侯 華,任艷娜,周武旸

(1.河北工程大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院,河北 邯鄲 056038;2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子工程與信息科學(xué)系,合肥 23000)

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滿足業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)性要求的路由設(shè)計(jì)*

侯 華1*,任艷娜1,周武旸2

(1.河北工程大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院,河北 邯鄲 056038;2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子工程與信息科學(xué)系,合肥 23000)

針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性問(wèn)題,基于非均勻分簇網(wǎng)絡(luò)模型提出了一種路由方法。其主要思想是為收集的數(shù)據(jù)設(shè)定截止期,通過(guò)鏈路時(shí)延估計(jì),綜合考慮截止期和鏈路時(shí)延等影響接收端接收數(shù)據(jù)的有效性的因素,提出了一種可以滿足多種業(yè)務(wù)時(shí)延要求的路由方法。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該路由方法能夠保證信息的有效性。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò);路由;延遲;截止期錯(cuò)失率;非均勻分簇

隨著實(shí)時(shí)應(yīng)用需求的逐漸增多,如何在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中為這類(lèi)業(yè)務(wù)提供滿意的服務(wù)受到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注。例如,在重病監(jiān)護(hù)室內(nèi),患者身上安放的傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)采集該患者身體的血壓、體溫等數(shù)據(jù),并將這些信息實(shí)時(shí)地傳送給監(jiān)護(hù)人員,如果數(shù)據(jù)顯示有異常情況發(fā)生,那么監(jiān)護(hù)人員會(huì)立即接到相應(yīng)的報(bào)警信息并通過(guò)閱讀監(jiān)測(cè)信息得知異常數(shù)據(jù)源的具體情況并及時(shí)采取相應(yīng)的急救措施。實(shí)時(shí)服務(wù)與傳統(tǒng)的盡力(Best-Effort)服務(wù)模型的區(qū)別在于前者對(duì)數(shù)據(jù)包的傳輸截止期有更為嚴(yán)格的要求。若實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)包時(shí)延超過(guò)了截止期,往往代表這部分?jǐn)?shù)據(jù)已經(jīng)失效,而失效數(shù)據(jù)的傳輸有可能會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的后果。因此,為了支持逐漸增多的實(shí)時(shí)應(yīng)用,在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中提供有保障的服務(wù)質(zhì)量QoS(Quality of Service)顯得尤為重要。

1 相關(guān)工作

文獻(xiàn)[1-4]在非分簇網(wǎng)絡(luò)中,通過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的距離,將數(shù)據(jù)的截止期要求轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的傳輸速率要求,然后選擇滿足速率要求的節(jié)點(diǎn)作為下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn),以滿足數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求,降低數(shù)據(jù)截止期錯(cuò)失率。由于上述4篇文獻(xiàn)均未考慮數(shù)據(jù)融合技術(shù),因此節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)將消耗較多的能量。文獻(xiàn)[5-7]采用非均勻分簇網(wǎng)絡(luò)模型,將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)分為大小不同的簇,路由方法也分為簇內(nèi)路由和簇間路由兩部分。簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給其簇首,簇首將采集到的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合后,轉(zhuǎn)發(fā)給符合要求的下一跳簇首,通過(guò)多跳方式將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn)。這種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方法,能降低節(jié)點(diǎn)的能量消耗,可惜的是沒(méi)有考慮到信息的實(shí)時(shí)性要求,信息截止期錯(cuò)失率較高。文獻(xiàn)[8-9]在路由選擇時(shí)考慮信息的實(shí)時(shí)性要求,將信息分類(lèi)為實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)和非實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí),選擇最短路徑轉(zhuǎn)發(fā),用以降低數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延。文獻(xiàn)[8]中的非實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí),綜合考慮數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院湍芰肯摹６墨I(xiàn)[9]中的非實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí),則綜合考慮鄰居節(jié)點(diǎn)的剩余能量和緩沖隊(duì)列占空比,選擇總體代價(jià)最小的節(jié)點(diǎn)作為下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。這類(lèi)方法可以粗略地將數(shù)據(jù)分類(lèi)為實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)和非實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù),并不能滿足多種類(lèi)型業(yè)務(wù)中每一種業(yè)務(wù)的特定時(shí)延要求。

