韓雨澇,陳三清

(攀枝花學(xué)院數(shù)學(xué)與計算機學(xué)院,四川 攀枝花 617000)

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一個適于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的WSN能量高效動態(tài)路由協(xié)議*

韓雨澇*,陳三清

(攀枝花學(xué)院數(shù)學(xué)與計算機學(xué)院,四川 攀枝花 617000)

針對結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中,網(wǎng)絡(luò)生命期不足的問題,提出一種低占空比網(wǎng)絡(luò)下能量高效動態(tài)路由協(xié)議EEDRP(Energy Efficient Dynamic Routing Protocol),該協(xié)議利用鄰居節(jié)點剩余能量和鏈路質(zhì)量動態(tài)確定轉(zhuǎn)發(fā)集,通過基于轉(zhuǎn)發(fā)集活動時隙預(yù)測的數(shù)據(jù)包重傳機制,解決了因鏈路不可靠導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸失敗問題。最后,通過仿真對協(xié)議進行了驗證,結(jié)果表明:該協(xié)議在保證數(shù)據(jù)收集低延遲和可靠性前提下,有效延長了網(wǎng)絡(luò)生命期,滿足結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測應(yīng)用要求。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò);網(wǎng)絡(luò)生命期;重傳機制;結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測;占空比

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測[1-8]是一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)場景,如在研究工作中針對土遺址形變監(jiān)測[7]。這類場景常處于野外惡劣環(huán)境下,節(jié)點能量得不到及時更新,而應(yīng)用要求監(jiān)測周期較長,使得網(wǎng)絡(luò)生命期最大化成為此類應(yīng)用急需解決的問題?？紤]到興趣事件發(fā)生具有稀疏性特點,通常將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點置于低占空比工作模式下[9-10],能有效延長節(jié)點壽命,產(chǎn)生的問題是數(shù)據(jù)得不到及時轉(zhuǎn)發(fā),同時由于無線鏈路可靠性低,導(dǎo)致數(shù)據(jù)收集的可靠性和延時性性能低下,而結(jié)構(gòu)健康分析是建立在數(shù)據(jù)收集的可靠性和低延遲基礎(chǔ)之上。

最近的一些研究工作,保證了低占空比無線傳感網(wǎng)絡(luò)下數(shù)據(jù)收集具有優(yōu)良QoS保障。其中,FLOOD協(xié)議是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)種一種經(jīng)典的路由協(xié)議,源節(jié)點將數(shù)據(jù)以廣播形式向周圍處于活動狀態(tài)的鄰居節(jié)點發(fā)送,直到數(shù)據(jù)包到達Sink節(jié)點,或者到達預(yù)先設(shè)定的最大跳數(shù),存在的主要問題是資源浪費。文獻[11]通過構(gòu)建路由樹,根據(jù)節(jié)點在樹中的深度構(gòu)成交錯的活動/睡眠調(diào)度,降低了數(shù)據(jù)傳輸延遲,但未考慮因鏈路不可靠導(dǎo)致傳輸失敗產(chǎn)生 的延遲。文獻[12]利用無線網(wǎng)絡(luò)的廣播特性,將機會路由用于低占空比的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,有效的提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?降低了傳輸延遲,但機會路由利用了接收節(jié)點性能多樣性特點,如果節(jié)點部署不夠密集,同時喚醒的節(jié)點數(shù)量非常有限,導(dǎo)致機會路由的性能大大降低。文獻[13]提出一種多管道調(diào)度協(xié)議(RMS),有效的保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院偷脱舆t性,但節(jié)點調(diào)度的分配需要大量的通信和計算開銷。另外,單純以鏈路質(zhì)量作為度量選擇轉(zhuǎn)發(fā)集,容易導(dǎo)致部分節(jié)點因頻繁使用而能量枯竭。針對上述研究存在的問題,本文提出EEDRP協(xié)議,主要創(chuàng)新點在于:提出了一種休眠調(diào)度模型,均衡了節(jié)點間能量消耗,大大提高了網(wǎng)絡(luò)生命期。其次,對于不可靠鏈路導(dǎo)致的數(shù)據(jù)傳輸失敗問題,不像在ETX和DESS中,發(fā)送節(jié)點向固定一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)包的傳輸有很大延遲,在本文中使用了基于轉(zhuǎn)發(fā)集節(jié)點活動時隙預(yù)測的數(shù)據(jù)包重傳機制,有效的降低了數(shù)據(jù)傳輸延遲。

