一個適于結構健康監測的WSN能量高效動態路由協議*

韓雨澇,陳三清

(攀枝花學院數學與計算機學院,四川 攀枝花 617000)

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一個適于結構健康監測的WSN能量高效動態路由協議*

韓雨澇*,陳三清

(攀枝花學院數學與計算機學院,四川 攀枝花 617000)

針對結構健康監測無線傳感器網絡應用中,網絡生命期不足的問題,提出一種低占空比網絡下能量高效動態路由協議EEDRP(Energy Efficient Dynamic Routing Protocol),該協議利用鄰居節點剩余能量和鏈路質量動態確定轉發集,通過基于轉發集活動時隙預測的數據包重傳機制,解決了因鏈路不可靠導致數據傳輸失敗問題。最后,通過仿真對協議進行了驗證,結果表明:該協議在保證數據收集低延遲和可靠性前提下,有效延長了網絡生命期,滿足結構健康監測應用要求。

無線傳感器網絡;網絡生命期;重傳機制;結構健康監測;占空比

結構健康監測[1-8]是一種無線傳感器網絡應場景,如在研究工作中針對土遺址形變監測[7]。這類場景常處于野外惡劣環境下,節點能量得不到及時更新,而應用要求監測周期較長,使得網絡生命期最大化成為此類應用急需解決的問題。考慮到興趣事件發生具有稀疏性特點,通常將無線傳感器網絡通信節點置于低占空比工作模式下[9-10],能有效延長節點壽命,產生的問題是數據得不到及時轉發,同時由于無線鏈路可靠性低,導致數據收集的可靠性和延時性性能低下,而結構健康分析是建立在數據收集的可靠性和低延遲基礎之上。

最近的一些研究工作,保證了低占空比無線傳感網絡下數據收集具有優良QoS保障。其中,FLOOD協議是無線傳感器網絡種一種經典的路由協議,源節點將數據以廣播形式向周圍處于活動狀態的鄰居節點發送,直到數據包到達Sink節點,或者到達預先設定的最大跳數,存在的主要問題是資源浪費。文獻[11]通過構建路由樹,根據節點在樹中的深度構成交錯的活動/睡眠調度,降低了數據傳輸延遲,但未考慮因鏈路不可靠導致傳輸失敗產生 的延遲。文獻[12]利用無線網絡的廣播特性,將機會路由用于低占空比的無線傳感器網絡中,有效的提高了數據傳輸的可靠性,降低了傳輸延遲,但機會路由利用了接收節點性能多樣性特點,如果節點部署不夠密集,同時喚醒的節點數量非常有限,導致機會路由的性能大大降低。文獻[13]提出一種多管道調度協議(RMS),有效的保證了數據傳輸的可靠性和低延遲性,但節點調度的分配需要大量的通信和計算開銷。另外,單純以鏈路質量作為度量選擇轉發集,容易導致部分節點因頻繁使用而能量枯竭。針對上述研究存在的問題,本文提出EEDRP協議,主要創新點在于:提出了一種休眠調度模型,均衡了節點間能量消耗,大大提高了網絡生命期。其次,對于不可靠鏈路導致的數據傳輸失敗問題,不像在ETX和DESS中,發送節點向固定一個節點發送數據,數據包的傳輸有很大延遲,在本文中使用了基于轉發集節點活動時隙預測的數據包重傳機制,有效的降低了數據傳輸延遲。

1 網絡模型和問題描述

1.1 網絡模型

①假定網絡所有節點隨機均勻分布,具有相同通信半徑R、初始能量E,并且時鐘同步。

②無線傳感器網絡表示為G=(V,E,Q,W)。其中,V表示網絡節點集;E表示網絡鏈路集;Q表示鏈路質量集,鏈路(i,j)的鏈路質量表示為pi,j,假定網絡中所有節點間鏈路質量已經確定;W表示節點的工作調度集,節點i的工作調度wi由0、1組成的字符串表示,其中,i∈[1,|V|]。

