丁 凰，繆相林，王 梅，張 媛

（1. 西安交通大學 城市學院，西安 710018；2. 西安交通大學 計算機科學與技術學院，西安 710049）

0 引言

隨著電子通信技術的發(fā)展，無線傳感網絡(wireless sensor networks， WSNs)已廣泛應用于環(huán)境監(jiān)測[1-2]，如植物監(jiān)測、海洋環(huán)境勘察、災難預測等。先利用WSNs 內的節(jié)點感測環(huán)境數據，再將數據傳輸到信宿，進而實現(xiàn)對環(huán)境監(jiān)測的目的。

然而，由于WSNs 網絡結構較大，數據須多跳路由才能到達信宿， 即需要多個轉發(fā)節(jié)點才能將數據傳輸到信宿，這就需要有效的轉發(fā)機制?？紤]到節(jié)點能量屬有限能量[3]， 一旦節(jié)點能量消耗盡，節(jié)點就無法工作。因此，在設計轉發(fā)機制時，必須考慮到節(jié)點的能耗問題。

地理位置路由只須依據節(jié)點位置傳輸數據包，無須維護節(jié)點路由表，減少了節(jié)點系統(tǒng)開銷，因此，地理位置路由受到廣泛關注[4]。但是，目前多數地理位置路由只考慮了2 維平面，并基于2 維平面的節(jié)點位置選擇轉發(fā)節(jié)點。而真實的網絡，如水下 傳感網絡，節(jié)點是處于3 維平面的。

此外，由于采用貪婪轉發(fā)策略，地理位置路由還存在路由空洞問題[5]。文獻[6]針對路由空洞問題提出了解決方案，但它只在2 維平面有效，無法應用于3 維平面[7]。

文獻[8]結合了貪婪轉發(fā)和角度轉發(fā)機制，提出 角 度 路 由 協(xié) 議(angular routing protocol， ARP)， 當節(jié)點遭遇路由空洞時，就依據最小角度迂回數據包進行轉發(fā)。文獻[9]提出空洞處理路由(a void handing routing， AVHR)策略，其采用3 維貪婪角度機制傳輸數據包，并具有數據包跟蹤功能。文獻[10]針對3 維WSNs 提出實時的地理位置路由(real-time geographical routing， RTGR)，并引用自適應數據轉發(fā)區(qū)域，致使只有在該區(qū)域內的數據包才能被接收。

然而，這些協(xié)議沒有考慮到能耗問題來選擇轉發(fā)節(jié)點，仍是沿用貪婪轉發(fā)機制。為此，本文提出基于能效角度路由(energy efficient angle based routing， EEAR)，先依據角度信息選擇下一跳轉發(fā)節(jié)點集，然后再依據距離和能量信息，選擇從轉發(fā)節(jié)點集中擇優(yōu)選擇轉發(fā)節(jié)點。若遭遇路由空洞時，調整角度，擴大選擇下一跳轉發(fā)節(jié)點的區(qū)域。仿真結果表明，提出的EEAR 路由能有效地提高數據包傳遞率，減少能耗。

1 EEAR 路由

1.1 網絡模型

假定網絡由n 個同構的傳感節(jié)點組成，每個節(jié)點擁有自己和信宿的3 維位置信息。網絡的3 維空間的拓撲信息為已知信息，每個節(jié)點的傳輸半徑為R，最初給每個節(jié)點設定1 個初始的錐角α ，并利用錐角α 選擇向信宿傳輸數據包的下一跳轉發(fā)節(jié)點。

當源節(jié)點需要傳輸數據包時，先設置數據包的首部，包括發(fā)送節(jié)點標識符(identifier， ID)，發(fā)送節(jié)點坐標、錐角α 和數據包壽命。由于每個節(jié)點均知道信宿的位置信息，數據包首部無需嵌入信宿位置信息。

每個節(jié)點維持2 個隊列：已發(fā)的隊列(resend queue， RQ)和 已 傳 輸 的 隊 列(transmitted queue， TQ)。RQ 表示源節(jié)點已傳輸且下一跳轉發(fā)節(jié)點還未轉發(fā)的數據包[11]，TQ 表示源節(jié)點已傳輸且下一跳轉發(fā)也成功轉發(fā)的數據包。每個節(jié)點周期地更新RQ 和TQ。

當節(jié)點發(fā)送了1 個數據包Data，最初節(jié)點就保存它的復本，并將復本保存于RQ。若節(jié)點監(jiān)聽到下一跳轉發(fā)節(jié)點已轉發(fā)了Data，就將Data 從RQ中刪除，并將Data 加入TQ。

1.2 初始錐角α

初始錐角α 對選擇下一跳轉發(fā)節(jié)點有重要影響，須慎重計算。如果所有節(jié)點的錐形傳輸區(qū)域等于整個區(qū)域，錐角包含1 個節(jié)點，則網絡的整個錐形體積cV 為

令V 表示整個網絡區(qū)域的體積，m 表示可選擇的節(jié)點數。由于所有節(jié)點的錐形區(qū)域等于整個網絡的區(qū)域，因此， mV = nVc。據此得出初始錐角α 的計算公式為

1.3 候選轉發(fā)節(jié)點集

假定節(jié)點i 為源節(jié)點，其需要傳輸它的數據包為Datai。最初，節(jié)點向鄰居節(jié)點廣播Datai，一旦鄰居節(jié)點 j ∈ Ni收到數據包Datai，鄰居節(jié)點j 就從Datai的首部提取源節(jié)點的位置信息。再計算轉發(fā)角度

圖1 計算轉發(fā)角示意圖

鄰居節(jié)點j 一旦計算了轉發(fā)角 jθ ，就將 jθ 與錐角α 進行比較。若 jθ 小于α ，鄰居節(jié)點j 就可加入候選轉發(fā)節(jié)點集 iψ ，即

