吳 平,孫子文,2*

(1.江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院,江蘇 無錫 214122;2.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用教育部工程研究中心,江蘇 無錫 214122)

工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)IWSN(Industrial Wireless Sensor Networks)[1-2]的路由協(xié)議應(yīng)當(dāng)滿足3個(gè)主要目標(biāo):實(shí)時(shí)性,以最小延遲傳送數(shù)據(jù)包到目的地;可靠性,以最小誤差傳送數(shù)據(jù)包到目的地;網(wǎng)絡(luò)壽命,以最小能耗傳送數(shù)據(jù)包到目的地。但是,工業(yè)環(huán)境的特點(diǎn)使得這3個(gè)主要目標(biāo)受到威脅。第一,在工業(yè)生產(chǎn)流程中,系統(tǒng)需要快速地對廠內(nèi)生產(chǎn)設(shè)備以及生產(chǎn)環(huán)境的狀態(tài)做出響應(yīng),與WSN相比,工業(yè)環(huán)境中的無線通信對數(shù)據(jù)的時(shí)延有非常高的要求[3];第二,在數(shù)據(jù)傳輸中遇到空洞時(shí)即意味著數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)無法到達(dá)目的地,這將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入故障狀態(tài),因此如何遏制空洞以提高可靠性就顯得非常重要;第三,工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的無線節(jié)點(diǎn)具有諸如電源受限等的資源約束,其中路由是電源消耗的主要因素,因此選擇合適的能量策略是提高網(wǎng)絡(luò)壽命的關(guān)鍵[4]。

研究人員已研究了多種提高IWSN網(wǎng)絡(luò)可靠性或網(wǎng)絡(luò)壽命的路由策略。在文獻(xiàn)[5]中,采用地理路由協(xié)議GPSR(Greedy Perimeter Stateless Routing),它運(yùn)用貪婪轉(zhuǎn)發(fā)模式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包,當(dāng)遇到空洞時(shí)采用周邊轉(zhuǎn)發(fā)模式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包,使得轉(zhuǎn)發(fā)可靠性增加,但卻加大了端到端延遲。在文獻(xiàn)[6]中,采用了一種基于GRSR的GRSR-1路由算法,該算法提出兩種度量值:貪婪度量值和邊界度量值。在度量值中綜合考慮了距離、角度和密度因素,最終降低了端到端延遲和截止期錯(cuò)失率,但是該算法沒有考慮能量因素,并且在遇到空洞時(shí),該算法使用的周邊轉(zhuǎn)發(fā)模式會使得節(jié)點(diǎn)跳數(shù)增多,導(dǎo)致實(shí)時(shí)性變?nèi)?。在文獻(xiàn)[7]中,采用了一種能量優(yōu)化的地理路由協(xié)議。該協(xié)議通過在優(yōu)化函數(shù)中加入地理位置信息和剩余能量信息,保證了數(shù)據(jù)包的正確傳輸并且優(yōu)化了能量,但是由于協(xié)議在遇到空洞時(shí)依然使用的是周邊轉(zhuǎn)發(fā)模式,因此實(shí)時(shí)性能受到威脅。在文獻(xiàn)[8]中,采用了一種基于兩跳鄰居節(jié)點(diǎn)信息的地理路由算法—Greedy-2算法,該算法依靠兩跳距離信息使數(shù)據(jù)包及時(shí)避開空洞,可靠性增加,但Greedy-2的邊緣恢復(fù)機(jī)制無法保證截止期交付率,實(shí)時(shí)性受到威脅。這些協(xié)議雖然一定程度上提高了可靠性以及網(wǎng)絡(luò)壽命,但卻忽略了實(shí)時(shí)性,因此還存在不足。