1 網(wǎng)絡(luò)模型和問題描述

1.1 網(wǎng)絡(luò)模型

①假定網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點隨機均勻分布,具有相同通信半徑R、初始能量E,并且時鐘同步。

②無線傳感器網(wǎng)絡(luò)表示為G=(V,E,Q,W)。其中,V表示網(wǎng)絡(luò)節(jié)點集;E表示網(wǎng)絡(luò)鏈路集;Q表示鏈路質(zhì)量集,鏈路(i,j)的鏈路質(zhì)量表示為pi,j,假定網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點間鏈路質(zhì)量已經(jīng)確定;W表示節(jié)點的工作調(diào)度集,節(jié)點i的工作調(diào)度wi由0、1組成的字符串表示,其中,i∈[1,|V|]。

(1)式中:iID為節(jié)點i的標識,Xi,n表示在工作周期T的所有時隙中,節(jié)點i第n個活動狀態(tài)時隙所處位置,如Xi,3=8,表示節(jié)點i的第3個活動狀態(tài)時隙處于第8個時隙位置;占空比調(diào)節(jié)參數(shù)C控制所有節(jié)點占空比。如對節(jié)點i,當iID=3,C=5,假定周期T內(nèi)時隙數(shù)為20,通過式(1)計算,節(jié)點i僅在第3、8、13、18時隙處于活動狀態(tài),在其余時隙,均處于休眠狀態(tài),所以該節(jié)點工作調(diào)度w3表示為(00100001000010000100)。

④能量消耗模型:假定節(jié)點在休眠時隙,能量消耗忽略不計,只考慮節(jié)點接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的能量消耗。為了進一步簡化我們的能量模型,參考文獻[14],本文只考慮發(fā)送數(shù)據(jù)對節(jié)點能耗的影響。又參考文獻[15],網(wǎng)絡(luò)節(jié)點呈隨機均勻分布,源節(jié)點數(shù)據(jù)包經(jīng)多跳發(fā)送Sink節(jié)點,可認為發(fā)送數(shù)據(jù)總能耗與發(fā)送節(jié)點到Sink節(jié)點的跳數(shù)成正比。定義一跳范圍內(nèi)節(jié)點發(fā)送一個數(shù)據(jù)包平均能耗為Ehop,則源節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包到Sink能耗如式(2)所示。

E=Ehop·hop

(2)

1.2 問題描述及目標

本文針對結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測應(yīng)用,提出了一種低占空比無線傳感器網(wǎng)絡(luò)下動態(tài)路由協(xié)議EEDRP,旨在均衡網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能耗,最大化網(wǎng)絡(luò)生命期,同時保證數(shù)據(jù)收集的可靠性和低延遲性,滿足結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測應(yīng)用的實際需要。

2 SLQE鏈路度量

先前算法[11-13,16]在確定下一跳節(jié)點鏈路度量時,僅考慮了鏈路質(zhì)量,容易導(dǎo)致一些鏈路質(zhì)量好的節(jié)點,由于連續(xù)多次發(fā)送數(shù)據(jù),過早能量耗盡,影響網(wǎng)絡(luò)生命期。本文給出一種鏈路度量SLQE(Sum of Link Quality and Energy),該度量在選擇下一跳節(jié)點時,考慮了節(jié)點的剩余能量,有效的均衡了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能量消耗,增加了網(wǎng)絡(luò)生命期。節(jié)點i與其下一跳節(jié)點j鏈路度量,定義為:

(3)

式中:pi,j表示鏈路(i,j)的鏈路質(zhì)量;Ni為節(jié)點i的下一跳鄰居節(jié)點集;Ej為節(jié)點j的剩余能量;E表示節(jié)點的初始能量;β為用于平衡鏈路質(zhì)量和剩余能量在度量中的比例。

