基于语义寻址的绿色无线网络路由的研究

姜 晶

(1.徐州开放大学,江苏 徐州 221116;2.郑州工业应用技术学院，河南 郑州 451150)

0 引 言

无线传感网络(Wireless Sensor Networks, WSNs)已广泛应用于工业自动化系统[1]。然而，部分资源限制阻碍了WSNs的应用发展，如严格的功率限制和有限的网络资源，特别是在部署大型WSNs时，存在较多的挑战[2]，例如，能量效率、路由、不可靠的通信链路。

如何有效地使用节点能量是WSNs的一项基本挑战技术。然而，现存的多数方案只是着眼于如何提高节点的能量利用率。而文献[3-4]考虑了能量采集技术。事实上，基于能量采集(Energy Harvesting)的WSNs(EH-WSNs)也称为绿色网络。由于不依赖于电池或其他有限的功率源，EH-WSNs受到广泛关注。

除了能量之外，如何克服WSNs的物理限制也是WSNs一项挑战技术，如唤醒无线电(Wake-Up Radios, WUR)[5-6]。在WUR中，只有节点接收到唤醒序列后，节点才会唤醒。在这种方式下，仅当节点需要传输或接收数据包时，节点才打开它的收发器，而其他时间节点就关闭收发器。通过这种方式，节省节点能量。

此外，WUR还具有另一特性：语义寻址(Semantic Addressing)。通过允许设备有选择性地唤醒邻居设备，语义寻址可提高了网络性能，如能量利用率。

为此，结合WUR技术和能量收集，提出能量感知的交叉层路由(Routing based on Semantic Addressing, RBSA)。RBSA路由利用语义寻址选择下一跳转发节点。每个设备有两个唤醒地址。第一个地址是基于它离信宿的跳数和通往信宿路径的能量估计；第二个地址就是节点ID号。最后，通过实验仿真，分析RBSA路由性能，并与能量采集浪费感知(Energy Harvest Wastage-Aware, EHWA)路由[7]进行比较。实验数据表明，RBSA路由的数据包传递率提高了近28%，传输时延降低了35%、总体能量消耗降低了近50%。

1 RBSA路由

RBSA路由是一个交叉路由协议。当节点需要传输数据时，先接入信道，再选择下一跳转发节点。而RBSA路由是依据离信宿跳数和可用能量选择转发节点。

1.1 唤醒地址

(1)

其中ei表示节点i的可用能量。为了简化能量表述，对节点能量进行离散化，即ei∈{0,…,k}。

为了更好地理解，以图1为例进行分析。节点i离信实共有l跳距。可假定节点i通往信宿的路径上共有l个节点，且分别表示为j1,j2,…,jl-1。从图1可知，j1是离信宿最近的节点，且离信宿距离为1跳，而jl-1是离信宿最远，且离节点i最近的节点。

图1 连接信宿的路径

(2)

1.2 数据包转发

当节点需要向信宿传输数据包时，它首先向它的邻居节点传输Wake-Up序列。具体而言，节点i需向信宿传输数据包，则它就向信实信宿传输Wake-Up序列ω=ωl-1ωεl-1，其中l表示节点i离信宿的跳数，而εl-1表示路径的能量。即节点先选择能量最高的路由传输数据包。为此，节点i将ωεl-1设定为ωεl-1=k。

图集示意图

一旦接收Wake-Up序列，节点就自己的WUR与接收的序列进行配对，如果不相符，就不理睬，继续关闭无线电。反之，就打开无线电，唤醒并准备接收RTS包。

然后，节点i就传输请求包RTS。若接收了RTS包，节点就设置定时器，定时时间T反比于它的能量。具体而言，假定节点j接收了来自节点i发送的RTS包，则节点j的定时时间Tj：

(3)

其中Tmin表示最小的定时间隔，而ej表示节点j的剩余能量。rand为随机数。「·⎤表示向下限取整。之所以加入随机数，是为了避免能量相同的节点导致定时时间相同的情况。

图3 RTS和CTS包的传输过程示例

图3、图4分别表示发送节点(节点i)、接收节点(节点j)处理数据包的流程。

图4 发送节点的操作

图5 接收节点的操作

2 性能分析

2.1 仿真环境

选择开源的仿真软件Green-Castalia[8]建立仿真平台，其考虑WSNs能量相关的因素[9]。Castalia是面向WSN的低能耗的嵌入设备的仿真器，它是基于OMNeT++平台，并模拟了传感节点真实行为的仿真器。