研究人員也研究了很多提高IWSN實(shí)時(shí)性以及網(wǎng)絡(luò)壽命的路由策略。在文獻(xiàn)[9]中,采用了基于雙跳速度的路由協(xié)議THVR THVR(Two-Hop Velocity-based Routing)。路由協(xié)議通過兩跳的“望遠(yuǎn)鏡”功能,具有提前感知能力;以速度代替距離,實(shí)時(shí)性得到增強(qiáng);并通過考慮剩余能量,平衡了能量消耗,但THVR使用的概率丟包策略不能有效解決空洞問題,可靠性不能得到保證。在文獻(xiàn)[10]中,提出了一種基于兩跳速度信息的梯度路由,結(jié)果顯示實(shí)時(shí)性能和能量效率提高,但是算法本身計(jì)算復(fù)雜度較高,另外協(xié)議在面對空洞時(shí)并沒有給出具體的可靠性措施。這些協(xié)議都通過不同的方法提高了實(shí)時(shí)性以及網(wǎng)絡(luò)壽命,但對于可靠性要求高的IWSN,這些方法也存在不足。

針對IWSN對實(shí)時(shí)性、可靠性以及網(wǎng)絡(luò)壽命的要求,文獻(xiàn)[11]采用了基于功率調(diào)節(jié)的實(shí)時(shí)路由協(xié)議CDRR(Critical Data Real-Time Routing)。CDRR路由協(xié)議在截止期的基礎(chǔ)上選擇速度最快的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)來滿足實(shí)時(shí)性;通過選擇剩余能量較多的節(jié)點(diǎn)來提高網(wǎng)絡(luò)壽命;通過功率調(diào)節(jié)來滿足節(jié)點(diǎn)的可靠性。雖然CDRR全面考慮了實(shí)時(shí)性、可靠性以及節(jié)點(diǎn)能耗,但其一跳速度策略并沒有明顯提高實(shí)時(shí)性,并且只考慮剩余能量也不足以平衡網(wǎng)絡(luò)能量,有必要尋求綜合性能更好的路由協(xié)議來滿足IWSN的3個(gè)目標(biāo)。

本文針對工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對實(shí)時(shí)性、可靠性以及網(wǎng)絡(luò)壽命的要求,研究了一種基于兩跳速度的實(shí)時(shí)可靠路由算法THTR(Two-Hop Reliable and Real-Time Routing)。一方面,節(jié)點(diǎn)通過收集兩跳范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)的位置與速度信息,來降低截止期丟包率,提高實(shí)時(shí)性;另一方面,通過調(diào)整傳輸功率,每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)動態(tài)選擇其傳輸距離,提高協(xié)議的可靠性;此外,通過權(quán)重將剩余能量以及節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)能耗同時(shí)考慮,平衡了網(wǎng)絡(luò)能量,提高了網(wǎng)絡(luò)壽命。

1 基于功率調(diào)節(jié)的實(shí)時(shí)可靠路由協(xié)議

從實(shí)時(shí)性、可靠性以及能量消耗3個(gè)方面進(jìn)行路由協(xié)議的研究。

1.1 基于兩跳速度的實(shí)時(shí)路由策略

所提出的路由算法通過將距離除以估計(jì)的延遲,把滿足端到端延遲的問題轉(zhuǎn)化為提供每跳所需速率的局部問題,以實(shí)現(xiàn)期望的及時(shí)性數(shù)據(jù)包傳遞。文獻(xiàn)[9]仿真結(jié)果表明,通過定義基于兩跳的速度,可以優(yōu)化跳數(shù),降低截止期錯(cuò)失率,提高能量有效性;但文獻(xiàn)[12]也指出,從兩跳到三跳的復(fù)雜度明顯上升,端到端延遲也大幅度提高。因此,基于兩跳速度的策略是對性能改進(jìn)和復(fù)雜度之間的折中。

1.1.1 傳輸延遲估計(jì)

鏈路的延遲估計(jì)對路由決策有著很大影響。鏈路延遲由傳播延遲和傳輸延遲兩部分組成,將數(shù)據(jù)包從節(jié)點(diǎn)傳給目的節(jié)點(diǎn)路徑中的跳鄰居節(jié)點(diǎn)定義為。傳輸?shù)目傃舆t為:

delay1=delaysp(i,i+1)+delaydata(i,i+1)

(1)

delay2=delaysp(i+1,i+2)+delaydata(i+1,i+2)

(2)