本文考慮分簇網(wǎng)絡(luò)模型下的路由策略。簇首節(jié)點(diǎn)首先根據(jù)每個(gè)數(shù)據(jù)各自的截止期和估計(jì)的鏈路時(shí)延,將信息分批次放入不同的隊(duì)列中,在各隊(duì)列的信息被發(fā)送出去之前,隊(duì)列內(nèi)的信息首先進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理。這樣做,既可以滿足不同信息的實(shí)時(shí)性要求,又可以降低簇首節(jié)點(diǎn)的能量消耗,有利于保障整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 路由方法設(shè)計(jì)

本文路由方法的設(shè)計(jì)目標(biāo)是滿足多業(yè)務(wù)傳輸時(shí)各類(lèi)業(yè)務(wù)的時(shí)延要求,降低信息截止期錯(cuò)失率。

2.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?/p>

本文采用文獻(xiàn)[5]中介紹的非均勻分簇網(wǎng)絡(luò)模型。

傳感器節(jié)點(diǎn)部署在均勻間隔的同心圓網(wǎng)絡(luò)中,Sink節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)正中心,圓環(huán)間的間隔為δ。若節(jié)點(diǎn)i與Sink節(jié)點(diǎn)間的近似距離為di,節(jié)點(diǎn)i根據(jù)di判定自己所在的環(huán)k。若di滿足如下關(guān)系:

(k-1)δ≤di≤kδ

(1)

則表明節(jié)點(diǎn)i處于第k環(huán)。

在WSN中,節(jié)點(diǎn)間發(fā)送數(shù)據(jù)的能耗與跳數(shù)和距離相關(guān)。若兩節(jié)點(diǎn)之間的距離為g,由文獻(xiàn)[5]可知,g≤87 m時(shí),單跳通信比多跳通信更節(jié)省能量,且隨著融合率c的增加,單跳通信將比多跳通信節(jié)省更多的能量。本文簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)采取單跳通信方式,因此將圓環(huán)間的間隔δ定為87 m。

各環(huán)最優(yōu)簇首個(gè)數(shù)由以下公式確定:

(2)

其中,mk是第k環(huán)的簇首個(gè)數(shù),P是該網(wǎng)絡(luò)中最大的環(huán)數(shù)?？梢?jiàn),簇首個(gè)數(shù)mk與圓環(huán)編號(hào)k成正比,第k環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)外環(huán)數(shù)據(jù)的能耗由第k環(huán)各簇首均衡分擔(dān)。其中,位于圓環(huán)編號(hào)為1內(nèi)的節(jié)點(diǎn)直接與匯聚節(jié)點(diǎn)通信。

若第k圓環(huán)的面積為Sk,把該圓環(huán)劃分為mk份,則該環(huán)內(nèi)的每個(gè)簇首的競(jìng)爭(zhēng)區(qū)域近似為Sk/mk。通過(guò)公式:

(3)

競(jìng)爭(zhēng)半徑R隨著圓環(huán)編號(hào)k的增大而減少,形成離Sink節(jié)點(diǎn)較近的圓環(huán)成簇個(gè)數(shù)較少、成簇范圍較大的非均勻分簇網(wǎng)絡(luò)。由文獻(xiàn)[5]仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,建立的非均勻分簇網(wǎng)絡(luò)可以解決能量空洞問(wèn)題。

2.2 鏈路時(shí)延估計(jì)

(4)

(5)

其中,Packet_size是數(shù)據(jù)包的尺寸,Ack_size是確認(rèn)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度,Bandwidth是網(wǎng)絡(luò)帶寬。由式(5)可以看出,網(wǎng)絡(luò)帶寬、確認(rèn)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度及數(shù)據(jù)包的尺寸共同決定了Delaytran的大小。

延遲估計(jì)器采用TCP協(xié)議中的RTT(Round Trip Time)估計(jì)法[11-12]:

R←αR+(1-α)M

(6)

(7)

