节点邻域空间划分模型设计及其MSDRP路由协议实现

2021-06-24屈文斌

微型电脑应用 2021年6期

屈文斌

(陕西工业职业技术学院科研处，陕西咸阳 712000)

0 引言

无线传感器网络WSN的不同节点间可以通过自组织无线通信方法构建信息传输通道，相互协同实现所需的功能[1-5]。这些节点只消耗有限的能量，并且计算性能、数据存储规模与通信带宽都存在一定的上限，因此设计网络路由协议时需充分考虑达到能量均衡性要求，确保节点能量获得有效控制，充分降低无线网络运行功耗[6-8]。不过选择跳数构建路由度量时，将导致跟节点距离产生偏差的问题。为了优化RPL路由协议运行方式，有学者[9]设计了期望寿命路由度量方法，可以快速估算得到网络内各瓶颈节点所能达到的生存时间，从而建立相应的网络拓扑；同时按照大小原则确定父节点，使网络获得了更长的生命周期。不过也需注意，上述协议需要占据更多控制包，从而提高了包碰撞概率，使收包率发生减小的现象[10-12]。

本文根据上述协议要求，构建得到了一种通过均方差赋权实现的无线传感网路由协议MSDRP。同时设计了新节点距离路由度量与邻域空间分类模型，为各节点邻域设置了相应的参考点。

1 系统模型

1.1 网络与能耗模型

RSSI距离测试方法中每个节点都存在一个独立的ID编号，并且都具有相等的通信半径。Sink节点保持恒定的位置，拥有足够的能量[13]。各节点都能够接收到由Sink节点广播发送的数据包。能耗模型节点进行数据传输时所需的能量消耗作为计算参数。

1.2 节点邻域内的参考点

按照节点Nx邻域分类模型来设置节点Nx邻域包含的各参考点[14-15]，如图1所示。

图1 节点邻域内的参考点

在A(Sink节点)与Nx之间连接直线Lx。该直线和圆Nx在圆A中的点Ox处发生相交，选择点Ox组成节点Nx邻域参考点。与圆相交的B与C依次对应节点Nx邻域中的二个临界点。

1.3 节点的距离路由度量

对于节点能量消耗具有显著影响的一个因素是节点传输距离。有学者[11-13]对比了以不同方法处理节点所需的距离代价。图1给出了本文设置的距离度量。以节点Nk与参考点Ox之间的距离d(Nk，Ox)来构建节点Nx邻域。根据式(3)可知，对于已经构建参考点的邻域划分模型，在设置节点距离路由度量参数时，除了需要分析节点、邻节点以及Sink节点相互之间的三角关系之外，还应分析如何实现下一跳节点和邻域位置发生的距离改变情况。为防止进行路由选择时出现路由环路的问题，要求节点从邻域模型内包含的前向邻域来设置后一跳节点。为确保对传输跳数进行有效控制，要求节点从邻域中选出和Sink节点保持最小距离的邻节点组成下一跳。可以明显发现，处于节点前向邻域中的参考点部位与Sink节点保持最短距离，这使得参考点所在部位成为了后一跳节点最优的数据传输部位。从节点前向邻域中选出下一跳节点，根据这一要求，图1各点距离需符合以下不等式关系，如式(1)。

(1)

式中，R0代表节点最初通信半径长度；d(Nk，Nx)代表邻节点Nk和节点Nx之间的距离。因为邻节点处于节点一跳邻域范围中，因此该节点与邻节点之间的距离d(Nk，Nx)介于0-R0之间。

max Distx的计算为式(2)。

(2)

1.4 MSDRP路由协议的实现

本文设计的MSDRP路由协议运行流程，如图2所示。

图2 路由协议流程图

流程包含了以下几个步骤。

第1步：网络初始化。初始化各传感器节点。节点利用邻居发现协议完成邻节点的测试，在此基础上建立邻居节点信息表。

第2步：更新数据。此时节点以无线通信模式和邻节点进行通信，收集邻节点所含有的剩余能量参数、链路质量以及负载信息，同时对邻居表数据实施更新。

第3步：指标权值。通过均方差赋权的方式计算得到各数据标准差，获得指标权重。

第4步：目标函数处理。利用目标函数表达式计算得到邻节点对应的目标函数，从中选择最大值作为下一跳。

第5步传输数据。当下一跳被确定之后，节点与其构建通信联系。继续实施新一轮数据传输。每传输一轮数据就对自身的剩余能量进行测试。

第6步：从网络系统中退出。对缺少足够剩余能量的节点做失效处理，不对数据进行采集与转发。

2 试验测试

2.1 参数设置

通过OMNet++方法来仿真测试网络协议。以随机方式把100个节点分布在100 m×100 m区域中，并使Sink节点位于监测中心。在最初时刻节点拥有0.8 J的能量，总共包含600 byte的数据包，控制包数据量是100 byte。初期节点的通信半径为25 m。

2.2 仿真结果分析

2.2.1 网络能效性

当网络进行运行状态后，节点能量逐渐被消耗，此时网络内将出现能量被全部消耗的节点发生失效的情况。可以根据网络内剩余节点数量来体现网络节点能量消耗程度，这已经成为评价网络能效的一个标准化方法。以网络内第一个节点发生失效的时间设置为网络生命周期，如图3所示。从图3中可以看到，在不同仿真时间下得到的剩余节点。结果显示随着仿真时间不断增加，网络内产生了更多的失效节点，同时可用节点数量发生了降低。MSDRP协议相对于RPL、EB-RPL达到了更长的网络生命周期。MSDRP协议选择的权值计算方法可以实现节点能耗的良好均衡性，显著增加网络生命周期。

图3 网络生命周期结果

2.2.2 网络可靠性

在传输数据包的过程中将会由于发生碰撞或造成拥塞的情况而引起数据包的丢失，同时当无线链路出现波动时也会引起数据包丢失的问题。可以根据节点丢包率来评价网络的运行稳定性。当节点达到更大的发包速率时，将会引起丢包率的明显提高，如图4所示。

图4 节点丢包率结果

相对于RPL以及EB-RPL协议可以发现，MSDRP协议依次减小了74.1%与52.4%的丢包率。同时还可以发现当增大发包速率后，MSDRP协议包含的各节点发生了丢包率逐渐升高的现象。该结果表明MSDRP协议可以对节点负载保持良好的均衡性，有效降低数据包之间发生的碰撞，使网络达到更可靠的运行状态。

2.2.3 网络时效性

考虑到传输数据包的过程中会造成一定的滞后现象，这使得源节点数据跟目的节点数据之间发生了时间的延迟。可以根据数据包传输延迟来评价网络时效性。在各节点发包速率下对应的数据包传输延迟如图5所示。

图5 节点数据包传输延迟结果

根据图5结果可知，处于更大的节点发包速率下，RPL以及EB-RPL协议都产生了更大的数据包传输延迟，MSDRP协议则表现为传输延迟的逐渐升高现象。相对于RPL与EB-RPL，MSDRP可以使数据包传输延迟减小62.1%与40.3%。以上测试结果显示，采用MSDRP协议与节点链路质量来设置指标权值时，可以使网络达到更高的时效性。