[摘 要]：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSNs）被認(rèn)為是未來改變世界的十大技術(shù)之首，但有限的計(jì)算、存儲(chǔ)和通信能力，尤其是嚴(yán)重受限的能量使其應(yīng)用前景面臨巨大挑戰(zhàn)，WSNs在應(yīng)用之前需要解決許多關(guān)鍵問題，能量問題即是其中之一。能量對于WSNs的生命周期具有決定意義，設(shè)計(jì)WSNs路由協(xié)議需要重點(diǎn)考慮能耗問題；針對WSNs的GEAR路由協(xié)議，提出一種能耗上的改進(jìn)方案并進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果顯示：該方案能明顯降低能耗。 關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；GEAR協(xié)議；能耗 0 引 言 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSNs）中，節(jié)點(diǎn)通常需要獲取其位置信息，這樣，它采集的數(shù)據(jù)才有意義。如在森林防火應(yīng)用中，需要知道火災(zāi)的具體位置。地理位置路由假設(shè)節(jié)點(diǎn)知道自身及目標(biāo)區(qū)域的位置，以這些位置信息作為路由選擇的依據(jù)，按照一定策略轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到目標(biāo)區(qū)域。位置和能量感知的地理路由（geographical and energy aware routing，GEAR）屬于這一類路由協(xié)議，它是WSNs中的一個(gè)能量感知的基于位置的地理路由協(xié)議，模擬結(jié)果顯示：GEAR路由，與傳統(tǒng)非能量感知的地理路由相比能極大地延長網(wǎng)絡(luò)壽命。能量對于WSNs的生命周期具有決定意義，能耗是WSNs路由協(xié)議需要重點(diǎn)考慮的問題。本文針對GEAR路由協(xié)議，依據(jù)GEAR的特點(diǎn)提出了一種改進(jìn)方案，使其在能耗力方面有所改進(jìn)。 1 GEAR路協(xié)議 1．1 核心思想 由于Sink發(fā)出的查詢消息中經(jīng)常包含位置屬性，GEAR路由協(xié)議在向目標(biāo)區(qū)域散布查詢消息的同時(shí)考慮了地理位置信息的使用。其主要思想是通過利用位置信息使得“興趣”的傳播僅到達(dá)目標(biāo)區(qū)域，而不是傳播到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，從而避免洪泛方式，減少路由建立的開銷。 GEAR路由中查詢消息的傳播包括2個(gè)階段：（1）查詢消息轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)區(qū)域：從Sink節(jié)點(diǎn)開始的路徑建立過程采用貪婪算法，節(jié)點(diǎn)在鄰居中選擇到目標(biāo)區(qū)域代價(jià)最小的節(jié)點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn)，并將自己的路由代價(jià)設(shè)為該下一跳節(jié)點(diǎn)的路由代價(jià)加上到該節(jié)點(diǎn)一跳通信的代價(jià)。若陷入路由洞，節(jié)點(diǎn)則選取鄰居中代價(jià)最小的節(jié)點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn)，并修改自己的路由代價(jià)；（2）在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)散布查詢消息：查詢消息到達(dá)目標(biāo)區(qū)域后，通過迭代地理（節(jié)點(diǎn)密度較大時(shí)）或洪泛方式（節(jié)點(diǎn)較少時(shí)）將查詢消息傳播到目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)。這2個(gè)階段完成后，監(jiān)測數(shù)據(jù)沿查詢消息的反向路徑向Sink節(jié)點(diǎn)傳送。 1．2 NS2中GEAR的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié) GEAR路由協(xié)議在NS2中的實(shí)現(xiàn)是一個(gè)簡化的版本，查詢消息在事件區(qū)域的轉(zhuǎn)發(fā)是采用洪泛方式，沒有實(shí)現(xiàn)迭代地理方式，下面僅對改進(jìn)時(shí)關(guān)心的問題進(jìn)行說明。 首先，GEAR路由假設(shè)已知節(jié)點(diǎn)的位置和剩余能量信息，通過下面幾個(gè)變量來表示： double geo_longitude_, geo_latitude_;//節(jié)點(diǎn)的位置信息； int nmn_pkt_sent_, num_pkt_recv_;//發(fā)送和接收的信息包數(shù)量； double initial_energy_;//節(jié)點(diǎn)的初始能量； double unit_energy_for_send_, unit_energy_for_recv_;//發(fā)送和接收單位信息包消耗的能量。 