由發(fā)送節(jié)點(diǎn)獲得每個(gè)數(shù)據(jù)包鏈路延遲測(cè)量值M。即發(fā)送節(jié)點(diǎn)記錄發(fā)包時(shí)間Ts和由ACK包攜帶的其轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)收到包的時(shí)間Tr。假設(shè)ACK包通過(guò)一個(gè)反向并行的無(wú)沖突信道傳輸,那么Tr和Ts的差可近似作為M的計(jì)算值。

2.3 路由方法設(shè)計(jì)

信息轉(zhuǎn)發(fā)包括兩部分,第1部分是簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)信息的轉(zhuǎn)發(fā),第2部分是簇首節(jié)點(diǎn)信息的轉(zhuǎn)發(fā)。該部分內(nèi)容將對(duì)兩部分信息轉(zhuǎn)發(fā)的方法做詳細(xì)介紹。

2.3.1 簇內(nèi)信息轉(zhuǎn)發(fā)方法設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)中,每一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都儲(chǔ)存有一個(gè)針對(duì)于各種類(lèi)型業(yè)務(wù)的信息表格,該表格中記錄了每一類(lèi)信息包括截止期在內(nèi)的各種特征。表格按信息截止期長(zhǎng)短對(duì)其進(jìn)行等級(jí)劃分,截止期越短的信息其等級(jí)越高,因?yàn)檫@代表了該數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求越高。

表1 信息表格結(jié)構(gòu)

業(yè)務(wù)類(lèi)型占2 bit。用于表示所傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)類(lèi)型,如表2所示。

表2 業(yè)務(wù)類(lèi)型域中內(nèi)容

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中主要是數(shù)據(jù)的傳輸,根據(jù)具體場(chǎng)合數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求將實(shí)時(shí)性要求特別嚴(yán)格的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)類(lèi)型定義為十分緊急;將實(shí)時(shí)性要求較嚴(yán)格的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)類(lèi)型定義為緊急;將實(shí)時(shí)性要求不嚴(yán)格的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)類(lèi)型定義為非緊急。

實(shí)際的信息截止期是從0到1536 ms,占據(jù)11 bit的存儲(chǔ)空間。

簇內(nèi)的每個(gè)感知節(jié)點(diǎn)按一定的時(shí)間間隔采集其感知范圍內(nèi)的信息。節(jié)點(diǎn)采集到信息后,將該信息特征與該節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)的信息等級(jí)表的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行對(duì)比,并根據(jù)信息等級(jí)表設(shè)置信息截止期t。即將RTS幀中時(shí)延容忍域設(shè)為定時(shí)器,定時(shí)器的值被設(shè)置為信息剩余的截止期t,可見(jiàn)t隨著時(shí)間的推移而遞減。RTS幀結(jié)構(gòu)如下:

表3 RTS幀結(jié)構(gòu)

節(jié)點(diǎn)之間的通信采用基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議,通過(guò)RTS/CTS/DATA/ACK的交互方式轉(zhuǎn)發(fā)信息。簇首收集的是本簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的信息,簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)到簇首的鏈路時(shí)延可能會(huì)不同。因此,當(dāng)簇首將本簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的信息收集完后,各個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息截止期應(yīng)變化為t=t-Delaylink max。其中,Delaylink max是一個(gè)簇內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的鏈路時(shí)延的最大值。簇首節(jié)點(diǎn)收集其感知范圍內(nèi)的信息所設(shè)定的信息截止期變化,也遵循此規(guī)律。

2.3.2 簇首信息的轉(zhuǎn)發(fā)方法設(shè)計(jì)

簇首收集完本簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的信息后,將信息分批、融合發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)。簇首通過(guò)計(jì)算待轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的截止期與簇首到匯聚節(jié)點(diǎn)鏈路的時(shí)延差2個(gè)數(shù)值并將其進(jìn)行比較,來(lái)決定數(shù)據(jù)發(fā)送的批次和時(shí)間。若轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的截止期與簇首到匯聚節(jié)點(diǎn)的鏈路時(shí)延的差大于T,則將該待轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)定為等待發(fā)送數(shù)據(jù);反之,將該待轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)定為立即被發(fā)送數(shù)據(jù)。其中,T是根據(jù)實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)的時(shí)延要求定義的時(shí)間間隔。所有的簇首都照此原則選擇立即待轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù),并對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理。偽代碼如下所示:

ifTi>0,i∈{1,2,…,n}

N(1,k)←i,k←k+1

end if

Delaymax←argmax{Delay1,Delay2,…,Delayk-1}

Ti←Ti-Delaymax,i∈N

if(Ti-Delay-link)