式中:delay1是將數(shù)據(jù)包從節(jié)點(diǎn)i節(jié)點(diǎn)傳到i+1節(jié)點(diǎn)的總延遲時(shí)間,delay2是將數(shù)據(jù)包從i+1傳到i+2的總延遲時(shí)間;delaysp(i,i+1)是節(jié)點(diǎn)i和i+1之間的傳播延遲,delaysp(i+1,i+2)是節(jié)點(diǎn)i+1和i+2之間的傳播延遲;delaydata(i,i+1)是節(jié)點(diǎn)i和i+1之間的數(shù)據(jù)傳輸延遲;delaydata(i+1,i+2)是節(jié)點(diǎn)i+1和i+2之間的數(shù)據(jù)傳輸延遲,數(shù)據(jù)傳輸延遲的值是固定的,可以由數(shù)據(jù)包長度除以數(shù)據(jù)包傳輸?shù)谋忍芈实玫健?/p>

基于自由空間模型給出接收/發(fā)射功率之比[13],如式(3):

qi+1_rec/qi_send=[λ/(4πr)]2

(3)

式中:qi_send是轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)i的發(fā)射功率,qi+1_rec是鄰居節(jié)點(diǎn)i+1的接收功率,λ是信號的波長,r是節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)i+1之間的距離。由式(3)可得兩節(jié)點(diǎn)間的距離,如式(4):

(4)

于是節(jié)點(diǎn)i和i+1之間的傳播延遲估計(jì)為:

(5)

式中:f是電磁波的頻率,c為電磁波的傳播速度,滿足c=λf。

1.1.2 路由機(jī)制

設(shè)源節(jié)點(diǎn)S到目的節(jié)點(diǎn)D的距離為d(S,D),截止時(shí)間為tdeadline,那么所需的源節(jié)點(diǎn)S到目的節(jié)點(diǎn)D的數(shù)據(jù)包的傳輸速度[14]為:

(6)

為了計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)i與兩跳鄰居節(jié)點(diǎn)之間的速度,給出集合式(7)和式(8):

H1(i+1)={i+1|d(i,D)-d(i+1,D)>0,i+1∈W(i)}

(7)

H2(i+2)={i+2|d(i+1,D)-d(i+2,D)>0,
i+1∈H(i+1),i+2∈W(i+1)}

(8)

式中:H1(i+1)表示所有滿足條件的一跳鄰居節(jié)點(diǎn)i+1集合,W(i)和W(i+1)表示節(jié)點(diǎn)i或節(jié)點(diǎn)i+1傳輸范圍內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn);表示所有滿足條件的兩條鄰居節(jié)點(diǎn)i+2集合。

一跳和兩跳節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)示意圖如圖1所示。

圖1 節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)示意圖

(9)

(10)

在路由機(jī)制中,鄰居表由節(jié)點(diǎn)ID、節(jié)點(diǎn)位置以及剩余能量構(gòu)成。其中,節(jié)點(diǎn)ID表示節(jié)點(diǎn)身份,位置表示地理坐標(biāo)。通過兩輪HELLO消息,每個(gè)節(jié)點(diǎn)都知道它的一跳或兩跳鄰居個(gè)數(shù)和位置。

1.1.3 關(guān)節(jié)度量

(11)

式中:E(qi_send)表示以qi_send為發(fā)射功率轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包消耗的能量,E(qi+1_send)表示以qi+1_send為發(fā)射功率轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包消耗的能量。Ei+1為節(jié)點(diǎn)i+1的剩余能量,Ei+2表示節(jié)點(diǎn)i+2的剩余能量。

采用文獻(xiàn)[15]給出的能量策略來估計(jì)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包所要消耗的能量,如式(12)所示:

(12)

式中:Eelec表示發(fā)射電路損耗的能量。若傳輸距離小于閾值d0,功率放大損耗采用自由空間模型;當(dāng)傳輸距離大于等于閾值d0時(shí),采用多路徑衰減模型。εfs、εamp分別為這兩種模型中功率放大所需的能量,l表示數(shù)據(jù)包的比特?cái)?shù)[16]。

同時(shí)定義如下的線性優(yōu)化函數(shù):

(13)

(14)

