CN106604346B - 无线传感器网络能量有效机会路由的实现方法 - Google Patents

无线传感器网络能量有效机会路由的实现方法 Download PDF

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Abstract

无线传感器网络能量有效机会路由协议的实现方法，在传输数据过程中选择第一中继节点、备用中继节点，并利用备用中继节点实现协作数据转发，提高数据转发的可靠性和及时性。

Description

无线传感器网络能量有效机会路由的实现方法
技术领域
本发明涉及无线传感器，具体说的是，针对无线传感器网络机会路由中节点能量有限和无线链路传送数据不及时的问题，本文提出了能量有效机会路由实现方法。
背景技术
无线传感器网络(WSN,wireless sensor networks)是由部署在监测区域内能够进行信息采集、数据处理和无线通信的节点，所形成的无线多跳网络。与传统的无线多跳网络相比，WSN协作地感知、采集和处理监测区域中所感知对象信息，使得观察者能够及时的获取事件信息。因此，WSN被广泛的应用在军事监测、温度监控、野生动物追踪和预警机制等方面。监测区域内的节点通常由不能二次充电的电池提供能量，这就使得WSN的工作受到有限能量的限制，节能成为 WSN研究的主要问题之一。
在WSN的应用过程中，节点可能会因为故障或者能量耗尽等原因，造成网络拓扑结构不断发生变化。这样，传统基于状态的路由协议中，节点在选择通信路径时会因为网络拓扑结构的不断变化而频繁的重构路由表，这样就造成节点大量的能量浪费，从而影响了整个网络的工作寿命。此外，当网络拓扑结构发生变化时，无线链路的不可靠性也会随着节点之间距离的增加而增加，为保证数据传输，势必会启动重传机制，这样也增加了链路对能量的消耗。机会路由的提出为此提供了良好的解决途径。
机会路由充分利用无线媒介的广播特性，并且能很好的解决无线链路的不稳定问题，提高无线网络吞吐量和传输可靠性。在网络拓扑发生变化时，机会路由不需要重构路由表，而是根据相应的度量值机会地选择中继转发节点，将数据转发出去。相对于传统路由，机会路由创造了路由多样性，通过机会的选择下一跳转发节点来平衡网络中所有节点的能量使用，这样就能够适应WSN动态拓扑并减少能量消耗。
但是，如果在WSN工作过程中，节点无论是否有数据转发任务都处在工作状态，依然会消耗大量能量，急剧缩短整个网络的生命周期。因此，适时的唤醒有转发任务的节点、安排没有转发数据任务的节点进行睡眠则成为节能的又一选择。适当的安排节点在不需要数据转发的时候进行睡眠，可以节省节点因为交互所产生的能量，也避免节点因能量消耗而过早死亡。
近年来，在WSN机会路由协议的研究中，针对其存在的能量问题已经提出了多种解决方案，在此，我们对这些协议进行了简单阐述。
Long Cheng等人提出了EQGOR协议来解决WSN中地理机会路由在满足QoS 需求的效率问题。该方法首先将QoS需求通过度量的性能指标来详细说明，建立约束条件。在此基础上，提出以单跳前进距离和数据包接收率为标准，在有效的邻居节点内通过此标准进一步的缩小选择节点范围，从而减少节点的能耗[1]。 EQGOR协议在节点的工作调度上结合了睡眠机制，减少了节点能耗，但其在中继节点选择上需要进行二次选择，这就可能会增加一定的能耗和时延。
Chih-Cheng Hsu等人提出的ASSORT协议是一种异步睡眠唤醒调度和机会路由相结合的算法。该算法中的节点在每次转发中计算能量消耗与节点剩余能量的比值，将此比值作为转发节点选择的度量。同时结合异步睡眠唤醒调度，减少节点的能耗[2]。但ASSORT协议在进行度量值计算时，每当加入转发节点集一个新邻居节点时，发送节点就需要重新计算转发度量值，直到没有新的邻居节点加入转发节点集。这样就会增加节点的计算量，增加能量消耗。
ExOR协议是一种用于无线多跳网络的路由协议，充分利用无线环境的广播特性进行数据传输，为了减少交互信息，源节点每次发送一个batch(一个batch 里包含了若干个数据包，batch的采用是为了减少交互信息，每个数据包都包含候选节点列表)，路由传输的时候，每次都将数据包转发给一组节点，节点之间通过batchmap交互协同，从而能够根据ETX值选择优先级最高的节点进行转发数据包，如此重复直到目的节点[11]。但是ExOR协议没有充分考虑网络节点的能耗，网络中的节点都始终处于工作状态，以至于网络的生命周期并不理想。
可靠反应式增益路由R3E协议是针对WSN在工业领域的使用环境，利用机会路由的优点，在数据传输的过程中，通过协作转发机制，找寻虚拟路径并通过虚拟路径及指导节点来完成数据转发。在此转发过程中，为网络提供了可靠性和能源有效性的数据传输[12]。然而在进行数据转发的过程中，指导节点需要知道相关节点的信息才能提供指导路径，这就需要节点消耗能量进行数据维护，另外网络中的节点无间歇的工作也会加剧能量的消耗。
基于地理位置的无信标路由算法PBR通过对WSN部署节点的范围进行分区，分别确定源节点的转发区域、邻居节点到目的节点的角度，然后通过优先级回应完成向目的节点的数据发送。在这个过程中，节点通过区域划分限制了不必要的数据传输转发[13]。但是在同一区域范围内进行数据传输的时候，可能会造成某一节点因频繁的进行转发任务过度消耗能量而造成节点死亡，另外网络中的所有节点无论是否有转发任务，都始终处在工作状态，也增加了网络能耗。
经上述分析，相关的研究工作中仍然存在网络节点能量消耗过快的问题，因此我们提出了能量有效机会路由协议EEORP。在EEORP协议中，网络节点通过计算、比较地理位置信息和度量值，选择出下一跳中继转发节点。与此同时，协议选择出备用中继节点来增加数据传输的及时性和可靠性。为了进一步减少网络能耗，协议将睡眠唤醒机制与机会路由结合，合理安排节点在空闲状态进行睡眠，节省网络能量；
参考文献：
[1]Long Cheng,Jianwei Niu,Jiannong Cao,Sajal K.Das,Yu Gu.QoS AwareGeographic Opportunistic Routing in Wireless Sensor Networks[J].IEEETransactions on Parallel and Distributed Systems,2014,25(7):1864-1875.