(1)式中:iID為節點i的標識,Xi,n表示在工作周期T的所有時隙中,節點i第n個活動狀態時隙所處位置,如Xi,3=8,表示節點i的第3個活動狀態時隙處于第8個時隙位置;占空比調節參數C控制所有節點占空比。如對節點i,當iID=3,C=5,假定周期T內時隙數為20,通過式(1)計算,節點i僅在第3、8、13、18時隙處于活動狀態,在其余時隙,均處于休眠狀態,所以該節點工作調度w3表示為(00100001000010000100)。

④能量消耗模型:假定節點在休眠時隙,能量消耗忽略不計,只考慮節點接收和發送數據的能量消耗。為了進一步簡化我們的能量模型,參考文獻[14],本文只考慮發送數據對節點能耗的影響。又參考文獻[15],網絡節點呈隨機均勻分布,源節點數據包經多跳發送Sink節點,可認為發送數據總能耗與發送節點到Sink節點的跳數成正比。定義一跳范圍內節點發送一個數據包平均能耗為Ehop,則源節點發送數據包到Sink能耗如式(2)所示。

E=Ehop·hop

(2)

1.2 問題描述及目標

本文針對結構健康監測應用,提出了一種低占空比無線傳感器網絡下動態路由協議EEDRP,旨在均衡網絡節點能耗,最大化網絡生命期,同時保證數據收集的可靠性和低延遲性,滿足結構健康監測應用的實際需要。

2 SLQE鏈路度量

先前算法[11-13,16]在確定下一跳節點鏈路度量時,僅考慮了鏈路質量,容易導致一些鏈路質量好的節點,由于連續多次發送數據,過早能量耗盡,影響網絡生命期。本文給出一種鏈路度量SLQE(Sum of Link Quality and Energy),該度量在選擇下一跳節點時,考慮了節點的剩余能量,有效的均衡了網絡節點能量消耗,增加了網絡生命期。節點i與其下一跳節點j鏈路度量,定義為:

(3)

式中:pi,j表示鏈路(i,j)的鏈路質量;Ni為節點i的下一跳鄰居節點集;Ej為節點j的剩余能量;E表示節點的初始能量;β為用于平衡鏈路質量和剩余能量在度量中的比例。

3 EEDRP協議設計和實現

EEDRP協議在設計和實現過程中面臨挑戰主要有兩個方面:首先,如何有效均衡節點間能量消耗,避免熱點節點過早死亡,最大化網絡生命期。其次,對于網絡運行過程中存在不可靠鏈路,如何降低數據丟包率,保證數據傳輸的可靠性。針對上述挑戰,本文首先提出一種休眠調度模型,使得節點工作在一種低占空比模式下,同時利用鄰居節點剩余能量和鏈路質量動態確定轉發集,通過基于轉發集活動時隙預測的數據包重傳機制,解決了因鏈路不可靠導致數據傳輸失敗問題。EEDRP協議分為協議初始化階段和協議運行階段兩部分。為了保證網絡信息(拓撲、剩余能量)的實時更新,需每隔一段時間Tinitial進行初始化。

3.1 初始化階段

在初始化階段,節點均處于喚醒狀態,完成路由前期的一些準備工作,包含如下3個子階段。

①確定網絡節點分層

根據節點到Sink節點的跳數,將網絡節點劃分為以Sink為中心,跳數由小到大的分層。具體步驟為:假定網絡中共|V|個節點,Sink節點廣播HM(Hop Message)包,HM包含當前節點距離Sink節點跳數hop的消息。網絡內某節點接收到第1個HM包后,經歷時間段T1=2 s,選擇該時間段內所有HM包中跳數最小的,將該包中跳數hop更新為hop+1,并將該值作為當前節點的層數,繼續廣播更新后的HM包,最后直至網絡中的|V|個傳感器節點均獲得自身所在網絡的層數,假定最終形成q+1層的網絡分層圖,其層數依次表示為:L0,L1,…,Lq。其中,L0表示Sink節點所在的層數,即第0層;距離Sink節點u跳的節點的層數,表示為Lu,即第u層。如圖1表示一個矩形部署的5層的網絡分層圖。