式中:0

通過分析,當(dāng)截止時(shí)間較長、剩余時(shí)間Δt較多或者剩余距離較小時(shí),對于前者速度的權(quán)重就小,由此可以更多地將業(yè)務(wù)分配到剩余能量較多或者消耗能量較少的節(jié)點(diǎn);當(dāng)截止時(shí)間較短、剩余時(shí)間Δt較少或者剩余距離較大時(shí),需要保證截止期傳輸成功率,對于前者速度的權(quán)重就大。

1.2 可靠實(shí)時(shí)路由

IWSN的整體系統(tǒng)可靠性取決于傳感器節(jié)點(diǎn),通信鏈路以及網(wǎng)關(guān)的可靠性。其中,傳感器節(jié)點(diǎn)的可靠性對提高系統(tǒng)可靠性起著重要作用。

基于兩跳速度的路由協(xié)議能夠很大程度上能改善實(shí)時(shí)性能,但地理路由一般遵循貪婪轉(zhuǎn)發(fā)模式,這種轉(zhuǎn)發(fā)模式的一個(gè)明顯的缺陷就是遇到空洞,即通信范圍內(nèi)沒有滿足速度的可用的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)或者是集合H1(i+1)=?,傳統(tǒng)方法是啟動重新路由機(jī)制或啟用周邊轉(zhuǎn)發(fā)模式重新尋找路徑,但是這樣的方式不能及時(shí)地提供數(shù)據(jù)。針對以上問題,本文給出以下解決策略:

①盡力轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制

在轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)i的通訊范圍內(nèi)有滿足式(7)但不滿足速度要求的一跳鄰居節(jié)點(diǎn),即集合H1(i+1)≠?。

定義如下優(yōu)化度量函數(shù):

(15)

式中:0<β<1是加權(quán)因子,d(i+1,D)表示一跳鄰居節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的距離。為了簡化描述,將前者的比值定義為距離因素,后者的比值定義為剩余能量因素,可以利用權(quán)值系數(shù)來體現(xiàn)不同的環(huán)境對兩種因素的影響程度。

得到優(yōu)化函數(shù)值后,選擇最優(yōu)路徑進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā),將該解決策略定義為盡力轉(zhuǎn)發(fā)策略。

②功率調(diào)節(jié)機(jī)制

在轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)i的通訊范圍內(nèi)沒有滿足式(7)也沒有滿足速度要求的一跳鄰居節(jié)點(diǎn),即H1(i+1)=?。

在這種情況下,為了能夠可靠地傳輸數(shù)據(jù)包,加入功率調(diào)節(jié)機(jī)制解決這種空洞問題。首先,轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)正常工作時(shí)都是以0 dBm的發(fā)射功率轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包,當(dāng)H1(i+1)=?時(shí),轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)將切換到下一功率級E1以便尋找更佳路徑,如果再次發(fā)生故障,轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)再次切換功率,直到切換至E3。當(dāng)切換至E3后依然無法路由,轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)將進(jìn)入故障狀態(tài)。

為了分析與對比加入功率調(diào)節(jié)機(jī)制和未加入功率調(diào)節(jié)機(jī)制的協(xié)議的可靠性,引入狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型。圖2是節(jié)點(diǎn)沒有使用功率調(diào)節(jié)的協(xié)議狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型。狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型中全部使用固定節(jié)點(diǎn)。其中,狀態(tài)1為源節(jié)點(diǎn),狀態(tài)2至狀態(tài)4為中間節(jié)點(diǎn),狀態(tài)5為目的節(jié)點(diǎn),狀態(tài)6為遇到空洞后的故障狀態(tài)。a12、a23、a34和a45分別表示節(jié)點(diǎn)之間正常傳輸?shù)臓顟B(tài)轉(zhuǎn)移概率,a16、a26、a36、a46和a56分別表示節(jié)點(diǎn)在前5個(gè)狀態(tài)進(jìn)入故障的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率。在這種情況下,由于沒有功率調(diào)節(jié),節(jié)點(diǎn)進(jìn)入故障狀態(tài)的可能性非常大,可靠性無法得到保證。