同时，假定64个节点随机分布于224×56 m2网格区域，且每个网格大小为16×4。信宿位于仿真区域的左下角。

此外，网络内节点能够从环境中收集能量，如风能或太阳能量。同时，引用文献[10]的能量采集数据。节点将采集的能量存储于超级电容中，且最大操作电压为2.3伏，电容为50F[11]。

每个节点具有温度感测能力，感测耗时为171 ms，能量消耗为3 mJ[12]。传感节点对温度测量的动作服从泊松过程(传感节点并不是一直感测温度)，且数据包产生间隔时间在1～120 s内变化。在仿真中，随机选择某一个节点作为源节点，由它向信宿传输数据。且数据包大小为58字节，信道数据传输率为250 Kbps。此外，收发器的传输距离为60 m，传输功率为-2 dBm。仿真时间为4天。

为了更好地分析RBSA的性能，选择文献[7]所提出的EHWA路由作为参照，并对比分析它们的性能，主要包括数据包传递率、传输时延、跳数和能量消耗。其中，数据包传递率是指成功传输至信宿的数据包数占总的数据包的比例。而传输时延是指传输到一个数据包到信宿的时间，跳数是指通往信宿路径的跳数。能量消耗是指仿真结束后，节点所消耗的能量。

2.2 数据包传递率

首先分析数据包产生间隔时间对EHWA和RBSA路由的数据包传递率的影响。间隔时间反映了流量。时间越短，单位时间内的流量就越大。同时，分析了节点收集风能和太阳能两类情况。实验数据如图6所示。

图6 数据包传递率

从图5可知，RBSA路由的数据包传递率明显优于EHWA，并且RBSA路由在间隔时间变化期间，数据包传递率大于92%。即使在最大的流量环境(间隔时间为1 s)，RBSA路由的数据包传递率比EHWA路由提高了近28%。此外，注意到，EHWA路由的数据包传递率随流量增加而下降，而RBSA路由具有较稳定的数据包传递率性能。原因在于：RBSA路由资源消耗较少，优先选择能量高的路径传输数据包。

2.3 路径跳数

图7显示了平均传输一个数据包至信宿所需路径跳数，且与图5类似，节点可采集风能或太阳能。

图7 平均路径跳数

从图6可知，RBSA路由的路径跳数短于EHWA路由。RBSA路由约需3跳将数据传输至信宿，而EHWA路由需要平均5跳才能成功传输数据。并且流量越大，跳数也越多。原因在于：RBSA路由尽量选择离信宿更近的节点传输数据包，即跳数越小的节点传输数据包。同时，考虑路径能量，优先选择能量高的路径传输数据，降低了因节点能量耗尽而路径断裂的情况，进而避免重传。

2.4 传输时延

本次实验分析了平均传输时延随流量变化情况，实验数据如图8所示。

图8 传输时延

从图7可知，不论流量大小和能量源(太阳能或风能)的不同，EHWA路由的传输时延比RBSA路由的传输时延提高近50%。主要原因在于，EHWA路由选择的路由路径更长。路径越长，路径断裂的概率越大，重传率就越高，一旦需要重传必然大幅度地增加传输时延。此外，观察图7不难发现，流量大的增加，降低了传输时延。

2.5 能量消耗

最后，分析RBSA路由和EHWA路由的能量消耗情况，实验数据如图9所示。

图9 能量消耗

从图8可知，尽管RBSA路由具有高的数据包传递率，但是它的能量消耗仍低于EHWA路由。原因在于：EHWA路由产生较多的控制包。注意到，在最大流量时，EHWA路由的能量消耗比RBSA路由提高了近60%。此外，发现RBSA路由在太阳能环境下的能量消耗低于风能环境下的能量消耗。但是，RBSA路由的能量消耗并不随能量源变化。在风能和太阳能这两能源下，RBSA路由的能源消耗相近。换而言之，观察图6至图8，能量源对RBSA路由性能影响并不大。

3 结 语

基于绿色无线传感网络，提出RBSA路由。RBSA路由结合了唤醒无线电和能量收集特性，并利用语义寻找择优选择离信宿距离 短和能量大的路由传输数据。同时，利用Green-Castalia软件进行实验仿真。实验数据表明，提出的RBSA路由的数据包传递率、传输时延和能量消耗性能均优于EHWA路由。