Ac=1,M(1,c)←i,c←c+1

else then

Bm=1,Q(1,m)←i,m←m+1

end if

數(shù)據(jù)分類(lèi)后,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)流程偽代碼如下:

ACH=1,BCH=1 then

else then

ACH=1,BCH=0

else then

ACH=0,BCH=1 then

else then

ACH=0,BCH=0

end if

根據(jù)數(shù)據(jù)的截止期將簇首采集的數(shù)據(jù)分為4類(lèi)組合:ACH=1,BCH=0,僅有立即轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù);ACH=0,BCH=1,全為等待轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù);ACH=1,BCH=1,既有立即轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)又有等待轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù);ACH=0,BCH=0,簇首沒(méi)有收集到數(shù)據(jù)。

4種數(shù)據(jù)類(lèi)型組合對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)流程偽代碼如下:

caseACH=1,BCH=0

if Channelstate=1 then

Send data to Sink node then

ACH=0,BCH=0

break

else then

t=randn(0,c-1)

backoff t then

return to check the state of channel

end if

caseACH=0,BCH=1

if Channelstate=1 then

Send data to Sink node

BCH=0

break

else then

t=randn(0,m-1)

backoff t then

if(Ti-t)>Ttolerate,i∈Qthen

return to caseACH=0,BCH=1

else then

return to caseACH=1,BCH=1

end if

caseACH=1,BCH=1

if Channelstate=1 then

Send data to Sink then

ACH=0 then

Ti←Ti-twait,i∈Qthen

return to caseACH=0,BCH=1

else then

t←randn(0,c-1)

backoff t

Ti←Ti-t,i∈Mthen

ifTi

discard data then

Tj←Tj-t,j∈Qthen

return to caseACH=0,BCH=1

else then

return to check the state of channel

end if

caseACH=0,BCH=0

break

2.3.3 快速的路由方法設(shè)計(jì)

本小節(jié)是從實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行的角度考慮,主要分析系統(tǒng)解析信息截止期的快慢。

理論上信息截止期是一個(gè)具體的數(shù)值,如512 ms。在系統(tǒng)中,如果硬件解析512時(shí)需要解析9bit的數(shù)據(jù),需要很多個(gè)時(shí)鐘周期,勢(shì)必影響算法的復(fù)雜度。在實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)中,需要簡(jiǎn)化實(shí)際的信息截止期,將信息截止期進(jìn)行量化,分為若干個(gè)區(qū)間,系統(tǒng)按信息截止期區(qū)間對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制編碼進(jìn)行解析,可以大大縮短解析時(shí)間,降低算法復(fù)雜度。

表4 x值分段表

參照表4中x值劃分的方法將信息截止期0～1536 ms劃分為8段,如表5所示。

表5 信息存活時(shí)間的量化和編碼

由表5可知,信息截止期只占3bit的存儲(chǔ)空間,系統(tǒng)解析信息截止期時(shí)只需解析3bit的二進(jìn)制編碼,大大降低了算法復(fù)雜度,加快了系統(tǒng)的運(yùn)行速度。

3 仿真及性能分析

本文仿真基于OMNeT++環(huán)境,使用NED和C++語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)模型和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方法的仿真,并使用MATLAB軟件導(dǎo)出數(shù)據(jù),對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和評(píng)估。其中假設(shè)采用基于競(jìng)爭(zhēng)的介質(zhì)訪問(wèn)控制(MAC,Media Access Control)協(xié)議,且忽略無(wú)線信道干擾。仿真中εf、節(jié)點(diǎn)初始能量E、Ee等參數(shù)的取值與文獻(xiàn)[14]相同。覆蓋區(qū)域半徑R=400 m,仿真節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)N=1000、N=2000、N=3000、N=4000。