圖2 無功率調(diào)節(jié)的狀態(tài)模型

圖3 帶功率調(diào)節(jié)的狀態(tài)模型

圖3是帶功率調(diào)節(jié)機(jī)制的THTR狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)具有4個(gè)功率級0 dBm、1 dBm、2 dBm 和4 dBm,也就是說,每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)可以基于允許的功率動態(tài)地選擇其傳輸距離。a12、a23、a34和a45表示0 dBm的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率,a13、a24、a35表示 1 dBm 的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率,a14和a25表示2 dBm的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率,而a15表示4 dBm的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率。節(jié)點(diǎn)無論是在5個(gè)狀態(tài)中的哪一個(gè)狀態(tài)都有可能遭遇空洞陷入故障狀態(tài),此狀態(tài)用狀態(tài)6表示。

根據(jù)圖3的狀態(tài)模型,給出狀態(tài)躍概率矩陣A[17],如式(16):

(16)

式中:a11=a12+a13+a14+a15+a16,a22=a23+a24+a25+a26,a33=a34+a35+a36,a44=a45+a46。

令pk(t)=p(qt=k)表示節(jié)點(diǎn)在t時(shí)刻處于狀態(tài)k的概率,根據(jù)切普曼-柯爾莫哥洛夫微分方程,有

p′(t)=p(t)A

(17)

式中:p(t)=[p1(t)p2(t)p3(t)p4(t)p5(t)]為狀態(tài)向量,p′(t)為p(t)的一階微分狀態(tài)向量。對式(17)進(jìn)行Laplace變換,得:

(18)

若節(jié)點(diǎn)在初始條件下處于正常狀態(tài),那么

p(0)=
[p1(0)p2(0)p3(0)p4(0)p5(0)]T=
[10000]T

(19)

接著,將狀態(tài)躍居概率矩陣A轉(zhuǎn)置的值代入式(18)中,對P(s)進(jìn)行Laplace反變換,最終得到節(jié)點(diǎn)在t時(shí)刻處于狀態(tài)k的概率pi(t)(i=1,2,3,4,5)。令R(t)為系統(tǒng)的總可靠度,那么,

R(t)=1-p6(t)=p1(t)+p2(t)+p3(t)+p4(t)+p5(t)

(20)

1.3 THTR算法流程

若式(7)是?,則對轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)i啟用功率調(diào)節(jié)機(jī)制并重新選擇路徑,直至調(diào)節(jié)至最大發(fā)射功率E3,若依然無法找到合適的路徑,節(jié)點(diǎn)將進(jìn)入故障狀態(tài)。具體流程如圖4所示。

圖4 THTR算法節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包流程圖

2 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為研究算法的有效性,本文對THTR路由算法進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn),并將THTR路由算法與已有的未加入功率調(diào)節(jié)機(jī)制的協(xié)議、CDRR算法的性能進(jìn)行了對比。

2.1 可靠性分析

利用MATLAB R2012b進(jìn)行可靠性仿真。對圖2中無功率調(diào)節(jié)算法的狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型進(jìn)行可靠性評估,并且將它與圖3中THTR的狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型可靠性進(jìn)行對比。考慮傳輸范圍、節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的影響,將圖2中成功和故障狀態(tài)轉(zhuǎn)換概率都設(shè)定為0.02(0 dBm的傳輸距離大約在30 m～40 m,假設(shè)傳輸范圍內(nèi)有50個(gè)節(jié)點(diǎn),轉(zhuǎn)移概率大約為0.02),并代入式(16)得到概率矩陣A,將矩陣A的轉(zhuǎn)置以及式(19)代入式(18)中,得到節(jié)點(diǎn)在t時(shí)刻處于狀態(tài)k的概率pi(t)(i=1,2,3,4,5),最終根據(jù)式(20)得到總可靠度。同理,對于圖3中的成功和故障狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率,都設(shè)定為0.002(假設(shè)4 dBm的傳輸范圍內(nèi)有500個(gè)節(jié)點(diǎn),那么轉(zhuǎn)移概率大約為0.002),并根據(jù)上述方法得到總可靠度。

