王艷琴

(桂林電子科技大學計算機科學與工程學院,桂林541004)

1 選擇GEAR的依據(jù)

在眾多的路由協(xié)議中,許多研究者認為地理位置路由協(xié)議是解決和處理資源嚴重受限的WSN最有效的方案之一。在許多應用中,若不能獲得被監(jiān)測對象事件發(fā)生的具體地理位置,就無法采取相應措施。如在軍事戰(zhàn)場中,需要知道戰(zhàn)爭發(fā)生的地點;在森林火災中,也要及時獲得火災發(fā)生的位置。因此,研究基于地理位置的路由協(xié)議是一項非常有意義的工作[1]。

位置路由協(xié)議有一個顯著的特點,節(jié)點能夠通過GPS或者其他類似的定位方法來獲得自身位置信息,并且可以將自己的當前狀態(tài)與位置信息告知其通信半徑內的鄰居節(jié)點。路由的建立僅通過一跳通信范圍節(jié)點信息就可以完成,而節(jié)點間的信息傳輸也只需知道目的節(jié)點的位置信息和下一跳節(jié)點的位置,不需要其他的拓撲信息。

能量對于WSN的生命周期具有決定意義,能耗是WSN路由協(xié)議需要重點考慮的問題。位置和能量感知路由協(xié)議(Geographic and Energy Aware Routing,GEAR)充分考慮了能源有效性,基于地理位置,與傳統(tǒng)非能量感知的位置路由相比,極大地延長了網(wǎng)絡的生命周期。

2 GEAR的基本原理

GEAR采用節(jié)點的地理位置信息及節(jié)點剩余能量的情況,建立查詢消息到目標域的路徑。傳送數(shù)據(jù)分組到目標域中所有節(jié)點的過程包括兩個階段:目標域數(shù)據(jù)傳送和域內數(shù)據(jù)傳送。

2.1 目標域數(shù)據(jù)傳送

在目標域數(shù)據(jù)傳送階段,當節(jié)點接收到數(shù)據(jù)分組,它將鄰接點同目標域的距離和它自己與目標域的距離相比較。若存在更小距離,則選擇最小距離的鄰接點作為下一跳節(jié)點;否則,認為存在“空洞”,節(jié)點將根據(jù)鄰居的最小開銷來選擇下一跳節(jié)點。

2.2 域內數(shù)據(jù)傳送

在域內數(shù)據(jù)傳送階段,可通過以下兩種方式讓數(shù)據(jù)在域內擴散:當節(jié)點密度較小時,直接采用洪泛轉發(fā)機制;當節(jié)點密度較大時,則采用迭代轉發(fā)機制,直到域內剩下唯一的節(jié)點。GEAR的解決方案:當查詢命令到達區(qū)域內的第一個節(jié)點時,若該節(jié)點的鄰接點數(shù)目大于一個預設的閾值,則使用遞歸轉發(fā)機制,否則用前者。

當這兩個階段完成后,目標域內節(jié)點都將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送到目標域內第一個收到查詢消息的節(jié)點,此節(jié)點再將監(jiān)測數(shù)據(jù)沿查詢消息的反向路徑向匯聚節(jié)點傳送。

3 GEAR+的綜合性能分析

針對GEAR路由協(xié)議在數(shù)據(jù)傳輸過程中存在的路由空洞及能量浪費問題,提出了一種新的位置路由協(xié)議——GEAR+。

3.1 GEAR+的主要思想

3.1.1 路由空洞

在目標域數(shù)據(jù)傳送階段,當節(jié)點的所有鄰接點都比自己到目標域的距離大時,就遇到了路由空洞問題,該節(jié)點知道自己遇到了路由空洞問題,則根據(jù)鄰居節(jié)點的最小開銷來選擇下一跳節(jié)點[2]。

當經(jīng)過一段時間后,有可能再遇到路由空洞,若選擇原來的節(jié)點作為下一跳節(jié)點,就會形成上次的路由空洞問題,這需要在2個節(jié)點間不斷循環(huán)作為下一跳節(jié)點,才能跳出空洞區(qū)域,這樣就造成了不必要的節(jié)點能量損耗[3]。

所以,如果節(jié)點能擁有相鄰兩跳或更多跳節(jié)點的地理位置信息,那么節(jié)點遇到路由空洞的條件是兩跳或多跳范圍內沒有比它更接近目標域的節(jié)點。這樣就可以提前意識到路由空洞的存在,大大減少路由空洞產生的概率,從而避免在錯誤路徑上走得更遠,也保證了匯聚節(jié)點以較小的代價完成目標域數(shù)據(jù)傳送。

3.1.2 能量浪費

在域內數(shù)據(jù)傳送階段,目標域的所有節(jié)點一直處于數(shù)據(jù)傳輸或者空閑狀態(tài),節(jié)點不工作還處于空閑狀態(tài)無疑是對能量的浪費。由于數(shù)據(jù)采集時同一區(qū)域的眾多節(jié)點采集的數(shù)據(jù),其中必定有一些相似或相同的,而對于采集到的數(shù)據(jù)都會沿原路返回至匯聚節(jié)點[4]。

所以,若讓這些節(jié)點協(xié)同工作,對數(shù)據(jù)進行必要的融合,就可以減少冗余數(shù)據(jù)包的傳輸;與此同時,還可以通過改變節(jié)點的工作狀態(tài)來節(jié)約能源,當節(jié)點采集完數(shù)據(jù)送往特定節(jié)點進行數(shù)據(jù)融合時其他節(jié)點就可以進入休眠狀態(tài)。

