WSNs中基于传输内容与能量感知的机会路由协议

姚烨

摘 要：无线传感网生存时间是衡量其应用价值的关键，为在保障网络传输性能的同时尽量提升网络生存时间，通过对现有机会路由协议的改进与优化，提出一种能同时对传输内容与节点能量进行感知的机会路由协议（CREAOR）。仿真结果表明，与传统路由方案相比，CREAOR能显著提升网络生存时间，同时在传输高优先级数据包时降低了时延。

关键词：无线传感网；机会路由；能量感知；网络生存时间

DOI：10.11907/rjdk.173331

中图分类号：TP393

文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2018）006-0198-05

Abstract：Survivability is crucial to the commercial value of Wireless Sensor Network. In order to keep a balance between the network life span and network performance， dynamic routing protocol named Content Relevance and Energy Aware Opportunistic Routing （CREAOR） based on the improvement and optimization of opportunistic routing approaches. Simulation results shows a significant increase in network lifespan while the overall packet delay remains similar compared with traditional routing.

Key Words：WSNs； opportunistic routing； energy aware； network lifespan

0 引言

近年来，无线传感网在生活中应用越来越广泛。无线传感网是由大量廉价的微型传感器节点以自组网方式形成的无线网络，在环境监测、数据采集等场景中发挥着重要作用[1-3]。

微型传感器节点通常需要在无人值守的环境中工作较长一段时间，但由于尺寸限制，节点自身的能量资源与计算资源极为有限，而且不同于一般移动设备，为传感器节点充电或更换电池往往是不可行的[4]。因此，节点能量问题成为制约无线传感网部署的一个关键。另一方面，数据包延迟也是衡量网络性能的重要参数之一，尤其当网络工作在环境监测、灾害预警等对延迟容忍度低的场景中时，必须采取一定优化措施尽量降低数据包延迟。将大量微型传感节点组成网络是一项具有挑战性的工作，主要需要解决网络层的路由与寻址问题。传统路由方案按照预定路径传输数据包，仅简单地将无线链路抽象为有线链路，而没有充分利用无线链路的特性，在性能上仍有较大提升空间[5-7]。

针对以上问题并结合已有研究成果，本文提出一种针对传输内容与能量进行感知的动态路由协议（Content Relevance and Energy Aware Opportunistic Routing，CREAOR），该协议综合考虑了数据包延迟与能量效率问题，通过数据包分级与动态路由方案提升了网络吞吐量，同时引入对传感节点的能量感知机制，可保证各节点的能量消耗程度基本一致，从而最大化地延长了网络生存时间。与传统路由方案相比，CREAOR基于地理位置、数据包信息与节点能量水平动态自主地选择转发节点，可有效提高网络传输性能，降低网络延迟。

1 相关工作

机会路由一经提出便备受关注，其利用了无线传输的广播特性，在提升无线传感网性能上具有较好的应用前景[8-9]。麻省理工大学的Biswas与Morris等[10]首先提出机会路由思想以及ExOR协议，ExOR允许转发节点使用多种不同路径将数据转发至目的节点，每一对发送—接收节点之间的链路使用平均端到端传输次数（Expected Transmission Count， ETX）作为依据确定各自的优先级。ETX实质上是由接收节点与目的節点之间距离决定的，距离越短，优先级越高，拥有最高优先级的接收节点将被选作下一跳的转发节点。ExOR的一个缺点是路由的选取基于全网链路状态，因此网络中的节点必须周期性地更新ETX值，当网络到达一定规模后该做法将带来很大的协议开销，可扩展性不强[11]；基于地理位置信息的随机转发路由协议（Geographic Random Forwarding， GeRaF）首先由Michele等[12]提出，GeRaF中的每个数据包都包含发送节点与目的节点的位置信息，候选节点使用这些信息确定转发优先级。GeRaF同时引入了经典的RTS/CTS握手机制用于在传输节点对之间交换信息，省去了维护全网拓扑带来的协议开销，同时避免了ExOR中存在的数据包重复问题。 GeRaF在技术上简单易行，但没有加入其它方面的考虑；P Spachos等[13]提出基于能量感知的无线传感网机会路由协议（Energy Aware Opportunistic Routing， EAOR），EAOR使用节点能量水平与地理信息作为测度将候选转发节点进行排序，并选择其中的最佳节点作为中继节点，有效延长了网络生存时间。 EAOR的主要关注点在于节点能量水平，因此其应用场景较为有限。本文提出的基于传输内容与能量感知的机会路由协议（Content Relevance and Energy Aware Opportunistic Routing， CREAOR）则填补了上述协议间的空白，在数据包时延、能量效率之间取得了平衡，具有可扩展性强、应用场景多样的特点。

2 系统模型

2.1 传输测度

在开始传输前，网络中的每个节点应明确自身的传输测度，即当给定节点i 与节点d时，应能唯一地确定两节点之间的传输测度C-i，d。由于CREAOR基于节点的地理位置信息选择下一跳节点，因此节点的传输测度本质上和当前节点与目的节点间的距离有关。 在CREAOR中，节点的传输测度被用于划分其邻居节点集合与转发节点集合。