[2]Chih-Cheng Hsu,Ming-Shing Kuo,Shi-Chen Wang,Cheng-Fu Chou.JointDesign of Asynchronous Sleep-Wake Scheduling and Opportunistic Routing inWireless Sensor Networks [J].IEEE Transactions on Computers,2014,63(7):1840-1846.
[3]Zhang Ruifeng,Timmons Nick,Morrison Jim.Utility Energy-basedOpportunistic Routing for Lifetime Enhancement in Wireless Sensor Networks[C].2015IEEE International Conference on Communications,ICC,September,2015.
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[6]Patel Tejas,Kamboj Pariza.Opportunistic Routing in Wireless SensorNetworks:A Review[C]. The 2015IEEE International Advance ComputingConference,IACC,July,2015.
[7]Michael Chien-Chun Hung,Kate Ching-Ju Lin,Cheng-Fu Chou,Chih-ChengHsu.EFFORT: energy-efficient opportunistic routing technology in wirelesssensor networks[J].Wireless Communications and Mobile Computing,2013,13(8):760-773.
[8]Zhao Zhongliang,Braun Torsten.SCAD:Sensor Context-aware AdaptiveDuty-cycled Beaconless Opportunistic Routing for WSNs[C].2015IEEE 26th AnnualInternational Symposium on Personal,Indoor,and Mobile Radio Communications,PIMRC,December,2015.
[9]Dinh Thanh,Gu Tao.A Novel Metric for Opportunistic Routing inHeterogenous Duty-cycled Wireless Sensor Networks[C].2015IEEE 23rdInternational Conference on Network Protocols, ICNP,March,2015.
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[11]Sanjit Biswas,Robert Morris.ExOR:Opportunistic Multi-Hop Routingfor Wireless Networks [J].Computer Communication Review,2005,35(4):133-144.
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[13]Vipin Kumar,Sushil Kumar.Position-Based Beaconless Routing inWireless Sensor Networks [J].Wireless Personal Communications,2016,86(2):1061-1085.
[14]Kai Zeng,Wenjing Lou,Jie Yang,D.Richard Brown III.On GeographicCollaborative Forwarding in Wireless Ad Hoc and Sensor Networks[C].International Conference on Wireless Algorithms,Systems and Applications,August 2007。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种无线传感器网络能量有效机会路由的实现方法，在传输数据过程中选择第一中继节点、备用中继节点，并利用备用中继节点实现协作数据转发，提高数据转发的可靠性和及时性。
为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：无线传感器网络能量有效机会路由实现方法：
A、建立模型
在二维平面的监测区域内部署拥有多个节点和唯一sink节点的WSN，网络中所有节点初始能量相同，sink节点能量无限，在监测区域对事件监测的要求下，每一个节点都能够进行数据采集和中继转发数据包，并且有充足的邻居节点进行中继节点选择，每个节点知道自身的地理位置信息，并且知道sink节点的地理位置信息以及自身到sink节点的欧氏距离且具有一定的计算能力，节点在网络工作中采用周期性睡眠唤醒机制，睡眠时间周期内的睡眠时间设定为Tsleep；
