gè)PDA按3條路徑移動(dòng)，直到它們分別到達(dá)Sink節(jié)點(diǎn)、S11和S12，在遷移過(guò)程中，它們收集路徑信息。

3)PDA的兩個(gè)復(fù)制品在S11和S12處分別改變移動(dòng)的角度，只到Sink節(jié)點(diǎn)并傳遞路徑信息給Sink節(jié)點(diǎn)。

4)Sink節(jié)點(diǎn)的SMA計(jì)算到事件節(jié)點(diǎn)的不相交多路徑，根據(jù)每條不相交路徑的權(quán)重因子來(lái)設(shè)定優(yōu)先級(jí)。

5)根據(jù)事件的重要性，SMA觸發(fā)單條或多條最佳路徑上的PSA，并移動(dòng)到事件節(jié)點(diǎn)。

圖5 LABMP網(wǎng)絡(luò)示例場(chǎng)景

3 實(shí)驗(yàn)及分析

為了評(píng)估本文算法的有效性，利用MATLAB仿真各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，將本文方案與現(xiàn)有的基于代理多徑路由的ABMR方案進(jìn)行比較。

3.1 仿真模型

網(wǎng)絡(luò)模型：本文考慮一個(gè)l×b(平方米)區(qū)域的WSN網(wǎng)絡(luò)，由N個(gè)隨機(jī)布置的靜態(tài)節(jié)點(diǎn)組成。設(shè)定以一跳距離相互連接的節(jié)點(diǎn)的信道帶寬為BWsingle-hop，本文假設(shè)所有信道都是可用的。仿真網(wǎng)絡(luò)參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

傳播模式：本文使用一個(gè)傳播常數(shù)為β的自由空間傳播模型，WSN節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍為R。假設(shè)在任何給定的時(shí)間上，節(jié)點(diǎn)傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包所需的能量為Eu(焦耳)，節(jié)點(diǎn)的R正比于Eu，R=CEu，其中比例常數(shù)C取決于傳輸介質(zhì)常數(shù)β[9]。

3.2 性能參數(shù)

本文通過(guò)以下幾種性能參數(shù)來(lái)比較本文方法和ABMR算法。

數(shù)據(jù)包投遞率(PDR)：指接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)包的比例。

能耗(EC)：指在網(wǎng)絡(luò)中路徑發(fā)現(xiàn)、路徑設(shè)置和事件節(jié)點(diǎn)向Sink節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包所消耗的總能量，以毫焦耳(mJ)表示。

延遲(Delay)：從事件節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)到Sink節(jié)點(diǎn)的總時(shí)間，以毫秒(ms)表示。

額外開(kāi)銷(Overhead)：指獲得可用的通信路徑所需的能量開(kāi)銷。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.3.1 數(shù)據(jù)包投遞率和能量消耗

圖6顯示了在給定數(shù)量節(jié)點(diǎn)和傳輸范圍下，兩種算法的數(shù)據(jù)包投遞率(PDR)。在ABMR和LABMP中，PDR都隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加而減小，隨著通信范圍的增加而增加。然而，相比于ABMR，LABMP具有更好的PDR。當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加時(shí)，節(jié)點(diǎn)信息數(shù)據(jù)的量也隨之增加，這就導(dǎo)致需要更多的帶寬，因此，可用帶寬可能不足以來(lái)成功傳輸數(shù)據(jù)，使得PDR下降。LABMP方案提供較好的可用帶寬，這是因?yàn)樗诳捎寐窂接?jì)算中考慮了鏈接效率，均衡了信道帶寬。LABMP在較高傳輸范圍下的PDR表現(xiàn)更好，這是因?yàn)闇p少了孤立節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。

圖6 不同節(jié)點(diǎn)數(shù)量和傳輸范圍下的數(shù)據(jù)包投遞率

圖7描述了在給定數(shù)量節(jié)點(diǎn)和傳輸范圍下，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行單位時(shí)間的總能量消耗。隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量和傳輸范圍的增加，ABMR和LABMP的能量消耗都會(huì)增加，然而LABMP具有較好的性能。能量消耗主要由收集局部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息、路徑計(jì)算、路徑信息發(fā)送和接收形成。提出的LABMP方案具有較少的能量消耗，這是因?yàn)樗谟?jì)算路徑時(shí)，考慮了局部拓?fù)洹⑻嚯x因素和能量信息。而ABMR只使用基本拓?fù)湫畔?lái)計(jì)算路徑。