其次，NS2中實(shí)現(xiàn)的CEAR發(fā)布查詢消息時(shí)分為2個(gè)階段，在消息沒有到達(dá)目標(biāo)區(qū)域時(shí)，采用貪婪算法（單播方式）轉(zhuǎn)發(fā)消息，消息到達(dá)目標(biāo)區(qū)域后，采用洪泛方法（廣播方式）轉(zhuǎn)發(fā)查詢消息。節(jié)點(diǎn)根據(jù)不同的情況作出相應(yīng)的處理： enum geo_actions ｛ BROADCAST = 0, BROADCAST_SUPPRESS, OUTSIDE_REGION ｝ , 其中，BROADCAST=0表示節(jié)點(diǎn)在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)部，采用廣播方式轉(zhuǎn)發(fā)查詢消息；BROADCAST_SUPPRESS表示節(jié)點(diǎn)的所有鄰居都不在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)，節(jié)點(diǎn)不轉(zhuǎn)發(fā)查詢消息； OUTSIDE_REGION表示節(jié)點(diǎn)在目標(biāo)區(qū)域外，用單播轉(zhuǎn)發(fā)查詢消息。與路由相關(guān)的函數(shù)： int32_ t findNextHop （GeoHeader ＊ geo _ header, bool greedy） ;// 找到下一跳鄰居； int floodlnsideRegion（GeoHeader ＊ geo_header） ;// 在區(qū)域內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)信息包； double retrieveHeuristicValue （GeoLocation dst ） ;// 得到節(jié)點(diǎn)的通信代價(jià)； void broadcastHeuristicValue （GeoLocation dst, doublenew_heuristic_value）;當(dāng)出現(xiàn)路由洞時(shí)，需要修改節(jié)點(diǎn)的通信代價(jià)，并將這個(gè)修改后的通信代價(jià)告知其鄰居節(jié)點(diǎn)。 NS2中實(shí)現(xiàn)的GEAR，查詢消息在事件區(qū)域內(nèi)的轉(zhuǎn)發(fā)沒有采用迭代地理的方式，僅采用了洪泛方式，具體的洪泛代碼見NS2代碼中～ns／diffusion3／filters／gear． 2 GEAR路由協(xié)議的改進(jìn)方案 2．1 問題描述 文獻(xiàn)[2]指出：如果使用Micadot節(jié)點(diǎn)，發(fā)送一個(gè)比特上盡量進(jìn)行網(wǎng)內(nèi)處理，減少數(shù)據(jù)傳輸量，可以有效地節(jié)省能量。理想的融合情況下，中間節(jié)點(diǎn)可以把n個(gè)長度相等的輸人數(shù)據(jù)分組合并成一個(gè)等長的輸出分組，只需消耗不進(jìn)行融合所消耗能量的1／n即可完成數(shù)據(jù)傳輸；最差的情況下，融合操作并未減少數(shù)據(jù)量，但通過減少分組個(gè)數(shù)，可以減少信道的協(xié)商或競爭過程造成的能量開銷，所以，在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)要盡量采用數(shù)據(jù)融合。在GEAR路由中，當(dāng)查詢消息到達(dá)目標(biāo)區(qū)域后，事件區(qū)域中的節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)沿查詢消息的反向路徑向Sink節(jié)點(diǎn)傳送，由于數(shù)據(jù)采集時(shí)同一區(qū)域的眾多節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)往往有相似性，如果能夠讓這些節(jié)點(diǎn)協(xié)同工作，對數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的融合，就可以減少冗余數(shù)據(jù)包的傳輸。 如果節(jié)點(diǎn)密度比較大，GEAR采用迭代地理轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，作為對GEAR路由協(xié)議的改進(jìn)，每一次迭代的中心節(jié)點(diǎn)可以作為數(shù)據(jù)融合節(jié)點(diǎn)，將其子區(qū)域節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后再沿反向路徑傳送。這樣，目標(biāo)區(qū)域內(nèi)第一個(gè)收到查詢消息的節(jié)點(diǎn)將融合后的數(shù)據(jù)沿查詢消息的反向路徑向Sink節(jié)點(diǎn)傳送。 