B、设定有效机会路由(EEORP协议)
基于建立模型，设定有效机会路由，其中，节点周期性进行睡眠唤醒，当网络中没有数据需要进行发送的时候，节点周期性交替进行睡眠唤醒；当有数据传输的时候，发送节点通过广播通知周围邻居节点，处在唤醒状态下的邻居节点接收到广播后首先判断自身到sink节点的距离，当小于广播数据包中的距离时就将自身剩余能量和收包率的度量值通过ACK回复给发送节点；发送节点通过对比度量值选择出优先级最高的邻居节点为第一中继转发节点进行下一跳转发；在选择出第一中继节点的同时，路由也选择出备用中继节点进行协作转发；当第一中继节点不能够及时的选择出下一跳转发节点的时候，或者因为其他问题而不能继续转发数据的时候，将立即启用备用中继节点代替第一中继节点进行数据转发，当节点完成数据转发任务后，将转入睡眠状态。
本发明所述的睡眠时间Tsleep的设定方法为：
设监测区域内事件发生概率，即数据产生率为λ，且服从泊松分布，监测区域面积为S，节点密度为ρ，则监测区域内节点的数量N满足N＝S×ρ，当监测事件发生时，则要求监测区域内至少有n个节点能够监测并进行数据采集收集转发，即监测区域内最少节点唤醒数量至少要符合监测事件发生的概率，满足 n＝N×λ；
设Tm为唤醒侦听时间，Tsleep为睡眠时间，两者关系满足
Tsleep＝δ·Tm (1)
设没有转发任务时，工作时间t内可以完成η个完整的时间周期；在唤醒侦听阶段侦听到有转发任务时，节点已经完成了χ个完整的时间周期，则时间上至少满足
Figure GDA0002246176450000051
Figure GDA0002246176450000061
其中，χ的取值范围为0,1,2……；根据公式(1)、(2)、(3)计算可以得到η、χ和δ的关系式为
η＝χ·δ+χ+1 (4)
按照网络要求，选择χ的取值进而确定Tm和Tsleep之间的关系。
本发明所述的度量值的计算方法是：
首先定义三个度量：节点i的平均期望有效度量值Mi、能量剩余比Mi1和收包质量Mi2；
设网络中所有节点初始能量均为E，节点i工作到某一时刻的工作总时间为 T，λ为数据产生率，节点i收包率为β，节点i一个时间周期内所消耗的期望能量为Eiexpect，一个周期内工作的期望时间为Tiexpect，设n′为工作周期个数，则
Figure GDA0002246176450000062
节点i的期望剩余能量Eisurplus为
Eiesurplus＝E-n′Eiexpect (6)
将剩余能量与收包率进行归一化处理，设节点i到汇聚节点sink的欧氏距离为Sis，对数函数的底取0.5，得到节点当前时间下的平均期望有效度量值Mi，则
Figure GDA0002246176450000063
其中，为使得Mi值与另外两个度量值有对比意义，α为缩小倍数，平均期望有效度量值Mi随着期望剩余能量Eisurplus的减少和收包率的增加而递减；
节点i参与中继节点竞争时，设节点i当前实际剩余能量为Eit，将计算当前节点i的剩余能量比Mi1和收包质量Mi2，两者计算分别如公式(8)和公式(9)：
Figure GDA0002246176450000064
Figure GDA0002246176450000071
度量值Mi1和Mi2随着剩余能量的减少和收包率的增加而递减；
设M′为候选中继节点的平均期望有效度量值Mi的集合，候选中继节点的平均期望有效度量值为集合中的元素，即M′＝{Ma,Mb,Mc……}；M1′为候选中继节点的剩余能量比Mi1的集合，即M1′＝{Ma1,Mb1,Mc1……}；M2′为候选中继节点的收包质量Mi2的集合，即M2′＝{Ma2,Mb2,Mc2……}；当集合M1′或集合M2′中的元素大于集合M′中相对应元素的值时，即(Mi1≥Mi)∨(Mi2≥Mi)，则相应的候选中继节点i将会参与第一中继节点和备用中继节点的竞争。
本发明所述的有效机会路由利用时间调度安排网络节点在空闲时段进行睡眠，其所述的时间调试方法是：
网络中的每个节点随着工作时间的增加都可能成为数据的接收者或发送者，对于处在接收数据状态的节点，在唤醒时间内没有接收到数据转发请求的广播后就转入睡眠状态，时间Tr1计算如公式(10)：
Tr1＝Tm+Tsleep (10)
其中，Tm为唤醒侦听时间，Tsleep为睡眠时间；
当处于接收数据状态的节点在唤醒时间内接收到了数据转发请求的广播，将按照有效机会路由所阐述的方法进行中继节点选择，
节点首先将自身到sink节点的欧氏距离与发送节点到sink节点的欧氏距离进行比较，当距离sink节点更近时，则计算有效度量值并回复ACK，在完成计算有效度量值时，为避免信道冲突，产生一个随机退避时间，然后再回复ACK，之后等待发送节点的二次广播，在确认自己竞争成为第一中继节点或备用中继节点后，此节点就成为下一级转发任务的发送节点，接收数据并进入下一级转发，时间Tr2计算如公式(11)：
Tr2＝Tm+(1+γ)TACK+TWb+TrDATE (11)
其中，Tm为唤醒侦听时间，TACK为回复ACK的时间，γ为产生的随机退避时间系数，(1+γ)TACK为随机退避回复ACK的时间，TWb为等待接收二次广播的时间，TrDATE为接收数据包的时间，欧氏距离的对比时间和度量值的计算时间忽略不计；