3 EEDRP協(xié)議設(shè)計和實現(xiàn)

EEDRP協(xié)議在設(shè)計和實現(xiàn)過程中面臨挑戰(zhàn)主要有兩個方面:首先,如何有效均衡節(jié)點間能量消耗,避免熱點節(jié)點過早死亡,最大化網(wǎng)絡(luò)生命期。其次,對于網(wǎng)絡(luò)運行過程中存在不可靠鏈路,如何降低數(shù)據(jù)丟包率,保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。針對上述挑?zhàn),本文首先提出一種休眠調(diào)度模型,使得節(jié)點工作在一種低占空比模式下,同時利用鄰居節(jié)點剩余能量和鏈路質(zhì)量動態(tài)確定轉(zhuǎn)發(fā)集,通過基于轉(zhuǎn)發(fā)集活動時隙預(yù)測的數(shù)據(jù)包重傳機制,解決了因鏈路不可靠導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸失敗問題。EEDRP協(xié)議分為協(xié)議初始化階段和協(xié)議運行階段兩部分。為了保證網(wǎng)絡(luò)信息(拓撲、剩余能量)的實時更新,需每隔一段時間Tinitial進行初始化。

3.1 初始化階段

在初始化階段,節(jié)點均處于喚醒狀態(tài),完成路由前期的一些準備工作,包含如下3個子階段。

①確定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分層

根據(jù)節(jié)點到Sink節(jié)點的跳數(shù),將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點劃分為以Sink為中心,跳數(shù)由小到大的分層。具體步驟為:假定網(wǎng)絡(luò)中共|V|個節(jié)點,Sink節(jié)點廣播HM(Hop Message)包,HM包含當前節(jié)點距離Sink節(jié)點跳數(shù)hop的消息。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)某節(jié)點接收到第1個HM包后,經(jīng)歷時間段T1=2 s,選擇該時間段內(nèi)所有HM包中跳數(shù)最小的,將該包中跳數(shù)hop更新為hop+1,并將該值作為當前節(jié)點的層數(shù),繼續(xù)廣播更新后的HM包,最后直至網(wǎng)絡(luò)中的|V|個傳感器節(jié)點均獲得自身所在網(wǎng)絡(luò)的層數(shù),假定最終形成q+1層的網(wǎng)絡(luò)分層圖,其層數(shù)依次表示為:L0,L1,…,Lq。其中,L0表示Sink節(jié)點所在的層數(shù),即第0層;距離Sink節(jié)點u跳的節(jié)點的層數(shù),表示為Lu,即第u層。如圖1表示一個矩形部署的5層的網(wǎng)絡(luò)分層圖。

圖1 網(wǎng)絡(luò)分層圖

②確定節(jié)點下一跳鄰居表

表1 節(jié)點i下一跳鄰居表結(jié)構(gòu)

其中,節(jié)點ID為節(jié)點i的鄰居節(jié)點標識;鏈路質(zhì)量和SLQE值為節(jié)點i與鄰居節(jié)點形成鏈路的鏈路質(zhì)量和鏈路度量。確定節(jié)點下一跳鄰居表過程為:首先每個節(jié)點廣播NDM(Neighbor Discovery Message)包,NDM包含發(fā)送節(jié)點的ID、剩余能量以及距離Sink節(jié)點的跳數(shù)hop。當節(jié)點i收到一個節(jié)點j的NDM包后,若節(jié)點j到Sink節(jié)點比自身到Sink節(jié)點的跳數(shù)hop小,則認定節(jié)點j作為自己的下一跳節(jié)點,然后將jID和Ej值保存到自己的下一跳鄰居表j的對應(yīng)表項中。節(jié)點i的所有下一跳節(jié)點,構(gòu)成了自身的下一跳節(jié)點集Ni。最后,通過式(1),計算每個鄰居節(jié)點的工作調(diào)度w,并通過式(3),計算每個鄰居節(jié)點的鏈路度量。最終形成了如表1所示的下一跳鄰居表。

③確定節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)集

節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)集大小k影響著網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)率、延遲和以及網(wǎng)絡(luò)生命期。為了保證轉(zhuǎn)發(fā)率和低延遲性能,k不能太小,同時又考慮到節(jié)點多次發(fā)送數(shù)據(jù)產(chǎn)生過多能耗,結(jié)合后面仿真驗證,在這里我們?nèi)為4。執(zhí)行過程為:將每個節(jié)點下一跳鄰居表按SLQE度量值降序排序,取前k個最大SLQE值對應(yīng)的節(jié)點,作為當前節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)集節(jié)點。