圖7 不同節(jié)點(diǎn)數(shù)量和傳輸范圍下的能量消耗

3.3.2 延遲和額外開(kāi)銷

圖8描述了在給定節(jié)點(diǎn)數(shù)量和通信范圍下的延遲。由于節(jié)點(diǎn)數(shù)量和通信范圍的增加，收集和計(jì)算多條不相交路徑的時(shí)間需求也增加。LABMP比ABMR需要較少的時(shí)間，因?yàn)長(zhǎng)ABMP只利用局部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息來(lái)尋找路徑，而ABMR則利用全局拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息，需要更多時(shí)間來(lái)收集信息。

圖8 不同節(jié)點(diǎn)數(shù)量和傳輸范圍下延遲

圖9和圖10顯示了在給定節(jié)點(diǎn)數(shù)量和通信范圍下，傳輸關(guān)鍵和非關(guān)鍵數(shù)據(jù)時(shí)的額外開(kāi)銷。開(kāi)銷隨著通信范圍和節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加而增加。LABMP比ABMR具有較少的開(kāi)銷，因?yàn)長(zhǎng)ABMP對(duì)于關(guān)鍵信息通信，選擇多徑路由來(lái)實(shí)現(xiàn)可靠傳輸，而對(duì)于非關(guān)鍵信息通信，只選擇具有最高權(quán)值因子的單一路徑來(lái)傳輸信息。由于LABMP利用代理在設(shè)定的方向上移動(dòng)來(lái)獲得局部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息，尋找多徑路由所需的通信量比ABMR少。

圖9 不同節(jié)點(diǎn)數(shù)量下的開(kāi)銷(關(guān)鍵信息)

圖10 不同節(jié)點(diǎn)數(shù)量下的開(kāi)銷(非關(guān)鍵信息)

4 小結(jié)

本文提出了一種基于代理和位置感知，由事件驅(qū)動(dòng)的多徑路由發(fā)現(xiàn)方案。事件節(jié)點(diǎn)根據(jù)位置信息，動(dòng)態(tài)尋找事件節(jié)點(diǎn)和Sink節(jié)點(diǎn)之間的特殊中間節(jié)點(diǎn)，來(lái)構(gòu)建多徑路由。并利用移動(dòng)代理來(lái)收集多徑路由的的局部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息，并發(fā)送給Sink節(jié)點(diǎn)，Sink節(jié)點(diǎn)根據(jù)鏈接效率、能量比率和跳距離因子來(lái)計(jì)算路徑權(quán)值，以此選擇最優(yōu)不相交路徑。對(duì)于關(guān)鍵信息，Sink節(jié)點(diǎn)通過(guò)多條較優(yōu)路徑發(fā)送信息給事件節(jié)點(diǎn)，保證傳輸可靠性；對(duì)于非關(guān)鍵信息，Sink節(jié)點(diǎn)只利用具有最大權(quán)值的單路徑發(fā)送信息。由于LABMP只利用局部拓?fù)湫畔?gòu)建路由，不需要了解全局節(jié)點(diǎn)的信息，從而節(jié)省了帶寬和能量。與現(xiàn)有的ABMR方法相比，本文提出的LABMP在數(shù)據(jù)包投遞率、能量消耗、開(kāi)銷和延遲方面具有更好的性能。

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湯 震(1983— )，碩士，講師，主要從事軟件工程開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)挖掘等研究；

藺 莉(1982— )女，講師，碩士，主要從事軟件工程開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)挖掘等研究。

責(zé)任編輯：許 盈

Location Aware and Agent Based Multipath Routing Scheme in WSN

TANG Zhen, LIN Li

(DepartmentofInformationEngineering,HuanghuaiUniversity,HenaZhumadian463000,China)

To solve the problem of the reliability and energy efficiency of multipath routing in WSN, a multipath routing scheme based on location aware and Agent (LABMR) is proposed. The event node searches for special intermediate nodes between Sink node and event node according to location information, in order to build multipath routing. LABMR uses the mobile agents to collect the partial topology information of multipath routing, which will be used by Sink node to compute the path weight, so as to find out the optimal disjoint paths. Meanwhile, Sink node selects a single path or multiple paths to transmit information according to its importance, to ensure transmission reliability as well as reduce energy consumption. Compared with ABMR scheme, LABMP has better performance in packet delivery ratio, energy consumption, overhead and latency.

wireless sensor network; multipath routing; network agent; location aware

【本文獻(xiàn)信息】湯震，藺莉.基于位置感知和代理的WSN多徑路由方案[J].電視技術(shù),2015，39(11).

河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(14B520036)

TP39

A

10.16280/j.videoe.2015.11.031

2014-12-20