对于处在发送数据状态的节点，当有数据需要发送给sink节点的时候，发送节点首先进行广播，通知相邻节点有数据需要发送，若在唤醒有效时间内，即等待ACK回复时间内没有节点回复ACK，则发送节点转入睡眠状态，其时间Ts1计算如公式(12)：
Ts1＝Tbroadcast+TWACK+Tsleep (12)
其中，Tbroadcast为广播时间，TWACK为等待ACK回复时间，Tsleep为睡眠时间；
当处在发送数据状态的节点向相邻节点发送广播以后，在唤醒有效时间内收到了相邻节点回复的ACK，且能够选择出第一中继节点和备用中继节点，并将这两个节点的地址信息封装进数据包中并再次广播出去，然后完成数据发送并进入睡眠状态，时间Ts2计算如公式(13)：
Ts2＝Tbroadcast+TWACK+Tj+Tsleep+TsDATE (13)
其中，Tbroadcast为广播时间，TWACK为等待ACK回复时间，Tj为进行优先级选择并二次广播时间，Tsleep为睡眠时间，TsDATE为发送数据包的时间。
本发明有益效果是：EEORP协议引入平均期望有效度量值、能量剩余比和收包质量等指标，在传输数据过程中选择第一中继节点、备用中继节点，并利用备用中继节点实现协作数据转发，提高数据转发的可靠性和及时性；利用睡眠唤醒调度机制，通过时间调度安排网络节点在空闲时段进行睡眠，节省能量。仿真实验结果表明，EEORP协议降低了网络能耗，减少了数据传输时延，延长了网络使用寿命。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明在工作时间t内的没有转发任务的过程图；
图3为本发明在工作时间t内的有转发任务的过程图；
图4为本发明中继节点选择过程图；
图5为本发明节点在不同阶段转入睡眠过程图；
图6为本发明备用中继节点侦听到忙音的过程图；
图7为本发明备用中继节点没有侦听到忙音的过程图；
图8为本发明具体实施方式节点数量增加时出现第一个死亡节点后的时间图；
图9为本发明EEORP协议、ExOR协议和GCF协议在面积增加、密度不变的情况下，网络中出现第一个节点死亡的时间图；
图10为本发明EEORP协议、ExOR协议和GCF协议的时延对比图。
具体实施方式
1、网络模型与EEORP协议
1.1网络模型
假设在二维平面的监测区域内部署拥有多个节点、唯一sink节点的WSN。网络中所有节点初始能量相同，sink节点能量无限。在监测区域对事件监测的要求下，每一个节点都能够进行数据采集和中继转发数据包，并且有充足的邻居节点进行中继节点选择。每个节点知道自身的地理位置信息，并且知道sink节点的地理位置信息以及自身到sink节点的欧氏距离且具有一定的计算能力。
节点在网络工作中采用周期性睡眠唤醒机制，为了确保在监测区域内事件发生时，网络中的节点能够及时的感知、采集、传输数据，就要求网络中的节点不能同时处在睡眠状态，所以睡眠时间周期内如何设定睡眠时间Tsleep成为关键。
泊松分布适合于描述单位时间内随机事件发生的次数。我们设监测区域内事件发生概率，即数据产生率为λ，且服从泊松分布。监测区域面积为S，节点密度为ρ，则监测区域内节点的数量N满足N＝S×ρ。当监测事件发生时，则要求监测区域内至少有n个节点能够监测并进行数据采集收集转发，也就是说，监测区域内最少节点唤醒数量至少要符合监测事件发生的概率，满足n＝N×λ。
设Tm为唤醒侦听时间，Tsleep为睡眠时间，两者关系满足
Tsleep＝δ·Tm (1)
设没有转发任务时，工作时间t内可以完成η个完整的时间周期；在唤醒侦听阶段侦听到有转发任务时，节点已经完成了χ个完整的时间周期。则时间上至少满足
Figure GDA0002246176450000091
Figure GDA0002246176450000092
其中，χ的取值范围为0,1,2……。根据公式(1)、(2)、(3)计算可以得到η、χ和δ的关系式为
η＝χ·δ+χ+1 (4)
按照网络要求，选择χ的取值进而确定Tm和Tsleep之间的关系。因为网络中的节点是周期性唤醒，所以无需设定时间上限。如图2和图3。
1.2 EEORP协议
EEORP协议中，节点周期性进行睡眠唤醒。当网络中没有数据需要进行发送的时候，节点周期性交替进行睡眠唤醒，减少处于工作状态的时间，节省能量；当有数据传输的时候，发送节点通过广播通知周围邻居节点，处在唤醒状态下的邻居节点接收到广播后首先判断自身到sink节点的距离，当小于广播数据包中的距离时就将自身剩余能量和收包率的度量值通过ACK回复给发送节点。发送节点通过对比度量值选择出优先级最高的邻居节点为第一中继转发节点进行下一跳转发。在选择出第一中继节点的同时，协议也选择出备用中继节点进行协作转发。当第一中继节点不能够及时的选择出下一跳转发节点的时候，或者因为其他问题而不能继续转发数据的时候，将立即启用备用中继节点代替第一中继节点进行数据转发，以减少网络时延，改善传输质量。当节点完成数据转发任务后，将转入睡眠状态。图1是EEORP协议流程图。
1.2.1度量值计算
在EEORP协议中，发送节点通过度量值优先级的高低在邻居节点集中选择出最高优先级的邻居节点成为中继节点，因此度量值的设定对中继节点的选择及网络整体性能都有重要影响。本文定义了三个度量：节点i的平均期望有效度量值 Mi、能量剩余比Mi1和收包质量Mi2，其中度量值越大，优先级越高。平均期望有效度量值Mi综合考虑节点的能量剩余和收包率，为节点是否进行中继节点竞争提供一个衡量标准；能量剩余比Mi1主要考虑节点当前的剩余能量、收包质量Mi2则主要考虑节点的收包率，这两个度量值分别侧重考虑节点的剩余能量和收包率，为节点是否进行第一中继节点和备用中继节点竞争提供判断依据。