3.2 運行階段

在網(wǎng)絡(luò)運行的每個周期T內(nèi),節(jié)點按照各自轉(zhuǎn)發(fā)集節(jié)點工作調(diào)度,將數(shù)據(jù)包通過逐層動態(tài)轉(zhuǎn)發(fā),最終發(fā)送到Sink節(jié)點,當在某一層節(jié)點因轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)超過k,數(shù)據(jù)包被丟棄。具體步驟如下:

①構(gòu)建排序轉(zhuǎn)發(fā)集

構(gòu)建轉(zhuǎn)發(fā)集排序目的是為了保證網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包傳輸?shù)膶崟r性。節(jié)點i計算轉(zhuǎn)發(fā)集節(jié)點下一個活動狀態(tài)時隙與自身活動狀態(tài)時隙之差并取絕對值,將結(jié)果以升序排列,即得到節(jié)點i的排序后的轉(zhuǎn)發(fā)集,表示為Si。

②運行過程

網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點按照排序后的轉(zhuǎn)發(fā)集,將數(shù)據(jù)包逐層轉(zhuǎn)發(fā)給下一跳節(jié)點,直至數(shù)據(jù)包發(fā)送到達Sink節(jié)點。其執(zhí)行過程為:當網(wǎng)絡(luò)中位于Lu層的節(jié)點i有數(shù)據(jù)包需發(fā)送時,初始化m=1,節(jié)點i向位于L(u-1)層的排序后的轉(zhuǎn)發(fā)集中的第m個節(jié)點j發(fā)送數(shù)據(jù)包;節(jié)點j收到節(jié)點i的數(shù)據(jù)包后,判斷自身是否為Sink節(jié)點,是則向節(jié)點i返回一個包含flag=1的ACK包,否則返回包含自身剩余能量和flag=0的ACK包;節(jié)點i判斷自己是否收到j(luò)的ACK包,收到ACK包,進一步判斷如果ACK包中flag=1,可知節(jié)點i的數(shù)據(jù)包已經(jīng)成功發(fā)送到Sink節(jié)點,結(jié)束。如果節(jié)點i收到的ACK包中flag=0,可知節(jié)點j不是Sink節(jié)點,則節(jié)點i更新其下一跳鄰居表中節(jié)點j的剩余能量,第Lu層的數(shù)據(jù)包發(fā)送結(jié)束,令Lu=L(u-1),進行下一層節(jié)點的數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā);如果節(jié)點i未收到來自j的ACK包,則令m=m+1,定義max為最大轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù),其數(shù)值等于轉(zhuǎn)發(fā)集大小k,判斷m<=max是否成立,是則轉(zhuǎn)入發(fā)送節(jié)點下一次轉(zhuǎn)發(fā);否則,節(jié)點i發(fā)送數(shù)據(jù)包失敗,數(shù)據(jù)包被丟棄,結(jié)束。執(zhí)行過程如圖2所示。

圖2 協(xié)議運行圖

4 網(wǎng)絡(luò)性能分析

①源節(jié)點到Sink轉(zhuǎn)發(fā)率

依據(jù)鏈路質(zhì)量、休眠調(diào)度和轉(zhuǎn)發(fā)集,第l層節(jié)點i,計算到l-1層一跳轉(zhuǎn)發(fā)率HDR(Hop Delivery Ratio),如式(4)所示:

(4)

式中:m表示當前發(fā)送次數(shù),k表示轉(zhuǎn)發(fā)集大小。增加k,提高了一跳轉(zhuǎn)發(fā)率,但這加劇了發(fā)送節(jié)點的能量開銷。進一步分析可知,源節(jié)點s到Sink轉(zhuǎn)發(fā)率(End Delivery Ratio),如式(5)所示:

(5)

假定平均鏈路質(zhì)量達到0.6,k=4,由式(4)計算一跳轉(zhuǎn)發(fā)成功率約為98%。當網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)為5跳時,源節(jié)點到Sink的轉(zhuǎn)發(fā)率超過88%。

②源節(jié)點到Sink轉(zhuǎn)發(fā)延遲

定義pl(i,j)為第l層節(jié)點i向l-1層轉(zhuǎn)發(fā)集成功轉(zhuǎn)發(fā)的前提下,轉(zhuǎn)發(fā)集中前j-1個節(jié)點發(fā)送失敗,而第j個節(jié)點發(fā)送成功的概率,可表示為式(6):

(6)

則源節(jié)點到Sink轉(zhuǎn)發(fā)延遲EDT(End Delay Time),可表示為式(7):

(7)