圖1 網絡分層圖

②確定節點下一跳鄰居表

表1 節點i下一跳鄰居表結構

其中,節點ID為節點i的鄰居節點標識;鏈路質量和SLQE值為節點i與鄰居節點形成鏈路的鏈路質量和鏈路度量。確定節點下一跳鄰居表過程為:首先每個節點廣播NDM(Neighbor Discovery Message)包,NDM包含發送節點的ID、剩余能量以及距離Sink節點的跳數hop。當節點i收到一個節點j的NDM包后,若節點j到Sink節點比自身到Sink節點的跳數hop小,則認定節點j作為自己的下一跳節點,然后將jID和Ej值保存到自己的下一跳鄰居表j的對應表項中。節點i的所有下一跳節點,構成了自身的下一跳節點集Ni。最后,通過式(1),計算每個鄰居節點的工作調度w,并通過式(3),計算每個鄰居節點的鏈路度量。最終形成了如表1所示的下一跳鄰居表。

③確定節點轉發集

節點轉發集大小k影響著網絡數據轉發率、延遲和以及網絡生命期。為了保證轉發率和低延遲性能,k不能太小,同時又考慮到節點多次發送數據產生過多能耗,結合后面仿真驗證,在這里我們取k為4。執行過程為:將每個節點下一跳鄰居表按SLQE度量值降序排序,取前k個最大SLQE值對應的節點,作為當前節點的轉發集節點。

3.2 運行階段

在網絡運行的每個周期T內,節點按照各自轉發集節點工作調度,將數據包通過逐層動態轉發,最終發送到Sink節點,當在某一層節點因轉發次數超過k,數據包被丟棄。具體步驟如下:

①構建排序轉發集

構建轉發集排序目的是為了保證網絡中數據包傳輸的實時性。節點i計算轉發集節點下一個活動狀態時隙與自身活動狀態時隙之差并取絕對值,將結果以升序排列,即得到節點i的排序后的轉發集,表示為Si。

②運行過程

網絡中每個節點按照排序后的轉發集,將數據包逐層轉發給下一跳節點,直至數據包發送到達Sink節點。其執行過程為:當網絡中位于Lu層的節點i有數據包需發送時,初始化m=1,節點i向位于L(u-1)層的排序后的轉發集中的第m個節點j發送數據包;節點j收到節點i的數據包后,判斷自身是否為Sink節點,是則向節點i返回一個包含flag=1的ACK包,否則返回包含自身剩余能量和flag=0的ACK包;節點i判斷自己是否收到j的ACK包,收到ACK包,進一步判斷如果ACK包中flag=1,可知節點i的數據包已經成功發送到Sink節點,結束。如果節點i收到的ACK包中flag=0,可知節點j不是Sink節點,則節點i更新其下一跳鄰居表中節點j的剩余能量,第Lu層的數據包發送結束,令Lu=L(u-1),進行下一層節點的數據包的轉發;如果節點i未收到來自j的ACK包,則令m=m+1,定義max為最大轉發次數,其數值等于轉發集大小k,判斷m<=max是否成立,是則轉入發送節點下一次轉發;否則,節點i發送數據包失敗,數據包被丟棄,結束。執行過程如圖2所示。

圖2 協議運行圖

4 網絡性能分析

①源節點到Sink轉發率

依據鏈路質量、休眠調度和轉發集,第l層節點i,計算到l-1層一跳轉發率HDR(Hop Delivery Ratio),如式(4)所示:

(4)