设网络中所有节点初始能量均为E，节点i工作到某一时刻的工作总时间为T，λ为数据产生率，节点i收包率为β，节点i一个时间周期内所消耗的期望能量为Eiexpect，一个周期内工作的期望时间为Tiexpect。设n′为工作周期个数，则
Figure GDA0002246176450000111
节点i的期望剩余能量Eisurplus为
Eiesurplus＝E-n′Eiexpect (6)
将剩余能量与收包率进行归一化处理，设节点i到汇聚节点sink的欧氏距离为Sis，对数函数的底取0.5，得到节点当前时间下的平均期望有效度量值Mi，则
Figure GDA0002246176450000112
其中，为使得Mi值与另外两个度量值有对比意义，α为缩小倍数。平均期望有效度量值Mi随着期望剩余能量Eisurplus的减少和收包率的增加而递减。
节点i参与中继节点竞争时，设节点i当前实际剩余能量为Eit，将计算当前节点i的剩余能量比Mi1和收包质量Mi2，两者计算分别如公式(8)和公式(9)：
Figure GDA0002246176450000113
Figure GDA0002246176450000114
度量值Mi1和Mi2随着剩余能量的减少和收包率的增加而递减。
设M′为候选中继节点的平均期望有效度量值Mi的集合，候选中继节点的平均期望有效度量值为集合中的元素，即M′＝{Ma,Mb,Mc……}；M1′为候选中继节点的剩余能量比Mi1的集合，即M1′＝{Ma1,Mb1,Mc1……}；M2′为候选中继节点的收包质量Mi2的集合，即M2′＝{Ma2,Mb2,Mc2……}。当集合M1′或集合M2′中的元素大于集合M′中相对应元素的值时，即(Mi1≥Mi)∨(Mi2≥Mi)，则相应的候选中继节点i将会参与第一中继节点和备用中继节点的竞争。
1.2.2中继节点选择
EEORP协议中，所有节点已知自身位置信息和汇聚节点sink位置信息。当节点i有数据需要发送至sink节点时，节点i首先将自己到sink节点的欧氏距离Sis和自身的地址信息封装进广播数据包内并进行广播，通知相邻的邻居节点进行中继节点竞争。处在唤醒侦听状态的邻居节点接收到此广播后，会根据广播数据包中的信息进行判断，来确认自己是否为候选中继节点集A中的节点。当周围处于唤醒侦听状态的邻居节点j接收到广播数据包后，将自身到sink节点的欧氏距离Sjs与广播数据包中Sis进行比较，满足距离条件Sjs＜Sis时，节点j就是候选中继节点集A中的一个候选中继节点。所有满足距离条件的邻居节点就组成了节点i的候选中继节点集A；不满足距离条件的邻居节点则丢弃收到的广播数据包转入睡眠状态。
当邻居节点j在成为候选中继节点之后，需要计算自身的平均期望有效度量值Mj、能量剩余比Mj1和收包质量Mj2，并将三个度量值进行比较后，当满足参与第一中继节点和备用中继节点竞争的的条件(Mj1≥Mj)∨(Mj2≥Mj)时，就将大于Mj的度量值和自身地址信息一同封装进回复ACK中，回复给节点i，参与中继节点的竞争；否则节点j将立刻放弃中继节点的竞争，丢弃之前收到的数据包并转入睡眠状态。
当节点i在有效的等待时间内接收到候选中继节点集中候选节点回复的 ACK后，将所有收到的度量值分为两个集合：M″1和M″2。集合M″1中的元素为所有回复ACK包中的剩余能量比的值，集合M″2中的元素为所有回复ACK包中的收包质量的值。然后在集合M″1和M″2中选出Mk1＝max{Mk1|Mk1∈M″1}， Ml2＝max{Ml2|Ml2∈M″2}。在选出Mk1和Ml2后，节点i将对比这两个度量值所对应的地址信息，并根据这两个度量值选择出第一中继节点和备用中继节点(根据 Mk1选择出的中继节点称为第一中继节点，根据Ml2选择出的中继节点称为备用中继节点)。地址信息的对比结果可能会出现两种情况：(1)当k≠l时，也就是说有两个不同的候选节点成为第一中继节点和备用中继节点，此时节点i就直接将相应的地址信息封装进二次广播数据包中；(2)当k＝l时，也就是说选择出的第一中继节点和备用中继节点是同一个候选节点，此时节点i自动排除集合M″2中最大值，并在集合M″2中重新选取 M′l2＝max{(M′l2|M′l2∈M″2)∩(Ml2＞M′l2|Ml2∈M″2,M′l2∈M″2)}。然后将Mk1和M′l2所对应的节点地址信息封装进二次广播数据包中。二次广播数据包封装完成后，节点i进行二次广播通知相应的两个候选中继节点进行数据接收。在这个选择过程中，第一中继节点的选择主要考虑节点当前的剩余能量，选择剩余能量多的节点进行中继转发任务，均衡网络能量，避免过度消耗某一节点造成网络割裂。而备用中继节点则主要考虑减少网络时延，在第一中继节点无法正常进行下一跳转发任务的时候，代替第一中继节点进行下一级转发。