式中:Δi,j為節(jié)點i和轉(zhuǎn)發(fā)集中節(jié)點j下一活動時隙的時隙間隔數(shù);π是節(jié)點一次成功發(fā)送數(shù)據(jù)包所需時間。

③源節(jié)點到Sink傳輸能耗

網(wǎng)絡(luò)模型中,假定網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中節(jié)點均勻密集部署,且具有相同發(fā)射功率。依據(jù)本文能量消耗模型,當數(shù)據(jù)包沿多跳路徑發(fā)送到Sink節(jié)點,所產(chǎn)生的能耗與發(fā)送節(jié)點到Sink節(jié)點的跳數(shù)成正比,能量消耗模型對應(yīng)式(2),由于每一跳最多發(fā)送k次,則E∈[e·hop,k·e·hop],其中e表示發(fā)送一次數(shù)據(jù)所需能耗。

5 仿真結(jié)果及討論

本節(jié)將通過java語言編寫的模擬器仿真并分析協(xié)議的性能。每個時隙隨機選擇一個節(jié)點作為源節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包,經(jīng)過多跳轉(zhuǎn)發(fā)到達Sink節(jié)點,所有仿真數(shù)值均為40個隨機場景結(jié)果的平均值。網(wǎng)絡(luò)相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 仿真參數(shù)

5.1 轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)k對網(wǎng)絡(luò)性能影響

在EEDRP協(xié)議中,為了分析轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)k對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)率、轉(zhuǎn)發(fā)延遲和網(wǎng)絡(luò)生命期的影響,我們將轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)由2增加到5,網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)目固定為500不變,仿真結(jié)果及討論如下:

圖3(a)顯示了k對從源節(jié)點到Sink端到端平均轉(zhuǎn)發(fā)率影響,從圖中可以發(fā)現(xiàn),隨著k的增加,成功轉(zhuǎn)發(fā)率增大。這是由于k增加后,轉(zhuǎn)發(fā)集節(jié)點增多,最終成功傳輸?shù)絊ink節(jié)點的包越多。圖3(b)是k對從源節(jié)點到Sink端到端平均轉(zhuǎn)發(fā)延遲的影響,從圖3可以看出,隨著k的增加,通過轉(zhuǎn)發(fā)集節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的幾率增加,使得每一跳轉(zhuǎn)發(fā)延遲降低,最終降低了端到端平均延遲。圖3(c)是k對網(wǎng)絡(luò)生命期的影響。可以看出,隨著k的增加,網(wǎng)絡(luò)生命期呈減少趨勢,這是由于節(jié)點發(fā)送次數(shù)增加,如果鏈路質(zhì)量較差,需要多次發(fā)送,使得發(fā)送節(jié)點的能量消耗較大。另外,轉(zhuǎn)發(fā)集節(jié)點越多,計算量和通信量越大,這些都影響著網(wǎng)絡(luò)生命期。綜上分析,k過小降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)霓D(zhuǎn)發(fā)率,增加了數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t。另一方面,隨著k的增加,網(wǎng)絡(luò)生命期呈現(xiàn)明顯降低趨勢。最終,結(jié)合結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)生命期要求較長的特點,同時綜合網(wǎng)絡(luò)的整體性能,選擇k值為4。

圖3

5.2 3種協(xié)議不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點密度下性能比較

我們將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)由300增加到600,固定部署區(qū)域大小不變,在3種協(xié)議EEDRP、FLOOD和RMS下,對源節(jié)點到Sink端到端平均轉(zhuǎn)發(fā)率、平均延遲和平均網(wǎng)絡(luò)生命期進行了比較。