圖5的結(jié)果表明,隨著天數(shù)的增加,網(wǎng)絡(luò)可靠度都在減小,對于無功率調(diào)節(jié)算法,在時(shí)間趨于300天時(shí)網(wǎng)絡(luò)可靠度急劇下滑,在300天時(shí)變?yōu)?;對于加入功率調(diào)節(jié)機(jī)制的THTR,在時(shí)間趨于800天時(shí)可靠度開始下滑,并在800天時(shí)變?yōu)?。因此,通過對模型的分析,加入功率調(diào)節(jié)機(jī)制可以增加網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

圖5 總可靠度

圖6 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2.2 實(shí)時(shí)性與能耗分析

采用OPNET建模者14.5建立實(shí)時(shí)性與能耗仿真平臺。在200 m×200 m的區(qū)域內(nèi)隨機(jī)部署200個(gè)節(jié)點(diǎn),源節(jié)點(diǎn)位于(175 m,175 m),目的節(jié)點(diǎn)位于(20 m,20 m)。圖6顯示了網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在OPNET上進(jìn)行仿真的節(jié)點(diǎn)參數(shù)配置如表1所示。

表1 場景及節(jié)點(diǎn)參數(shù)配置

在模擬中,每個(gè)節(jié)點(diǎn)都以恒定比特率來轉(zhuǎn)發(fā)和接收數(shù)據(jù)包。節(jié)點(diǎn)的初始發(fā)射功率設(shè)定為0 dBm,遇到空洞后,陸續(xù)切換至1 dBm、2 dBm和4 dBm。

為了強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)性,式(15)中的參數(shù)β設(shè)置為較大值0.9。根據(jù)文獻(xiàn)[18]得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,對式(12)的未知參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,最終實(shí)驗(yàn)仿真參數(shù)如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)仿真參數(shù)

以初始的場景及節(jié)點(diǎn)參數(shù)為基礎(chǔ),對3種協(xié)議的性能在不同的截止期需求(900 ms～1 800 ms)條件下進(jìn)行仿真對比。每一個(gè)截止期進(jìn)行10次模擬,將單次模擬時(shí)間設(shè)置為45 min,采用10次模擬結(jié)果的平均值。為了提供節(jié)點(diǎn)故障的行為,給定80個(gè)節(jié)點(diǎn)以20 s的間隔陸續(xù)關(guān)閉,并且對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的鄰居表以20 s的間隔進(jìn)行更新。

圖7 截止期錯(cuò)失率

2.2.1 截止期錯(cuò)失率

截止期錯(cuò)失率DMR(Deadlines Missed Ratio)是實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)傳遞的重要性能參數(shù)。表示在最后期限內(nèi)沒有成功傳遞至目的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包與發(fā)送數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)的比值。圖7顯示了在不同截止期的3種路由協(xié)議的DMR。從圖7可以看出,THTR在任意一個(gè)截止期下的DMR都比無功率調(diào)節(jié)算法和CDRR都要小。截止期為1 300 ms時(shí),THTR的DMR為46.2%,CDRR為62.3%,相差了16.1%;截止期為1 500 ms時(shí),THTR為30.2%,CDRR為45%,相差了15.2%。相比CDRR,THTR的主要優(yōu)勢在于THTR采用了基于兩跳速度的路由機(jī)制,而兩跳相對于一跳不僅優(yōu)化了跳數(shù),并且有一定的可能性提早發(fā)現(xiàn)路由空洞而避免它[13]。而對于無功率調(diào)節(jié)算法,數(shù)據(jù)包的丟失率相對于THTR和CDRR都比較大(無功率調(diào)節(jié)算法在搜索不到鄰居時(shí)數(shù)據(jù)包將丟失),因此截止期錯(cuò)失率在各個(gè)截止期就會比較大(在1 300 ms,無功率調(diào)節(jié)算法的DMR為67%,相對于THTR,錯(cuò)失率差異最大,達(dá)到21%),但是另一方面,較于CDRR而言,由于采用了兩跳機(jī)制,雖然截止期錯(cuò)失率還是較高,但兩者差異表現(xiàn)的并不是太大(在1 200 ms,無功率調(diào)節(jié)算法的DMR為74.2%,CDRR的DMR為64.9%,差異最大,為9.3%,不超過10%)。