在傳感器網(wǎng)絡(luò)中,支持實(shí)時(shí)性QoS要求滿足截止期錯(cuò)失率在可以容忍的范圍內(nèi)。嚴(yán)格來(lái)說(shuō),硬實(shí)時(shí)應(yīng)用要求所有的包都滿足截止期要求,而軟實(shí)時(shí)應(yīng)用要求滿足截止期的包達(dá)到一定的比例。本文路由設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是盡力提高這一比例,使更多的數(shù)據(jù)包在截止期內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn),以滿足信息的實(shí)時(shí)性要求,保證數(shù)據(jù)的有效性。

為簡(jiǎn)單起見(jiàn),本文仿真主要將簇頭收集的數(shù)據(jù)分為兩批轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn)。根據(jù)信息的截止期將實(shí)時(shí)性要求較高的數(shù)據(jù)定義為第1批轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù),且在合適的時(shí)間轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn)。實(shí)時(shí)性要求不高的數(shù)據(jù),等待第1批數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)完畢,在合適的時(shí)間將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn)。

圖1 全部數(shù)據(jù)的截止期錯(cuò)失率比較

圖1對(duì)比了在節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)不同時(shí),文獻(xiàn)[5]采用的路由方法和本文所采用的路由方法及文獻(xiàn)[9]采用的路由方法DGEER(Delay-Guaranteed Energy-Efficient Routing)在信息截止期錯(cuò)失率方面的差異。其中,圖例中的“本文”表示采用實(shí)際的信息截止期,“快速的路由方法”表示采用量化的信息截止期。由圖1可以看出,采用本文的快速路由方法與非快速路由方法時(shí),信息截止期錯(cuò)失率基本無(wú)差異。由2.3.3小節(jié)分析可知,采用量化的信息截止期可以大大降低算法復(fù)雜度,故實(shí)際系統(tǒng)中應(yīng)采用量化的信息截止期。且由圖1可以看出,采用本文所提的路由方法時(shí),信息截止期錯(cuò)失率明顯比采用文獻(xiàn)[5]的路由方法及采用DGEER時(shí)低,且隨著節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的增多,本文所提算法的信息截止期錯(cuò)失率增長(zhǎng)速度比較慢,這說(shuō)明本文所提算法可以更好地滿足信息的實(shí)時(shí)性要求,保證信息的有效性。主要在于本文在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)采用類(lèi)似于排隊(duì)的方法,實(shí)時(shí)性要求越嚴(yán)格的數(shù)據(jù)在較早的時(shí)間轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn)。且充分考慮全部信息的實(shí)時(shí)性要求,盡量在信息的截止期內(nèi)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn),保證了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性傳輸。

圖2是在不同節(jié)點(diǎn)數(shù)量的情況下,實(shí)時(shí)性要求較高的數(shù)據(jù)采用3種路由方法時(shí),信息截止期錯(cuò)失率的比較。通過(guò)圖可以看出,采用本文提出的路由方法時(shí)信息截止期錯(cuò)失率最小,表明其實(shí)時(shí)性更好。主要是因?yàn)楸疚牟捎玫穆酚煞椒ㄔ谵D(zhuǎn)發(fā)實(shí)時(shí)性要求較高的數(shù)據(jù)時(shí),綜合考慮信息的截止期和鏈路時(shí)延,轉(zhuǎn)發(fā)順序優(yōu)先于實(shí)時(shí)性要求不高的數(shù)據(jù),盡可能在信息的截止期內(nèi)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn),滿足信息的實(shí)時(shí)性要求。通過(guò)圖2還可以看出采用本文的快速路由方法與非快速路由方法時(shí),信息截止期錯(cuò)失率大小基本相同。