圖4(a)是3種協(xié)議下,節(jié)點端到端的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)率分布情況。從圖中可以發(fā)現(xiàn),隨著節(jié)點數(shù)量的增大,3種協(xié)議的平均轉(zhuǎn)發(fā)率均呈增加趨勢。這是由于部署區(qū)域固定,隨著節(jié)點數(shù)量的增加,每個節(jié)點的周圍處于活動狀態(tài)節(jié)點增多,這增加了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)率。另外,RMS轉(zhuǎn)發(fā)率性能稍微優(yōu)于EEDRP,而這種兩協(xié)議該性能要遠遠低于FLOOD。這是由于,FLOOD不管數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的方向,向周圍節(jié)點進行廣播,這就極大的增加了數(shù)據(jù)包被轉(zhuǎn)發(fā)給Sink節(jié)點的概率。RMS的轉(zhuǎn)發(fā)率優(yōu)于EEDRP,這是因為RMS在選擇轉(zhuǎn)發(fā)集時,選擇鏈路質(zhì)量最高的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā),而EEDRP中β=0.9,綜合了鏈路質(zhì)量和節(jié)點剩余能量,弱化了鏈路質(zhì)量因素,使得轉(zhuǎn)發(fā)率有一定程度降低。圖4(b)是3種協(xié)議下網(wǎng)絡(luò)節(jié)點端到端的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)延遲分布情況。從圖4可以發(fā)現(xiàn),隨著節(jié)點數(shù)量的增大,3種協(xié)議的轉(zhuǎn)發(fā)延遲均呈遞減趨勢,FLOOD轉(zhuǎn)發(fā)延遲要遠優(yōu)于其他兩種協(xié)議,而RMS的轉(zhuǎn)發(fā)延遲稍微優(yōu)于EEDRP,原因與圖4(a)情況類似,為避免篇幅冗長,在此略去。圖4(c)是3種協(xié)議網(wǎng)絡(luò)生命期比較情況。

圖4

從圖4可以發(fā)現(xiàn),隨著節(jié)點數(shù)量的增加,EEDRP和RMS的網(wǎng)絡(luò)生命期呈現(xiàn)上升趨勢,FLOOD逐漸降低。這是由于隨著節(jié)點密度的增加,在EEDRP和RMS中,有更好鏈路質(zhì)量的節(jié)點參與轉(zhuǎn)發(fā),而FLOOD中同時處于活動狀態(tài)節(jié)點的增多,由于沒有轉(zhuǎn)發(fā)集的選擇,使得一個節(jié)點的任意鄰居節(jié)點有數(shù)據(jù)包要發(fā)送時,可能都要通過該節(jié)點,極大的降低了該節(jié)點的壽命,影響了整個網(wǎng)絡(luò)的生命期。從圖4還可以看出,對于任意一組節(jié)點數(shù)量固定的網(wǎng)絡(luò)仿真,EEDRP網(wǎng)絡(luò)生命期最高,且EEDRP和RMS的網(wǎng)絡(luò)生命期要遠遠高于FLOOD。FLOOD網(wǎng)絡(luò)生命期最低,這是由自身的洪泛特性決定的;EEDRP網(wǎng)絡(luò)生命期高于RMS,這是由于,首先,RMS在初始化時,為每個節(jié)點都分配了最優(yōu)的時隙,而這是以通信和計算開銷為代價的,而EEDRP協(xié)議根據(jù)每個節(jié)點ID確定工作調(diào)度,不需要額外的通信開銷。其次,EEDRP在選擇轉(zhuǎn)發(fā)集使用了參數(shù)β,考慮了下一跳節(jié)點剩余能量,從而均衡了節(jié)點間能量消耗,提高了網(wǎng)絡(luò)生命期。

6 結(jié)論

本文針對結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)生命期要求較高的特點,提出了一種低占空比網(wǎng)絡(luò)下能量高效的動態(tài)路由協(xié)議EEDRP。仿真結(jié)果表明:相對于FLOOD和RMS,EEDRP具有最大的網(wǎng)絡(luò)生命期,同時能滿足結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測應(yīng)用所需轉(zhuǎn)發(fā)率和延遲性能要求。

[1] Liu X,Cao J,Song W Z. Distributed Sensing for High-Quality Structural Health Monitoring using WSNs[J]. IEEE Transactions on Parallel Distributed Systems(TOPDS),2015,26(3):738-747.

[2] Sante R D. Fibre Optic Sensors for Structural Health Monitoring of Aircraft Composite Structures:Recent Advances and Applications[C]//Sensors,2015,15(8):18666-18713.

[3] 任小芳,賈棟,趙輝,等. 基于光纖Bragg光柵的古建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)研究[J]. 傳感器技術(shù)學(xué)報,2015,28(1):34-38.

[4] 季賽,黃麗萍,孫亞杰. 面向無線傳感結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的壓縮感知方法研究[J]. 傳感器技術(shù)學(xué)報,2013,26(12):1740-1746.

[5] 俞姝穎,吳小兵. 陳貴海無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在橋梁健康監(jiān)測中的應(yīng)用[J]. 軟件學(xué)報,2015,26(6):1486-1498.