节点i候选节点集中的节点在接收到节点i的二次广播后，首先将广播中的两个地址信息与自身地址信息进行逐一对比，当有一个地址信息对比正确后就成为相应的中继转发节点，等待数据接收并进行下一跳转发任务；若对比均不正确，则候选中继节点就丢弃之前收到的数据包转入睡眠状态。节点i发送数据包结束后，立刻转入睡眠状态，第一中继节点在接收到数据后开始向邻居节点发送广播，进行下一跳数据转发任务。而备用中继节点在接收到节点i发送的数据包后，先转入睡眠状态，在第一中继节点发送广播并等待邻居节点回复ACK之后唤醒，对第一中继节点的进行忙音侦听。当侦听到第一中继节点的相关信道有无线电信号时，则说明第一中继节点的邻居节点中有能够进行下一跳转发的候选中继节点，则此时备用中继节点就丢弃之前收到的数据包，转入正常的睡眠状态；倘若在对第一中继节点的相关信道进行忙音侦听的时候，并没有侦听到无线电信号，则说明第一中继节点的邻居节点中没有能够进行下一跳转发的候选中继节点，第一中继节点已转入睡眠状态，则此时备用中继节点就开始向周围邻居节点发送广播，通知邻居节点进行下一跳中继节点竞争，而转入睡眠的第一中继节点将会在备用中继节点发送广播并等待邻居节点回复ACK之后唤醒，对备用中继节点进行忙音侦听，确定是否需要进行广播通知邻居节点进行下一跳转发。第一中继节点和备用中继节点按照上述进行数据转发任务。
EEORP协议的中继节点选择过程如图4。在图4中，节点B、C、D都为节点i的候选中继节点，经过竞争选择之后节点B、C成为节点i的第一中继节点和备用中继节点，由节点C完成数据转发。同样，节点E、F为节点C的第一中继节点和备用中继节点，并由节点E完成数据转发。
1.2.3时间调度
为减少节点的能量消耗，我们将睡眠唤醒机制引入EEORP协议中。网络中的节点在没有转发任务的时候，交替进行睡眠唤醒两个状态。当网络中处于唤醒阶段的节点发现有数据需要进行转发时，就根据中继节点选择方法进行中继节点竞争。在这些过程中，各个节点之间相互独立，互不影响。
网络中的每个节点随着工作时间的增加都可能成为数据的接收者或发送者。对于处在接收数据状态的节点，在唤醒时间内没有接收到数据转发请求的广播后就转入睡眠状态。时间Tr1计算如公式(10)：
Tr1＝Tm+Tsleep (10)
其中，Tm为唤醒侦听时间，Tsleep为睡眠时间。
当处于接收数据状态的节点在唤醒时间内接收到了数据转发请求的广播，将按照EEORP协议所阐述的方法进行中继节点选择。
节点首先将自身到sink节点的欧氏距离与发送节点到sink节点的欧氏距离进行比较，当距离sink节点更近时，则计算有效度量值并回复ACK。在完成计算有效度量值时，为避免信道冲突，产生一个随机退避时间，然后再回复ACK。之后等待发送节点的二次广播，在确认自己竞争成为第一中继节点或备用中继节点后，此节点就成为下一级转发任务的发送节点，接收数据并进入下一级转发。时间Tr2计算如公式(11)：
Tr2＝Tm+(1+γ)TACK+TWb+TrDATE (11)
其中，Tm为唤醒侦听时间，TACK为回复ACK的时间，γ为产生的随机退避时间系数，(1+γ)TACK为随机退避回复ACK的时间，TWb为等待接收二次广播的时间，TrDATE为接收数据包的时间，欧氏距离的对比时间和度量值的计算时间忽略不计。
对于处在发送数据状态的节点，当有数据需要发送给sink节点的时候，发送节点首先进行广播，通知相邻节点有数据需要发送。若在唤醒有效时间内，即等待ACK回复时间内没有节点回复ACK，则发送节点转入睡眠状态。其时间Ts1计算如公式(12)：
Ts1＝Tbroadcast+TWACK+Tsleep (12)
其中，Tbroadcast为广播时间，TWACK为等待ACK回复时间，Tsleep为睡眠时间。
当处在发送数据状态的节点向相邻节点发送广播以后，在唤醒有效时间内收到了相邻节点回复的ACK，且能够选择出第一中继节点和备用中继节点，并将这两个节点的地址信息封装进数据包中并再次广播出去，然后完成数据发送并进入睡眠状态。时间Ts2计算如公式(13)：
Ts2＝Tbroadcast+TWACK+Tj+Tsleep+TsDATE (13)
其中，Tbroadcast为广播时间，TWACK为等待ACK回复时间，Tj为进行优先级选择并二次广播时间，Tsleep为睡眠时间，TsDATE为发送数据包的时间。
需要说明的是，节点在数据发送时，需要在有效的时间范围内得到候选中继节点集中的节点回复ACK，那么就要求公式(13)中等待ACK回复时间TWACK大于公式(11)中候选中继节点进行确认参与竞争并回复ACK的时间γTACK。因为随机退避时间系数γ是确定γTACK的关键，我们设γ的取值在(0,1)范围内，所以TWACK的值应为2TACK。当节点收到了候选中继节点回复的ACK以后，将进行优先级选择并进行广播，此时要求公式(13)中的优先级选择时间Tj应小于公式(11)中的节点等待时间TWb，具体限定要根据网络实际要求进行设定，以确保邻居节点接收到二次广播。
根据EEORP协议，在竞争中继节点的过程中，发送状态节点的候选节点集中可能存在距离sink节点较远的节点；或者是在收到二次广播时，地址信息对比不正确的节点。这些节点不具备转发数据的条件，将分别在不同的时间段由唤醒转入睡眠状态。如图5。
另外，处于发送状态的节点根据EEORP协议选择出下一跳的第一中继节点和备用中继节点后，第一中继节点正常进行数据接收、转发。备用中继节点则会先转入睡眠状态，在第一中继节点等待邻居节点回复ACK结束后唤醒，并对第一中继节点进行忙音侦听，判断第一中继节点是否能够顺利的完成数据转发。当第一中继节点能够正常的进行数据转发时，备用中继节点就丢弃之前收到的数据包转入正常的睡眠状态，否则，备用中继节点将进行数据转发任务。第一中继节点和备用中继节点工作时间状态如图6和图7。其中，当备用中继节点进行忙音侦听时，将在第一中继节点等待ACK回复时间有效期结束后立刻进行，忙音侦听时间相对于其他时间较短，在此忽略不计。