1.4 下一跳轉發(fā)節(jié)點

在密集型網絡區(qū)域內[12]，轉發(fā)節(jié)點集 iψ 內可能有多個節(jié)點，若 iψ 存在多個節(jié)點，就再從中擇優(yōu)轉發(fā)節(jié)點。

為了更好地選擇轉發(fā)節(jié)點，EEAR 路由考慮節(jié)點能量和距離信息，從轉發(fā)節(jié)點集 iψ 中產生1 個轉發(fā)節(jié)點，并由此節(jié)點轉發(fā)數據。令 jW 表示節(jié)點j 融合了剩余能量和距離信息的權重，其定義為

計算 iψ 內的節(jié)點權重值后，再依權重設置定時器。權重值越大，定時時間越短。一旦定時完畢，且未監(jiān)聽到節(jié)點轉發(fā)數據包，就立即轉發(fā)數據包。令 jT 表示節(jié)點j 的定時時間，即

圖2 轉發(fā)數據流程

1.5 路由空洞的處理

在節(jié)點稀疏環(huán)境，可能會出現(xiàn) iψ 內沒有節(jié)點，即 iψ φ= ，這說明源節(jié)點i 遭遇路由空洞，在這種情況下，就調整錐角α ，調整的步長為 1α ，即α = α0+ α1， α0為初始錐角，如圖3 所示。 每次調整后，判斷 iψ 內是否為空。若為空，繼續(xù)調整。

圖3 初始錐角α 的調整

2 實驗與結果分析

2.1 仿真實驗環(huán)境

為了更好地分析EEAR 路由性能，利用面向對象的模塊化離散事件仿真工具(objective modular network testbed in C++，OMNET++)軟件建立仿真實驗平臺[13]，OMNET++可以用來仿真任何離散事件系統(tǒng)。圖4 顯示了OMNET++運行的內部結構，主要由用戶接口、模型元件庫、仿真模型等組成，其中仿真模型包含一些常用的網絡協(xié)議、通信模型。

圖4 OMNET++運行內部結構

在300 m × 300 m × 300 m區(qū) 域 隨 機 部 署 100～ 500 個節(jié)點和1 個信宿， 其中信宿位于區(qū)域中心，8 個源節(jié)點位于網絡區(qū)域的8 個角落。所有節(jié)點的初始能量為5 J。引用IEEE 802.11 標準作為介質訪問控制(medium access control， MAC)協(xié)議。具體的仿真參數如表1 所示。

表1 仿真參數

選擇RTGR、AVHR 作為參照，并與EEAR 路由進行性能對比分析，主要分析數據包傳遞率、剩余能量和流量。每次實驗獨立重復10 次，取平均值作為最終的實驗數據。

2.2 數據包傳遞率

網絡內節(jié)點數對數據包傳遞率的影響，如圖5所示。其中數據包傳遞率等于信宿成功接收的數據包數與源節(jié)點總共傳輸的數據包之比。數據包傳遞率越高，數據傳輸效率就越高，性能越好。

圖5 數據包傳遞率

從圖5 可知，當節(jié)點數為100 時，數據包傳遞率越低。原因在于：100 個節(jié)點無法形成連通網絡，網絡處于斷裂狀態(tài)，只有極少的數據包能夠成功傳輸至信宿。

隨著節(jié)點數的增加，數據包傳遞率快速上升，當節(jié)點數增加至300 時，EEAR 路由的數據包傳遞率達到100%。但是，RTGR 和AVHR 路由的數據包并沒有達到100%。這也說明，EEAR 路由的數據包傳遞率的性能優(yōu)于RTGR 和AVHR 路由。

2.3 能耗

用節(jié)點平均剩余能量率作為表征網絡能耗的性能指標，節(jié)點平均剩余能量率等于節(jié)點的剩余能量與初始能量之比的平均值。節(jié)點平均剩余能量率越高，網絡壽命越長，而傳輸數據和接收數據消耗了節(jié)點大部分能量。

圖6 顯示了3 個路由的節(jié)點平均剩余能量率。

圖6 節(jié)點平均剩余能量率

從圖6 可知，EEAR 和AVHR 路由消耗了更少的能量，而RTGR 路由能量消耗速度過快，原因在于：RTGR 路由產生了太多冗余數據包，而EEAR路由通過選擇最優(yōu)的下一跳轉發(fā)節(jié)點，減少路由重傳次數，降低節(jié)點的能耗。

2.4 流量

流量是指在仿真過程中所傳輸的總的數據包數。因為數據包產生率是固定的(每個源節(jié)點每秒產生2 個數據包)，所以網絡內所傳輸的總的數據包數是固定的。流量越大，表明路由開銷越大，冗余數據包數越多，路由性能越差。

圖7 顯示了EEAR、RTGR 和AVHR 路由的流量。

圖7 流量隨節(jié)點數變化情況

從圖7 可知，RTGR 路由的流量最高，且隨節(jié)點數的增加呈線性上升，原因在于：RTGR 路由引用角度廣播，增加了數據包的傳輸次數，而EEAR路由和AVHR 路由的流量隨節(jié)點數增加而保持緩慢的增加。

3 結束語

本文針對3 維WSNs 的路由問題展開分析，并提出能效角度路由EEAR。EEAR 路由先依據信宿位置計算角度，再根據角度選擇一部分節(jié)點作為候選轉發(fā)節(jié)點，最后利用節(jié)點的剩余能量和距離信息計算節(jié)點的權重，并依據節(jié)點權重擇優(yōu)選擇下一跳轉發(fā)節(jié)點。仿真結果表明，提出的EEAR路由能有效提高數據包傳遞率，并能控制能耗。