[6] Beutel J,Gruber S,Gubler S. The PermaSense Remote Monitoring Infrastructure[C]//International Snow Science Workshop Davos 2009. Switzerland. 2009:187-191.

[7] 陳曉江,房鼎益. PDHP:一個適于土遺址微環(huán)境監(jiān)測的WSN 路由協(xié)議[J]. 計算機研究與發(fā)展,2011,48(增刊):223-229.

[8] Tie X,Venkataramani A,Balasubramanian A. R3:Robust Replication Routing in Wireless Networks with Diverse Connectivity Characteristics[C]//Proceedings of the 17th Annual International Conference on Mobile Computing and Networking,2011:181-192.

[9] Buettner M,Yee G V,Anderson E,et al. X-MAC:A Short Preamble MAC Protocol for Duty-Cycled Wireless Sensor Networks[J]. Sensys,2015,14(4):307-32.

[10] Xiao M,Wu J,Huang L. Time-Sensitive Utility-Based Single-Copy Routing in Low-Duty-Cycle Wireless Sensor Networks[C]//IEEE Transactions on Parallel Distributed Systems(TOPDS),2015,26(5):1452-1465.

[11] Gang Lu,Bhaskar Krishnamachari,Cauligi S Raghavendra. An Adaptive Energy-Efficient and Low-Latency MAC for Data Gathering in Wireless Sensor Networks[C]//Proceedings of the 18th International Parallel and Distributed Processing Symposium(IPDPS),2004. April 2004.

[12] Landsiedel O,Ghadimi E,Duquennoy S,et al. Low Power,Low Delay:Opportunistic Routing meets Duty Cycling[C]//Proceedings of the 11th ACM/IEEE International Conference on Information Processing in Sensor Networks(IPSN’12),Beijing,China,April 2012.

[13] Cao Y,Guo S,He T. Robust Multi-Pipeline Scheduling in Low-Duty-Cycle Wireless Sensor Networks[C]//Proc of IEEE Infocom. Orlando,2012:361-369.

[14] Gu Y,He T.Data Forwarding in Extremely Low Duty-Cycle Sensor Networks with Unreliable Communication Links[C]//Proc ACM SenSys,2007:321-334.

[15] Xiong S,Li J,Li M,et al. Multiple Task Scheduling for Low-Duty-Cycled Wireless Sensor Networks[C]//IEEE INFOCOM,2011.

[16] Cao Z,He Y,Ma Q,et al. L2:Lazy Forwarding in Low-Duty-Cycle Wireless Sensor Network[C]//IEEE/ACM Transactions on Networking.(TON),2015,23(3):922-930.

韓雨澇(1981-),男,陜西禮泉人,博士,講師,主要研究領(lǐng)域為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計,ylhan2008@126.com;

陳三清(1980-),男,湖北省廣水市人,碩士,講師,研究方向為移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用。

An Energy Efficient Dynamic Routing Protocol in WSN forStructural Health Monitoring*

HAN Yulao*,CHEN Sanqing

(Department of mathematics and computer,Panzhihua university,Panzhihua Sichuan 617000,China)

With the shortage problem of network lifetime in wireless sensor network of structural health monitoring,this paper proposes a routing protocol EEDRP(Energy Efficient Dynamic Routing Protocol)in the low duty cycle network. The protocol dynamically works out a set of forwarding nodes by using neighbor nodes’ link quality and residual energy. At the same time,the protocol also solves the problem of data transmission failure caused by unreliable links by the data packet retransmission mechanism which is based on predicting active time slots of forwarding set. At last,a simulation platform was established to verify the protocol,the result showed that the protocol can prolong the network lifetime efficiently in the conditions of assuring reliability and low latency of data collection. Therefore it can meet the application requirements of structural health monitoring.

wireless sensor networks;network lifetime;retransmission mechanism;structural health monitoring;duty cycle

項目來源:國家科技支撐計劃自助項目(2013BAK01B02);國家自然科學(xué)基金項目(61070176,61202393,61272461,61170218);陜西省教育廳科研計劃項目(2011JG06);攀枝花市科技計劃項目(2015CY-S-7)

2016-11-29 修改日期:2017-03-05

TP393

A

1004-1699(2017)07-1106-06

C:6150P

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.07.023