如果節(jié)點(diǎn)密度比較小，GEAR則采用洪泛轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制。這時(shí)由于沒有子區(qū)域中心節(jié)點(diǎn)可以使用，需要以某種方法產(chǎn)生一個(gè)融合節(jié)點(diǎn)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。一種簡單的方法是選擇能量比較大的節(jié)點(diǎn)作為融合節(jié)點(diǎn)，當(dāng)然，該節(jié)點(diǎn)需要能夠與其他節(jié)點(diǎn)直接通信。該節(jié)點(diǎn)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后沿查詢消息的反向路徑向Sink節(jié)點(diǎn)傳送。 2．2 解決方案實(shí)現(xiàn) 根據(jù)2．1節(jié)的思路，迭代地理方式采用數(shù)據(jù)融合具有明顯的優(yōu)勢：首先，融合節(jié)點(diǎn)不需要選取，以子區(qū)域中心節(jié)點(diǎn)作為融合節(jié)點(diǎn)即可；其次，節(jié)點(diǎn)密度較大時(shí)，采用融合方式更節(jié)省能量。但由于NS2中實(shí)現(xiàn)的GEAR是一簡化版本，查詢消息在事件區(qū)域內(nèi)的轉(zhuǎn)發(fā)并沒有采用迭代地理方式，為便于比較改進(jìn)前后的效果，在改進(jìn)方案的實(shí)現(xiàn)中僅針對洪泛方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體的改進(jìn)方案分為如下幾個(gè)步驟： （1）當(dāng)查詢消息轉(zhuǎn)發(fā)到事件區(qū)域后，區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)先建立簇。由于GEAR中每個(gè)節(jié)點(diǎn)知道自身及鄰居節(jié)點(diǎn)的位置和能量信息，因此，可根據(jù)節(jié)點(diǎn)的位置信息，結(jié)合節(jié)點(diǎn)的通信范圍，在事件區(qū)域內(nèi)部形成簇； （2）設(shè)定算法選擇簇首節(jié)點(diǎn)，簇首節(jié)點(diǎn)需要滿足幾個(gè)條件：①能量足夠大，大于設(shè)定的能量閾值；②簇首節(jié)點(diǎn)能夠與簇內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)直接通信，在簇形成時(shí)保證這一點(diǎn)；③可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理。簇首節(jié)點(diǎn)選出后通報(bào)整個(gè)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)； 對于簇首節(jié)點(diǎn)選擇的具體算法，為便于實(shí)現(xiàn)，只要能量大于能量閾值，位置在事件區(qū)域的節(jié)點(diǎn)就可以擔(dān)任簇首節(jié)點(diǎn)。由于可能有多個(gè)符合條件的節(jié)點(diǎn)，因此，在代碼實(shí)現(xiàn)中是選出事件區(qū)域內(nèi)能量最大，且能量大于能量閾值的節(jié)點(diǎn)作為簇首節(jié)點(diǎn)； （3）節(jié)點(diǎn)開始采集數(shù)據(jù)，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)將采集的數(shù)據(jù)首先傳送到簇首節(jié)點(diǎn)，由簇首節(jié)點(diǎn)對數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮整合，除去冗余數(shù)據(jù)后再發(fā)往區(qū)域內(nèi)第一個(gè)接收到查詢消息的節(jié)點(diǎn)，沿查詢消息的相反路徑轉(zhuǎn)發(fā)到Sink節(jié)點(diǎn)。以查詢消息要求的時(shí)間間隔T為周期，在這個(gè)T時(shí)間范圍內(nèi)，接收簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)并進(jìn)行緩存，在下一個(gè)時(shí)間間隔對數(shù)據(jù)進(jìn)行融合并轉(zhuǎn)發(fā)。 具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，將在[0，T]時(shí)間范圍接收到的數(shù)據(jù)包認(rèn)為是一個(gè)時(shí)間產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，如果這些數(shù)據(jù)的監(jiān)測對象為同一類型，則判定這些數(shù)據(jù)互為冗余數(shù)據(jù)。根據(jù)可信度，挑選出可信度最高的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，其他數(shù)據(jù)將丟棄。