式中:m表示當前發送次數,k表示轉發集大小。增加k,提高了一跳轉發率,但這加劇了發送節點的能量開銷。進一步分析可知,源節點s到Sink轉發率(End Delivery Ratio),如式(5)所示:

(5)

假定平均鏈路質量達到0.6,k=4,由式(4)計算一跳轉發成功率約為98%。當網絡跳數為5跳時,源節點到Sink的轉發率超過88%。

②源節點到Sink轉發延遲

定義pl(i,j)為第l層節點i向l-1層轉發集成功轉發的前提下,轉發集中前j-1個節點發送失敗,而第j個節點發送成功的概率,可表示為式(6):

(6)

則源節點到Sink轉發延遲EDT(End Delay Time),可表示為式(7):

(7)

式中:Δi,j為節點i和轉發集中節點j下一活動時隙的時隙間隔數;π是節點一次成功發送數據包所需時間。

③源節點到Sink傳輸能耗

網絡模型中,假定網絡區域中節點均勻密集部署,且具有相同發射功率。依據本文能量消耗模型,當數據包沿多跳路徑發送到Sink節點,所產生的能耗與發送節點到Sink節點的跳數成正比,能量消耗模型對應式(2),由于每一跳最多發送k次,則E∈[e·hop,k·e·hop],其中e表示發送一次數據所需能耗。

5 仿真結果及討論

本節將通過java語言編寫的模擬器仿真并分析協議的性能。每個時隙隨機選擇一個節點作為源節點發送數據包,經過多跳轉發到達Sink節點,所有仿真數值均為40個隨機場景結果的平均值。網絡相關參數設置如表2所示。

表2 仿真參數

5.1 轉發次數k對網絡性能影響

在EEDRP協議中,為了分析轉發次數k對網絡數據包轉發率、轉發延遲和網絡生命期的影響,我們將轉發次數由2增加到5,網絡中節點數目固定為500不變,仿真結果及討論如下:

圖3(a)顯示了k對從源節點到Sink端到端平均轉發率影響,從圖中可以發現,隨著k的增加,成功轉發率增大。這是由于k增加后,轉發集節點增多,最終成功傳輸到Sink節點的包越多。圖3(b)是k對從源節點到Sink端到端平均轉發延遲的影響,從圖3可以看出,隨著k的增加,通過轉發集節點轉發數據包的幾率增加,使得每一跳轉發延遲降低,最終降低了端到端平均延遲。圖3(c)是k對網絡生命期的影響。可以看出,隨著k的增加,網絡生命期呈減少趨勢,這是由于節點發送次數增加,如果鏈路質量較差,需要多次發送,使得發送節點的能量消耗較大。另外,轉發集節點越多,計算量和通信量越大,這些都影響著網絡生命期。綜上分析,k過小降低了數據傳輸的轉發率,增加了數據傳輸的延遲。另一方面,隨著k的增加,網絡生命期呈現明顯降低趨勢。最終,結合結構健康監測應用對網絡生命期要求較長的特點,同時綜合網絡的整體性能,選擇k值為4。

圖3

5.2 3種協議不同網絡節點密度下性能比較

我們將網絡節點數由300增加到600,固定部署區域大小不變,在3種協議EEDRP、FLOOD和RMS下,對源節點到Sink端到端平均轉發率、平均延遲和平均網絡生命期進行了比較。