2、网络能耗
本文提出的EEORP协议中，设单位时间内的唤醒侦听能耗为em，单位时间内广播能耗为eb，单位时间内回复接收ACK能耗为eACK，单位时间内等待能耗为ew，单位时间内发送数据包能耗为es，单位时间内接收数据包能耗为er，睡眠状态不消耗能量。
数据包接收节点能耗分两种情况。当网络中没有数据需要发送，节点交替进行唤醒侦听状态和睡眠状态，能耗Er1为
Er1＝Tm·em (14)
当有数据需要发送时，其能耗Er2为
Er2＝Tm·em+(1+γ)TACK·eACK+TWb·ew+TrDATE·er (15)
数据发送节点同样分为两种情况。当网络中没有邻居节点回复ACK时，能耗 Es1为
Es1＝Tbroadcast·eb+TWACK·ew (16)
当有邻居节点回复发送节点ACK，并能够进行数据转发时，能耗Es2为
Es2＝Tbroadcast·eb+TWACK·ew+Tj·eb+TsDATE·es (17)
节点i一个时间周期内所消耗的期望能量Eiexpect为
Figure GDA0002246176450000161
节点i一个周期内的期望时间Tiexpect为
Figure GDA0002246176450000162
在期望能量Eiexpect和期望时间Tiexpect的计算中，随机退避时间系数γ取值0.5。
3、模拟仿真
在本小节中将对路由性能进行仿真分析。路由协议是在MATLAB仿真平台上进行的，选取MICAz硬件参数，并同ExOR协议、GCF协议[14]进行能量及时延的比较。相关实验参数如表1。
表1仿真参数设置
Figure GDA0002246176450000163
Figure GDA0002246176450000171
将每个节点的初始能量设定为2J，以网络中出现第一个节点死亡的时间进行比较，如图8显示。从图中我们可以看到，ExOR协议和GCF协议在网络节点发生变化时，其出现第一个节点死亡的时间并没有明显变化，这是因为ExOR协议和GCF协议是通过距离度量来选择下一跳节点的，并没有考虑节点的能量。而 EEORP协议考虑到节点的剩余能量，在下一跳选择的过程中尽量避免节点过度消耗能量。同时EEORP协议也安排节点在空闲时间内进行睡眠，以节省节点能量。
在网络范围内布置250个节点，每个节点的初始能量设定为2J，保持此节点密度不变，对节点分布的面积进行扩大。当网络面积扩大时，随着面积的增加，数据从源节点发送至汇聚节点的距离也在增加，转发跳数也随之增加。转发跳数的增加就会造成网络能耗的增加。同时，随着节点数量的增多，节点之间也会产生一系列的串扰或碰撞等，同样会造成网络能耗的增加。图9显示了EEORP协议、 ExOR协议和GCF协议在面积增加、密度不变的情况下，网络中出现第一个节点死亡的时间。
在相同大小的网络面积内，布置不同数量的网络节点，并比较端到端时延。图10显示了三个协议的时延对比。在不同节点数量的情况下，EEORP协议的时延小于ExOR协议和GCF协议。
本文研究了无线传感器网络机会路由协议，针对网络中节点能量有限和无线链路传输数据不及时的问题，提出了能量有效机会路由协议EEORP。EEORP协议利用节点度量值的优先级，在传输数据过程中选择第一中继节点进行数据转发、备用中继节点基于能量进行协作转发；同时利用睡眠唤醒调度机制，通过时间调度安排网络节点在空闲时段进行睡眠。EEORP协议平衡网络能耗，改善链路传输质量。仿真实验结果表明，能量有效机会路由协议EEORP减少了网络能耗，改善了端到端时延，延长了网络使用寿命。

Claims (3)

1.无线传感器网络能量有效机会路由的实现方法，其特征在于：
A、建立模型
在二维平面的监测区域内部署拥有多个节点和唯一sink节点的WSN，网络中所有节点初始能量相同，sink节点能量无限，在监测区域对事件监测的要求下，每一个节点都能够进行数据采集和中继转发数据包，并且有充足的邻居节点进行中继节点选择，每个节点知道自身的地理位置信息，并且知道sink节点的地理位置信息以及自身到sink节点的欧氏距离且具有一定的计算能力，节点在网络工作中采用周期性睡眠唤醒机制，睡眠时间周期内的睡眠时间设定为Tsleep；
其中，所述的睡眠时间Tsleep的设定方法为：
设监测区域内事件发生概率，即数据产生率为λ，且服从泊松分布，监测区域面积为S，节点密度为ρ，则监测区域内节点的数量N满足N＝S×ρ，当监测事件发生时，则要求监测区域内至少有n个节点能够监测并进行数据采集收集转发，即监测区域内最少节点唤醒数量至少要符合监测事件发生的概率，满足n＝N×λ；
设Tm为唤醒侦听时间，Tsleep为睡眠时间，两者关系满足
Tsleep＝δ·Tm (1)
设没有转发任务时，工作时间t内可以完成η个完整的时间周期；在唤醒侦听阶段侦听到有转发任务时，节点已经完成了χ个完整的时间周期，则时间上至少满足
Figure FDA0002246176440000011
Figure FDA0002246176440000012
其中，χ的取值范围为0,1,2……；根据公式(1)、(2)、(3)计算可以得到η、χ和δ的关系式为
η＝χ·δ+χ+1 (4)
按照网络要求，选择χ的取值进而确定Tm和Tsleep之间的关系。
B、设定有效机会路由
