一種能量感知型無線傳感器網(wǎng)絡跨層式通信協(xié)議

摘 要：結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡面向應用的實際需求，提出一種新穎的能量感知型無線傳感器網(wǎng)絡跨層協(xié)議ECLC，并給出了實現(xiàn)過程和仿真結(jié)果。基于重點關注熱點能耗的策略，綜合WSN在能量高效、可擴展性、服務質(zhì)量等方面的不同要求，設計了簡單可靠、易于實現(xiàn)的跨層式WSN網(wǎng)絡協(xié)議。仿真結(jié)果表明：ECLC協(xié)議在傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)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)絡中熱點的過早出現(xiàn)，延長了整個網(wǎng)絡的生存期。
關鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡；跨層協(xié)議；能量高效；熱點

0 引 言
無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Networks，WSN)是一種特殊的無線自組織通信網(wǎng)絡。其區(qū)別于傳統(tǒng)無線自組織網(wǎng)絡的特點包括：節(jié)點數(shù)量特別巨大、節(jié)點硬件功能簡單、應用場境復雜、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)議重點強調(diào)高效利用能量的重要性，其設計思想主要是在WSN各層協(xié)議中引入能量優(yōu)化算法，通過控制整個網(wǎng)絡的能耗平穩(wěn)性和高效性，從而達到在系統(tǒng)層面上改善傳感器網(wǎng)絡能耗特性、減少傳感器網(wǎng)絡的熱點并延長整個網(wǎng)絡的生存周期的目的。為了解決能耗問題，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時保障，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(shù)據(jù)的思想，通過引入抽象的元數(shù)據(jù)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優(yōu)化的路由協(xié)議。然而后續(xù)研究表明，在網(wǎng)絡某一層單獨引入能量優(yōu)化策略的效果并不明顯，并且可能會惡化其他層的能耗特性?？鐚觾?yōu)化思想利用網(wǎng)絡各層信息的有機交互，可以避免各層獨立優(yōu)化時引起的層間干擾。
本文基于這一思想，設計了一種簡單可靠的跨層式通信協(xié)議ECLC(Cross-Layer Communication Proto-c0l)，仿真結(jié)果表明：ECLC協(xié)議在保障網(wǎng)絡流量和網(wǎng)絡效率的前提下，可以較好地改善網(wǎng)絡的能耗特性，延長網(wǎng)絡的生存時間。

1 ECLE協(xié)議的設計目標
ECLC協(xié)議首要目標是改善整個網(wǎng)絡的能耗特性；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際應用的需求和可實現(xiàn)性為出發(fā)點。
1．1 能耗特性
網(wǎng)絡整體能耗效率：整個網(wǎng)絡的生存周期內(nèi)，網(wǎng)絡總能量(全部節(jié)點的初始能量之和)與整個網(wǎng)絡采集到的數(shù)據(jù)量之比值?？杀硎緸椋?/p>

其中：ein-WSN表示整個WSN的初始能量；Dwsn為WSN在整個生存期內(nèi)探測到的數(shù)據(jù);ein-i為節(jié)點i的初始能量；Di為節(jié)點i在其生存期內(nèi)探測到的全部數(shù)據(jù)；n為該WSN節(jié)點的個數(shù)。該指標衡量了WSN路由協(xié)議的整體能量效率。
網(wǎng)絡能耗平穩(wěn)度：在任意時刻，整個網(wǎng)絡中所有節(jié)點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(jié)點的剩余能量。剩余能量均方誤差衡量了整個網(wǎng)絡能耗的平穩(wěn)性，通過控制剩余能量均方誤差，可防止部分節(jié)點過早耗盡能量。
網(wǎng)絡生存時間：從網(wǎng)絡開始工作到有一定數(shù)量的節(jié)點死亡。該指標主要從時間角度考察了路由協(xié)議的整體性能；在WSN的實際應用過程中，網(wǎng)絡生存時間是很關鍵的指標之一。
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(jié)點失效、節(jié)點位置變化、新節(jié)點的加入都會引起網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的變化，這就要求網(wǎng)絡協(xié)議具有很強的擴展性。另外由于節(jié)點死亡或無線鏈路本身的缺點會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)絡拓撲的動態(tài)變化，減少通信協(xié)議開銷，提高信息傳輸效率。
1．4 服務質(zhì)量(QoS)
WSN協(xié)議的QoS主要包括傳輸時延、數(shù)據(jù)精度、帶寬利用率等指標。一旦考慮了服務質(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(jié)點A可以直接通信的節(jié)點稱為節(jié)點A的鄰居。節(jié)點A的所有鄰居構(gòu)成它的鄰域，記為VA。