一种能量感知型无线传感器网络跨层式通信协议 (1)

0 引 言

    无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)是一种特殊的无线自组织通信网络。其区别于传统无线自组织网络的特点包括：节点数量特别巨大、节点硬件功能简单、应用场境复杂、各种资源受限等。能量资源受限是WSN主要的瓶颈之一。

    能量感知型WSN协议重点强调高效利用能量的重要性，其设计思想主要是在WSN各层协议中引入能量优化算法，通过控制整个网络的能耗平稳性和高效性，从而达到在系统层面上改善传感器网络能耗特性、减少传感器网络的热点并延长整个网络的生存周期的目的。为了解决能耗问题，研究者提出了众多的解决途径，文献[2]提出的SPEED协议采用基于位置的思想，提供拥塞控制和软实时保障，从而降低通信冲突；文献[3]提出的SPIN协议则是利用基于数据的思想，通过引入抽象的元数据概念避免资源的盲目利用；Shah RC等人则直接设计了基于能量优化的路由协议。然而后续研究表明，在网络某一层单独引入能量优化策略的效果并不明显，并且可能会恶化其他层的能耗特性。跨层优化思想利用网络各层信息的有机交互，可以避免各层独立优化时引起的层间干扰。

    本文基于这一思想，设计了一种简单可靠的跨层式通信协议ECLC(Cross-Layer Communication Proto-c0l)，仿真结果表明：ECLC协议在保障网络流量和网络效率的前提下，可以较好地改善网络的能耗特性，延长网络的生存时间。

1 ECLE协议的设计目标

    ECLC协议首要目标是改善整个网络的能耗特性；利用路由层与MAC层之间交互各自的能量信息，因此设计目标完全以实际应用的需求和可实现性为出发点。

1．1 能耗特性

    网络整体能耗效率：整个网络的生存周期内，网络总能量(全部节点的初始能量之和)与整个网络采集到的数据量之比值。可表示为：

   
其中：ein-WSN表示整个WSN的初始能量；Dwsn为WSN在整个生存期内探测到的数据;ein-i为节点i的初始能量；Di为节点i在其生存期内探测到的全部数据；n为该WSN节点的个数。该指标衡量了WSN路由协议的整体能量效率。

    网络能耗平稳度：在任意时刻，整个网络中所有节点剩余能量的均方误差。可表示为：

其中：随机变量erem表示WSN节点的剩余能量。剩余能量均方误差衡量了整个网络能耗的平稳性，通过控制剩余能量均方误差，可防止部分节点过早耗尽能量。

    网络生存时间：从网络开始工作到有一定数量的节点死亡。该指标主要从时间角度考察了路由协议的整体性能；在WSN的实际应用过程中，网络生存时间是很关键的指标之一。

1．2 可扩展性与容错能力

    由于WSN的应用环境复杂多变，节点失效、节点位置变化、新节点的加入都会引起网络拓扑结构的变化，这就要求网络协议具有很强的扩展性。另外由于节点死亡或无线链路本身的缺点会造成通信失败等故障，因而又对协议的容错能力有较高要求。

1．3 快速收敛性

    WSN的能量和通信带宽等资源十分有限，因此要求协议能够快速收敛，以适应网络拓扑的动态变化，减少通信协议开销，提高信息传输效率。

1．4 服务质量(QoS)

    WSN协议的QoS主要包括传输时延、数据精度、带宽利用率等指标。一旦考虑了服务质量，那么必然要在QoS和能耗特性之间选择平衡。

2 ECLC协议的描述

2．1 基本定义

    为了后面描述的方便，先给出以下基本定义：邻居(Vicinage)：与节点A可以直接通信的节点称为节点A的邻居。节点A的所有邻居构成它的邻域，记为VA。

    前向邻居(Forward Vicinage)：数据传输过程中可以成为节点A下一跳节点的邻居。节点A的所有前向邻居构成它的前向邻居集；记为FVSA。

    后向邻居(Backward Vicinage)：如果节点A是节点B的前向邻居，那么节点B就称为节点A的后向邻居。节点A的所有后向邻居构成它的后向邻居集，记为BVSA。

    目的节点(Termini Node)：不需其他节点路由，可直接将数据包发送给Sink的节点。

    热度：节点建立通信链路的频繁程度。

2．2 信道接入

    无线信道访问机制采用IEEE802．11 CSMA／CA机制。需要使用信道的节点首先侦听信道是否空闲，如果信道空闲且经过一个DIFS时序间隔后仍为空闲状态，那么发送节点直接开始发送分组数据；否则发送节点一直侦听信道直至信道最终空闲下来并且超过DIFS时序间隔，此时发送节点将启动退避机制。图1描述了CSMA／CA机制的基本访问方式。

2．3 链路选择

    当系统布设完毕进入稳定状态后，Sink节点开始广播HELL0消息，其格式如图2所示。

    该数据包共16个字节，其各字段含义如下：

    NOP：用来标识采用何种协议，包括协议的名称代码、版本号等信息；
    TID：HELLo消息的来源，因为系统中往往不止一个节点可直接向Sink发送数据；
    NOT：该数据包被转发的次数，Sink节点广播此消息时该字段为O，每转发一次，该字段值加1，终节点发送时此字段值为1；
    TRID：发出该数据包的节点ID；
    EREM：发出该数据包的节点的当前剩余能量；
    HELL0：消息内容；
    HOT：发送该消息的节点“热度”；
    0NM：用来标记每次建立路由，在一次建立路由过程中，消息编码固定，Sink节点移动位置或其他情况下需要重建路由时，修改该字段；
    SP：用来填补该数据包的空余，该字段值为O。

    当某个节点收到此消息后，完成下面动作：

    (1)检测数据帧，检测步骤如下：
    ①查看数据包的消息代码字段，检查与上次接收到的协议编号是否相同(首次接收到判为不同)；若相同转步骤③；否则转步骤②；
    ②清除邻居列表信息，重新建表；
    ③查看HELLO消息数据包的转发节点ID字段，若该节点已包括在后向邻居列表中，则丢弃该包；
    ④将转发节点ID添加到前向邻居列表。

    (2)发送一个名为“COUNTERSIGN”的确认消息数据包，消息格式如图3所示：

    该数据包共有16个字节，各字段含义如下：