最大可信度數(shù)據(jù)意味著高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，同時(shí)，降低了冗余數(shù)據(jù)的傳輸。 3 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)置及結(jié)果分析 由于GEAR在NS2中沒有集成迭代地理方式，因此，本實(shí)驗(yàn)針對區(qū)域內(nèi)的洪泛方式進(jìn)行比較，并采用平均能耗參數(shù)來衡量改進(jìn)后的協(xié)議性能。平均能耗是網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)在傳輸一個(gè)單位的數(shù)據(jù)包時(shí)所消耗的能量。另外，本文感興趣的還有平均能耗和網(wǎng)絡(luò)尺寸的關(guān)系，因此，通過改變網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目來研究平均能耗，并與改進(jìn)前GRAR路由進(jìn)行比較。 3．1 實(shí)驗(yàn)場景的參數(shù)選用 根據(jù)GEAR路由協(xié)議以及國際上發(fā)表的針對WSNs的相關(guān)文獻(xiàn)[1，3]的實(shí)驗(yàn)場景設(shè)置，本文采用了如下實(shí)驗(yàn)場景設(shè)置：在下面的實(shí)驗(yàn)中，默認(rèn)采用1.6MB／s的802.11MAC層協(xié)議，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信范圍為100個(gè)單位，每個(gè)目標(biāo)區(qū)域是一圓形區(qū)域，其半徑為50個(gè)單位。數(shù)據(jù)包的大小為64字節(jié)，查詢消息大小為32字節(jié)。 實(shí)驗(yàn)采用不規(guī)則拓?fù)鋱鼍埃W(wǎng)絡(luò)大小從50個(gè)節(jié)點(diǎn)到250個(gè)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積是670×670平方單位，固定節(jié)點(diǎn)的通信范圍是100個(gè)單位，目標(biāo)區(qū)域是半徑為50單位的圓形區(qū)域。設(shè)定節(jié)點(diǎn)的初始能量是1J，發(fā)送和接收一個(gè)數(shù)據(jù)包消耗0.001J，比例參數(shù)a值取0.8。數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)設(shè)為5個(gè)，Sink節(jié)點(diǎn)設(shè)為2個(gè)。 3．2 仿真結(jié)果及分析 對生成的trace文件的剩余能量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)方法為平均能量消耗：消耗能量／（網(wǎng)絡(luò)尺寸×數(shù)據(jù)量）。其中，消耗能量是初始總能量減去最后的剩余能量，網(wǎng)絡(luò)尺寸是節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，數(shù)據(jù)量是數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包和Sink節(jié)點(diǎn)發(fā)出的查詢消息總和，即，數(shù)據(jù)量：運(yùn)行時(shí)間×（單位時(shí)間數(shù)據(jù)包×源節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)+單位時(shí)間查詢消息×Sink節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)）；消耗能量=總初始能量-總剩余能量；網(wǎng)絡(luò)尺寸=節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。設(shè)定運(yùn)行時(shí)間為30min，30min后停止仿真，整理后的數(shù)據(jù)見表1。 由表1可見，改進(jìn)后的能量顯著節(jié)省。且隨著節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的增加，能量節(jié)省更為顯著。這是因?yàn)殡S著節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的增加，網(wǎng)絡(luò)密度增大，洪泛方式能耗更多，而采用數(shù)據(jù)融合后，節(jié)省能量更為明顯。 4 結(jié) 論 由于目前GEAR在NS2中集成版本的限制，實(shí)驗(yàn)僅針對區(qū)域內(nèi)的洪泛方式進(jìn)行了簡單仿真，取得了比較理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這種微小的改進(jìn)，對GEAR降低能耗有比較明顯的效果，可以預(yù)期，NS2和GEAR協(xié)議本身的發(fā)展和完善，將為進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)提供更好的條件。