在网络初始化阶段，目的节点会广播一些含有其身份信息的数据包，节点收到数據包后即可计算出距离目的节点的最小跳数并以此作为传输测度，随后更新数据包中的跳数字段并再次向网络中的其它节点转发该数据包。当网络中所有节点都收到数据包后，每个节点与目的节点间的传输测度即已确定。

当网络中有新节点加入时，其可以从邻居节点获取自身的传输测度；当有节点离开网络或者源节点位置改变时，网络中其它节点的传输测度无需改变，仅当目的节点位置改变时才需要重新开始网络初始化过程。在实际的传感网络设计方案中，源节点位置通常需要根据环境变化，但目的节点往往是控制室这类固定目标，因此该模型能满足实际需求。

2.2 链路模型

节点与其邻居节点之间通过无线信道发送数据包，由于真实的无线信道存在一定的误包率（Packet Error Rate， PER），因此不能保证数据完整地到达目的节点。为了模拟使用BPSK调制的实际信道模型（未经过信道编码），取PE^R（i）为[14]：

所有数据包的传输过程均服从PER。PER在不同P-t值下的曲线如图1所示。

由图1可知，P-t的取值不仅决定了网络能量消耗，还会影响网络连通性。P-t值过大时会加速能量消耗，同时也会增加邻居节点间的传输冲突，而过小的P-t值虽然减小了冲突可能性，却需要更多节点覆盖监测区域。在CREAOR中，P-t值设定与监测区域的实际需求有关。

2.3 数据包分级方案

数据包的分级方案决定了协议传输性能，节点对不同优先级的数据包会表现出不同的转发行为。一般而言，低优先级的数据包将优先由距离发送节点近的节点传输，因为低优先级的数据包对延迟相对不敏感；另一方面，高优先级的数据包需要在最短时间内传输至目的节点，因此将优先选用距离目的节点跳数较少的节点进行转发，即位于节点传输范围边界处的节点更有可能成为下一跳节点。在节点的发送缓冲区内，数据包将按照各自的优先级排序，高优先级的数据包将被优先发送。表1为协议中的优先级安排规划。

3 协议实现

CREAOR属于按需机会路由协议，仅在需要时才发起路由创建过程，在CREAOR中由目的节点发起该过程，并在传输阶段持续维护路由直到其不再被需要。源节点与目的节点之间将存在多条传输路径，节点可根据需要作出适当选择。影响路由的因素可能有链路干扰、信道或节点可用性与节点能量水平等。

CREAOR包含两个阶段：初始化阶段和传输阶段。

3.1 初始化阶段

在初始化阶段，目的节点首先向源节点广播含有其身份标识的数据包，数据包中的传输测度C-dst，dst设置为0，传输过程中的每一中继节点向其候选节点集合转发该数据包，同时更新传输测度。网络中的任一节点i可根据传输测度将其周围节点划分为邻居节点集合和候选转发节点集合。i的邻居节点集合S-i 即节点i传输范围内的所有节点，有：

i的候选转发节点集合V-i 即由i传输范围内距离目的节点更近的节点组成的集合，因此候选节点集合为邻居节点集合的子集。在初始化阶段，数据包的目的节点是源节点，因此有：

当数据包到达源节点后，源节点会计算指向目的节点不同路由的传输开销，并预估向其候选节点集合发送数据的大致能量消耗，随后丢弃这些数据包。当整个路由发现过程结束后，网络中的每个节点都获取了发起传输的必要信息。

3.2 数据传输阶段

网络中的数据包可分为4种类型：DATA、ACK、RTS和CTS[15]，每种类型数据包的传输过程均存在一定的PER。当需要发送数据时，发送节点与其候选节点集合之间将发起一次RTS/CTS握手过程，发送节点首先发送一个RTS，然后等待候选节点响应。候选节点集合中会有部分节点收到该RTS，具体接收情况取决于链路质量、传输距离等因素。

若一个候选节点接收到RTS且当前处于空闲状态，它会向发送节点回复一个CTS，在回复CTS之前，节点会等待一段时间：

其中L为数据包优先级平均值，L-K为当前数据包优先级，d为通信节点之间距离，SIFS为最短帧间间隔，C-0和C-1为常数。E-L为节点能量水平，有E-L=1-E-consE-init ，其中E-cons为节点已消耗的能量，E-init为节点初始能量。

在等待T-backoff时间后，候选节点将向发送节点回复CTS，由于CTS的传输过程也服从PER分布，因此存在包丢失的可能性，而一旦发送节点成功接收到第一个CTS，发送该CTS的节点将被选作中继节点，随后发送节点将向该节点发送数据并忽略后续其它节点回复的CTS。中继节点成功接收数据后会向发送节点回复ACK，从而完成了一次RTS/CTS握手过程。