圖2 實(shí)時(shí)性要求較高的數(shù)據(jù)的截止期錯(cuò)失率比較

圖3 實(shí)時(shí)性要求不高的數(shù)據(jù)的截止期比較

圖3給出了在節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)不同時(shí),實(shí)時(shí)性要求不高的數(shù)據(jù)采用3種路由方法時(shí),信息截止期錯(cuò)失率的對(duì)比。通過(guò)圖3可以看出采用本文的快速路由方法與非快速路由方法相比較,信息截止期錯(cuò)失率差異不明顯。圖中還可以看出,采用本文提出的路由方法時(shí)節(jié)點(diǎn)的截止期錯(cuò)失率最小。主要在于本文采用的路由方法綜合考慮數(shù)據(jù)的截止期和簇首到匯聚節(jié)點(diǎn)的鏈路時(shí)延,數(shù)據(jù)在最合適的時(shí)間轉(zhuǎn)發(fā)出去,可以盡量減少簇首對(duì)信道的競(jìng)爭(zhēng),在保證實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求的同時(shí),也實(shí)現(xiàn)了非實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于非均勻分簇的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型,對(duì)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)方法進(jìn)行了研究。通過(guò)對(duì)鏈路時(shí)延的估計(jì),分析簇內(nèi)信息轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)信息截止期的變化,然后結(jié)合信息截止期和鏈路時(shí)延,將簇首收集的信息在合理的時(shí)間轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn),提高了信息轉(zhuǎn)發(fā)的實(shí)時(shí)性,保證了信息的有效性。設(shè)計(jì)的快速信息截止期存儲(chǔ)方法,可以大大減小存儲(chǔ)空間,縮短系統(tǒng)解析信息截止期的時(shí)鐘周期,降低算法復(fù)雜度。仿真實(shí)驗(yàn)表明本文提出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方法能滿足信息的實(shí)時(shí)性要求,在實(shí)時(shí)性以及數(shù)據(jù)的整體有效性上優(yōu)于文獻(xiàn)[5]及DGEER?？焖俚男畔⒔刂蛊诖鎯?chǔ)設(shè)計(jì)在數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性的性能上與實(shí)際的信息存活時(shí)間基本相同。

本文簇首轉(zhuǎn)發(fā)信息采用單跳的通信方式,這樣勢(shì)必會(huì)比多跳通信消耗的能量多,下一步的工作是在考慮信息截止期和鏈路時(shí)延的前提下,設(shè)計(jì)簇首之間通過(guò)多跳的方式轉(zhuǎn)發(fā)信息的方法,在滿足信息實(shí)時(shí)性要求的同時(shí)降低能量的消耗。

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侯華(1980-),女,博士,副教授,研究生導(dǎo)師,2003年畢業(yè)于西南科技大學(xué)電子信息工程專(zhuān)業(yè),2008年獲中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)通信與信息系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)博士學(xué)位,現(xiàn)任教于河北工程大學(xué),研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信技術(shù)、認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),hbhouhua@163.com;

任艷娜(1987-),女,碩士研究生,現(xiàn)就讀于河北工程大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院,研究方向?yàn)闊o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò);

周武旸(1972-),男,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子工程與信息科學(xué)系教授、博士生導(dǎo)師。1993年和1996年在西安電子科技大學(xué)獲學(xué)士和碩士學(xué)位,2000年在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲博士學(xué)位。研究方向?yàn)橹欣^與協(xié)作通信、無(wú)線資源管理、無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)。

DesignofRoutingBasedonMeetingServiceReal-TimeRequirements*

HOUHua1*,RENYanna1,ZHOUWuyang2

(1.School of Information and Electrical Engineering,Hebei University of Engineering,Handan Hebei 056038,China;2.Department of Electronic Engineering and Information Science,University of Science and Technology of China,Hefei 23000,China)

For wireless sensor networks of real-time data transmission phenomenon,a new routing method is proposed based on the uneven cluster network model. Through setting deadline for collecting data,estimating link delay and considering the factors influencing the validity of receiver’s receiving data such as the deadline of information,link delay,etc,a new routing method fit for multi-service delay requirements is proposed. Simulation results show that the routing method can ensure the validity of the information.

wireless sensor network;routing;delay;deadline miss ratio;uneven clustering

項(xiàng)目來(lái)源:河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(F2012402046);河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(ZH2011222)

2014-04-03修改日期:2014-07-12

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.09.021

TP393

:A

:1004-1699(2014)09-1275-06