3.2 GEAR+的改進方案

本文針對GEAR算法中傳送數(shù)據(jù)分組的兩個階段都進行了研究與改進,由于GEAR算法在NS2中的實現(xiàn)是一個簡化的版本,查詢消息在目標域內的轉發(fā)是采用洪泛方式,并沒有采用迭代方式[5],所以為便于比較改進前后的效果,在對第二階段改進方案的實現(xiàn)中僅針對洪泛方式進行設計。具體改進方案如下:

長輸管道的連頭焊接技術大多采用根焊（低氫焊條向上或者手工鎢極氬弧焊接）+填蓋（低氫焊條向上或者自保護藥芯焊絲向下）的焊接方法?！敖鹂凇钡暮附佣嗖捎酶福ㄊ止ゆu極氬弧焊）+填蓋（自保護藥芯焊絲向下）的焊接方法

①第一階段的改進。對路由空洞的分析可知,如果節(jié)點能擁有相鄰兩跳或更多跳節(jié)點的地理位置信息,那么兩跳范圍內或者是滿足條件的多跳范圍內的節(jié)點都變成了“鄰居”節(jié)點。數(shù)據(jù)傳送之前,采用通過鄰居節(jié)點之間的N次信息交換,使各節(jié)點掌握K跳范圍內鄰居節(jié)點的位置信息,當在數(shù)據(jù)傳送時,就可以利用K跳鄰居的位置信息優(yōu)化路由的選擇。

②第二階段的改進。

◆匯聚節(jié)點在發(fā)送查詢消息前先根據(jù)節(jié)點的通信半徑將目標域劃分成若干個大小相等的子區(qū)域,并把每個區(qū)域看成為一個簇;

◆根據(jù)各簇內節(jié)點能量的大小為它們選擇簇首節(jié)點,只要節(jié)點的能量最大,并能大于能量閾值,該節(jié)點就可以擔任簇首節(jié)點;

◆節(jié)點將在第一個T時間內采集的數(shù)據(jù)首先傳送至簇首節(jié)點,由簇首節(jié)點對其進行數(shù)據(jù)融合后再發(fā)送至域內第一個接收到查詢消息的節(jié)點,再沿查詢消息的反向路徑發(fā)送至匯聚節(jié)點;

◆在下一個T時間里,當簇頭節(jié)點接收到由簇內節(jié)點采集并發(fā)送來的數(shù)據(jù)后,將簇內節(jié)點轉換為休眠狀態(tài),直到第二個T時間結束,簇內節(jié)點則根據(jù)自己的時鐘將自己轉入喚醒狀態(tài),等待下一次采集數(shù)據(jù)的命令。

4 GEAR+的仿真實驗

本文采用NS2來模擬驗證GEAR算法與改進算法GEAR+的性能。

4.1 仿真環(huán)境設置

為了研究GEAR+的性能,并對 GEAR+協(xié)議與GEAR協(xié)議進行仿真和對比分析,本文仿真參數(shù)設置如下所示:

◆MAC層采用802.11;

◆網(wǎng)絡中分布200個相同的節(jié)點,初始能量均為1J,且所有節(jié)點保持禁止;

◆200個節(jié)點隨機分布在600 m×600 m的區(qū)域內;

◆節(jié)點的通信半徑為90 m,目標域為矩形區(qū)域,矩形的中心坐標以及大小根據(jù)實驗場景具體設置;

◆所有傳輸數(shù)據(jù)分組的大小固定為32字節(jié),發(fā)送和接收一個數(shù)據(jù)分組的比值為1.6∶1.2;

◆每個節(jié)點發(fā)送一個數(shù)據(jù)分組消耗的能量為0.1 J,接收一個數(shù)據(jù)分組消耗的能量為0.075 J,可調權值α的取值為1,假設休眠狀態(tài)時能量消耗為0;

◆仿真時間為30 s。

以上參數(shù)并非恒定不變,根據(jù)不同的方針,場景需要改變其中的一些參數(shù)值。仿真過程中,當節(jié)點數(shù)目增加時,改變網(wǎng)絡尺寸大小,但保持節(jié)點密度不變。

4.2 仿真結果分析

如圖1所示,采用改進后的算法時節(jié)點剩余能量較多。

圖1 節(jié)點能量消耗圖

5 總 結

本文介紹了基于地理位置信息的WSN路由協(xié)議,并詳細介紹了位置路由GEAR的基本原理。針對GEAR協(xié)議在數(shù)據(jù)傳輸過程中存在的路由空洞及能量浪費問題,提出了一種改進的位置路由協(xié)議。采用NS2仿真工具對其仿真實驗,盡管仿真工具的集成版本有所限制,可實驗還是取得了比較理想的結果,要投入實際應用還需要大量的學習。隨著WSN技術的快速發(fā)展,相信研究地理位置路由協(xié)議會成為一項非常有意義的工作。

[1]胡新和,楊博雄,陳瑛.基于Gear算法的無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議研究[J].南京師范大學學報:工程技術版,2010,10(3):60-63.

[2]朱少山.無線傳感器網(wǎng)絡中基于地理位置信息的混合路由算法[D].濟南:山東大學,2010.

[3]張耀,賈振紅.求解路由空洞問題的GEAR改進算法[J].計算機工程,2008,34(12):94-96.

[4]劉曉慶,崔風云,李玉華.無線傳感器網(wǎng)絡中基于地理位置路由算法的研究和改進[J].電腦知識與技術,2009,5(7):1745-1746.

[5]趙海霞.無線傳感器網(wǎng)絡GEA R協(xié)議的一種改進方案[J].傳感器與微系統(tǒng),2006,25(9):61-63.