由式（5）可知，中继节点的选择策略与数据包优先级、节点间距离以及节点能量相关。若不考虑节点能量水平，对于低优先级的数据包（级别0、1）而言，距离发送节点越近的节点拥有越低的T-backoff，即发送节点周围的邻居节点将优先服务于优先级低的数据包，这些节点需要更多跳数才能将数据传输至目的节点。若节点同时需要转发不同优先级的数据包，节点将在发送缓冲区中对数据包按优先级排序，高优先级的数据包优先得到转发。对于高优先级的数据包（级别3、4）而言，距离发送节点越远的节点拥有越低的T-backoff ，因此将优先选用位于发送节点传输范围边界附近的节点作为中继节点，使高优先级数据包经过较少跳数即可到达目的节点。

此外，节点能量水平也是影响路由选择的一个重要因素，在实际传输过程中，长时间传输同一等级的数据包可能导致某一区域内的节点能量水平迅速下降，根据式（5），此时节点的T-backoff会根据节点当前能量水平切换至对应等级的响应曲线上，从而降低了该节点被选作中继节点的可能性，转发任务将优先由其它能量更充足的节点完成，避免了在长时间传输中重复使用同一节点的情况，使网络中所有节点能量水平趋于一致。由于等级最高的数据包具有一定特殊性，實际在传输中设定为不受能量水平影响，即将最优路径永远保留给最高优先级的数据包。

数据传输过程中的每个中继节点将重复上述过程直至所有数据传输完毕，因此每个数据包都可能使用不同路由。

4 性能评估与仿真结果

本章将在网络生存时间与平均端到端时延等方面对传统路由方案以及CREAOR进行比较。传统路由方案使用源节点与目的节点之间最优路径上的节点传输数据，该策略使只有较为优质的链路才会被选中（例如PER < 10%），而CREAOR将尽量利用所有PER < 80%的链路。因此，动态路由协议会不断检测链路的可用性与链路质量，而传统路由方案在所有传输过程中选用几乎一致的路径。

仿真使用离散事件仿真软件OMNeT++完成[16]。传感节点均匀分布在100×100m2 的区域中，通信参数的选取基于IEEE802.15.4，具体参数如表2所示。

4.1 网络生存时间

网络生存时间（Network Lifespan）定义为自开始传输至网络中出现第一个能量耗尽节点之间经过的时间。实验中设置节点的电池容量为1 000mAh，因此每个节点的初始能量为：

图3展示了两种协议对比结果，由于传统路由在每次传输时趋向于选择相同路径，因此这条路径上的节点将承担全部传输任务直至能量耗尽。另一方面，CREAOR会针对数据包内容选择不同转发策略，节点的候选转发节点根据转发策略竞争RTS包，首先回应CTS包的节点才被确定为下一跳节点，因此传输任务实际由候选节点集合中的所有节点承担，且CREAOR中基于能量感知的部分倾向于使节点能量水平趋于一致。因此，CREAOR的网络生存时间明显优于传统路由协议。

4.2 端到端时延

端到端时延（End to End Delay）是指数据包从离开源节点开始至到达目的节点经过的时间。为计算不同数据包优先级条件下的平均端到端时延，在保持网络拓扑不变的情况下，依次使用优先级为0、2、4的数据包对协议进行仿真，结果见图4-图6。

传统路由为最短路径算法，在网络参数不变时有着几乎一致的表现。CREAOR在传输低优先级数据包时的表现不如传统路由，主要原因是低优先级数据包应尽量使用不常用的节点，将最优链路保留给高优先级节点。因此，低优先级数据包选择的节点往往需要更多跳数才能将数据包递送至目的节点，增加了端到端时延。随着网络节点密度的增大，CREAOR与传统路由之间的差距逐渐缩小，这是因为CREAOR本质是动态路由协议，其候选节点集合随着网络节点密度增大而增大，可供利用的节点增多，因而一定程度上弥补了与传统路由之间的性能差距。

对于中等优先级的数据包而言，其性能与传统路由相近，动态路由利用了机会路由的优势，候选节点集中的每个节点都有可能被选作下一跳节点，而其中一些节点由于链路质量原因不会被传统路由考虑。对于CREAOR而言，只要在当前传输时隙节点间链路可靠，即可在两节点间发起传输，则其单次传输过程可能相较传统路由使用更少跳数，使得两种协议在全部传输过程中时延表现相近。

CREAOR在高优先级数据包上的表现优于传统路由，主要由于机会路由带来性能上的提升。CREAOR会利用当前可用的所有链路进行传输，同时优先选择距离目的节点更近的节点作为下一跳节点，使数据包能够尽快到达目的节点，最大限度地降低了时延。

3 结语

针对现有机会路由方案中存在的问题，本文提出一种能够同时针对节点能量与传输内容进行感知的动态路由方案CREAOR。仿真结果表明，相比于传统路由方案，CREAOR能显著提升网络生存时间，同时在传输高优先级数据包时拥有比传统路由方案更低的时延。

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（責任编辑：黄 健）