基于建立模型，设定有效机会路由，其中，节点周期性进行睡眠唤醒，当网络中没有数据需要进行发送的时候，节点周期性交替进行睡眠唤醒；当有数据传输的时候，发送节点通过广播通知周围邻居节点，处在唤醒状态下的邻居节点接收到广播后首先判断自身到sink节点的距离，当小于广播数据包中的距离时就将自身剩余能量和收包率的度量值通过ACK回复给发送节点；发送节点通过对比度量值选择出优先级最高的邻居节点为第一中继转发节点进行下一跳转发；在选择出第一中继节点的同时，路由也选择出备用中继节点进行协作转发；当第一中继节点不能够及时的选择出下一跳转发节点的时候，或者因为其他问题而不能继续转发数据的时候，将立即启用备用中继节点代替第一中继节点进行数据转发，当节点完成数据转发任务后，将转入睡眠状态。
2.如权利要求1所述的无线传感器网络能量有效机会路由的实现方法，其特征在于：所述的度量值的计算方法是：
首先定义三个度量：节点i的平均期望有效度量值Mi、能量剩余比Mi1和收包质量Mi2；
设网络中所有节点初始能量均为E，节点i工作到某一时刻的工作总时间为T，λ为数据产生率，节点i收包率为β，节点i一个时间周期内所消耗的期望能量为Eiexpect，一个周期内工作的期望时间为Tiexpect，设n′为工作周期个数，则
Figure FDA0002246176440000021
节点i的期望剩余能量Eisurplus为
Eiesurplus＝E-n′Eiexpect (6)
将剩余能量与收包率进行归一化处理，设节点i到汇聚节点sink的欧氏距离为Sis，对数函数的底取0.5，得到节点当前时间下的平均期望有效度量值Mi，则
Figure FDA0002246176440000022
其中，为使得Mi值与另外两个度量值有对比意义，α为缩小倍数，平均期望有效度量值Mi随着期望剩余能量Eisurplus的减少和收包率的增加而递减；
节点i参与中继节点竞争时，设节点i当前实际剩余能量为Eit，将计算当前节点i的剩余能量比Mi1和收包质量Mi2，两者计算分别如公式(8)和公式(9)：
Figure FDA0002246176440000031
Figure FDA0002246176440000032
度量值Mi1和Mi2随着剩余能量的减少和收包率的增加而递减；
设M′为候选中继节点的平均期望有效度量值Mi的集合，候选中继节点的平均期望有效度量值为集合中的元素，即M′＝{Ma,Mb,Mc……}；M1′为候选中继节点的剩余能量比Mi1的集合，即M1′＝{Ma1,Mb1,Mc1……}；M2′为候选中继节点的收包质量Mi2的集合，即M2′＝{Ma2,Mb2,Mc2……}；当集合M1′或集合M2′中的元素大于集合M′中相对应元素的值时，即(Mi1≥Mi)∨(Mi2≥Mi)，则相应的候选中继节点i将会参与第一中继节点和备用中继节点的竞争。
3.如权利要求1所述的无线传感器网络能量有效机会路由的实现方法，其特征在于：所述的有效机会路由利用时间调度安排网络节点在空闲时段进行睡眠，其所述的时间调度方法是：
网络中的每个节点随着工作时间的增加都可能成为数据的接收者或发送者，对于处在接收数据状态的节点，在唤醒时间内没有接收到数据转发请求的广播后就转入睡眠状态，时间Tr1计算如公式(10)：
Tr1＝Tm+Tsleep (10)
其中，Tm为唤醒侦听时间，Tsleep为睡眠时间；
当处于接收数据状态的节点在唤醒时间内接收到了数据转发请求的广播，将按照有效机会路由所阐述的方法进行中继节点选择，
节点首先将自身到sink节点的欧氏距离与发送节点到sink节点的欧氏距离进行比较，当距离sink节点更近时，则计算有效度量值并回复ACK，在完成计算有效度量值时，为避免信道冲突，产生一个随机退避时间，然后再回复ACK，之后等待发送节点的二次广播，在确认自己竞争成为第一中继节点或备用中继节点后，此节点就成为下一级转发任务的发送节点，接收数据并进入下一级转发，时间Tr2计算如公式(11)：
Tr2＝Tm+(1+γ)TACK+TWb+TrDATE (11)
其中，Tm为唤醒侦听时间，TACK为回复ACK的时间，γ为产生的随机退避时间系数，(1+γ)TACK为随机退避回复ACK的时间，TWb为等待接收二次广播的时间，TrDATE为接收数据包的时间，欧氏距离的对比时间和度量值的计算时间忽略不计；
对于处在发送数据状态的节点，当有数据需要发送给sink节点的时候，发送节点首先进行广播，通知相邻节点有数据需要发送，若在唤醒有效时间内，即等待ACK回复时间内没有节点回复ACK，则发送节点转入睡眠状态，其时间Ts1计算如公式(12)：
Ts1＝Tbroadcast+TWACK+Tsleep (12)
其中，Tbroadcast为广播时间，TWACK为等待ACK回复时间，Tsleep为睡眠时间；
当处在发送数据状态的节点向相邻节点发送广播以后，在唤醒有效时间内收到了相邻节点回复的ACK，且能够选择出第一中继节点和备用中继节点，并将这两个节点的地址信息封装进数据包中并再次广播出去，然后完成数据发送并进入睡眠状态，时间Ts2计算如公式(13)：
Ts2＝Tbroadcast+TWACK+Tj+Tsleep+TsDATE (13)
其中，Tbroadcast为广播时间，TWACK为等待ACK回复时间，Tj为进行优先级选择并二次广播时间，Tsleep为睡眠时间，TsDATE为发送数据包的时间。
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