圖4(a)是3種協議下,節點端到端的數據包轉發率分布情況。從圖中可以發現,隨著節點數量的增大,3種協議的平均轉發率均呈增加趨勢。這是由于部署區域固定,隨著節點數量的增加,每個節點的周圍處于活動狀態節點增多,這增加了數據轉發率。另外,RMS轉發率性能稍微優于EEDRP,而這種兩協議該性能要遠遠低于FLOOD。這是由于,FLOOD不管數據包轉發的方向,向周圍節點進行廣播,這就極大的增加了數據包被轉發給Sink節點的概率。RMS的轉發率優于EEDRP,這是因為RMS在選擇轉發集時,選擇鏈路質量最高的節點轉發,而EEDRP中β=0.9,綜合了鏈路質量和節點剩余能量,弱化了鏈路質量因素,使得轉發率有一定程度降低。圖4(b)是3種協議下網絡節點端到端的數據包轉發延遲分布情況。從圖4可以發現,隨著節點數量的增大,3種協議的轉發延遲均呈遞減趨勢,FLOOD轉發延遲要遠優于其他兩種協議,而RMS的轉發延遲稍微優于EEDRP,原因與圖4(a)情況類似,為避免篇幅冗長,在此略去。圖4(c)是3種協議網絡生命期比較情況。

圖4

從圖4可以發現,隨著節點數量的增加,EEDRP和RMS的網絡生命期呈現上升趨勢,FLOOD逐漸降低。這是由于隨著節點密度的增加,在EEDRP和RMS中,有更好鏈路質量的節點參與轉發,而FLOOD中同時處于活動狀態節點的增多,由于沒有轉發集的選擇,使得一個節點的任意鄰居節點有數據包要發送時,可能都要通過該節點,極大的降低了該節點的壽命,影響了整個網絡的生命期。從圖4還可以看出,對于任意一組節點數量固定的網絡仿真,EEDRP網絡生命期最高,且EEDRP和RMS的網絡生命期要遠遠高于FLOOD。FLOOD網絡生命期最低,這是由自身的洪泛特性決定的;EEDRP網絡生命期高于RMS,這是由于,首先,RMS在初始化時,為每個節點都分配了最優的時隙,而這是以通信和計算開銷為代價的,而EEDRP協議根據每個節點ID確定工作調度,不需要額外的通信開銷。其次,EEDRP在選擇轉發集使用了參數β,考慮了下一跳節點剩余能量,從而均衡了節點間能量消耗,提高了網絡生命期。

6 結論

本文針對結構健康監測無線傳感器網絡應用對網絡生命期要求較高的特點,提出了一種低占空比網絡下能量高效的動態路由協議EEDRP。仿真結果表明:相對于FLOOD和RMS,EEDRP具有最大的網絡生命期,同時能滿足結構健康監測應用所需轉發率和延遲性能要求。

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韓雨澇(1981-),男,陜西禮泉人,博士,講師,主要研究領域為無線傳感器網絡協議設計,ylhan2008@126.com;

陳三清(1980-),男,湖北省廣水市人,碩士,講師,研究方向為移動互聯網技術與應用。

An Energy Efficient Dynamic Routing Protocol in WSN forStructural Health Monitoring*

HAN Yulao*,CHEN Sanqing

(Department of mathematics and computer,Panzhihua university,Panzhihua Sichuan 617000,China)

With the shortage problem of network lifetime in wireless sensor network of structural health monitoring,this paper proposes a routing protocol EEDRP(Energy Efficient Dynamic Routing Protocol)in the low duty cycle network. The protocol dynamically works out a set of forwarding nodes by using neighbor nodes’ link quality and residual energy. At the same time,the protocol also solves the problem of data transmission failure caused by unreliable links by the data packet retransmission mechanism which is based on predicting active time slots of forwarding set. At last,a simulation platform was established to verify the protocol,the result showed that the protocol can prolong the network lifetime efficiently in the conditions of assuring reliability and low latency of data collection. Therefore it can meet the application requirements of structural health monitoring.

wireless sensor networks;network lifetime;retransmission mechanism;structural health monitoring;duty cycle

項目來源:國家科技支撐計劃自助項目(2013BAK01B02);國家自然科學基金項目(61070176,61202393,61272461,61170218);陜西省教育廳科研計劃項目(2011JG06);攀枝花市科技計劃項目(2015CY-S-7)

2016-11-29 修改日期:2017-03-05

TP393

A

1004-1699(2017)07-1106-06

C:6150P

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.07.023