當(dāng)源節(jié)點(diǎn)設(shè)定個(gè)數(shù)在2～16,截止期設(shè)定為 1 500 ms時(shí),3種路由協(xié)議的截止期錯(cuò)失率比較如圖8所示。

圖8 不同源節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)下的截止期錯(cuò)失率

圖8顯示隨著源節(jié)點(diǎn)的增多,截止期錯(cuò)失率也在不斷增加。這是因?yàn)樵垂?jié)點(diǎn)的增多使得待傳數(shù)據(jù)包增多,網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增大,可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞以及信道沖突。此外,從圖8可以看出THTR算法在不同源節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的情況下截止期錯(cuò)失率要比無功率調(diào)節(jié)算法和CDRR小很多,實(shí)時(shí)性能較好(當(dāng)源節(jié)點(diǎn)為2時(shí),THTR的DMR為33.9%,相對于DMR為51%的無功率調(diào)節(jié)算法和DMR為47.6%的CDRR,錯(cuò)失率差異最小,分別為17.1%和13.7%)。一方面是由于兩跳速度策略降低了截止期錯(cuò)失率,另一方面,網(wǎng)絡(luò)擁塞的存在會增加由于數(shù)據(jù)重傳次數(shù)增多而帶來的延遲,而功率調(diào)節(jié)機(jī)制的引入減少了丟包率,在一定程度上減少網(wǎng)絡(luò)擁塞帶來的負(fù)面影響,從而增加鏈路穩(wěn)定性。

2.2.2 能量消耗

對THTR算法、無功率調(diào)節(jié)算法和CDRR算法進(jìn)行能耗有效性對比。首先評估在每個(gè)截止期下從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)成功傳遞的數(shù)據(jù)包能耗的平均值,再分別取10次模擬結(jié)果的平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比。圖7中,考慮到當(dāng)截止期為900 ms時(shí),3種路由協(xié)議的截止期錯(cuò)失率都為100%,于是在對能量消耗進(jìn)行評估時(shí)將不再考慮900 ms時(shí)的包平均能耗。

圖9中,當(dāng)截止期在1 000 ms到1 400 ms之間,THTR的包平均能耗比CDRR的包平均能耗都低10%以上,特別是截止期在1 100 ms時(shí),THTR的包平均能耗為102 mJ,比包平均能耗為117 mJ的CDRR少了15 mJ,表明THTR比CDRR更加節(jié)能。這是因?yàn)門HTR采用兩跳策略優(yōu)化了跳數(shù),降低了截止期錯(cuò)失率以及采用了不同的能量策略,CDRR僅僅考慮了節(jié)點(diǎn)的剩余能量,而THTR不僅考慮了剩余能量還考慮了轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包所需要的能耗。此外,從圖9可以看出,截止期在1 000 ms和1 300 ms之間時(shí),無功率調(diào)節(jié)算法的包平均能耗總是比THTR的包平均能耗低6%～9%,截止期在1 400 ms到1 800 ms之間時(shí),兩者包平均能耗基本相差不大,這是因?yàn)闊o功率調(diào)節(jié)算法的截止期錯(cuò)失率較高,而仿真只計(jì)算了成功傳遞的數(shù)據(jù)包的平均能耗,相對于加了功率調(diào)節(jié)機(jī)制的THTR,無功率調(diào)節(jié)算法的包平均能耗較小。

圖9 平均能耗比較

3 結(jié)束語

本文通過把功率調(diào)節(jié)機(jī)制加入到兩跳速度的路由策略中,研究了一種實(shí)時(shí)可靠的路由協(xié)議。首先,通過對狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型的分析,可靠性得到提升,網(wǎng)絡(luò)壽命隨之增強(qiáng);其次,兩跳速度策略有效地降低了數(shù)據(jù)包的截止期錯(cuò)失率,從而降低了傳輸延遲,提高了實(shí)時(shí)性;最后,采用新的能量策略,既考慮了節(jié)點(diǎn)的剩余能量也考慮了節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包能耗,平衡了網(wǎng)絡(luò)能量,提高了網(wǎng)絡(luò)壽命。

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