[摘 要]：無線傳感器網絡（WSNs）被認為是未來改變世界的十大技術之首，但有限的計算、存儲和通信能力，尤其是嚴重受限的能量使其應用前景面臨巨大挑戰(zhàn)，WSNs在應用之前需要解決許多關鍵問題，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，設計WSNs路由協(xié)議需要重點考慮能耗問題；針對WSNs的GEAR路由協(xié)議，提出一種能耗上的改進方案并進行仿真，仿真結果顯示：該方案能明顯降低能耗。 關鍵詞：無線傳感器網絡；GEAR協(xié)議；能耗 0 引 言 在無線傳感器網絡（WSNs）中，節(jié)點通常需要獲取其位置信息，這樣，它采集的數據才有意義。如在森林防火應用中，需要知道火災的具體位置。地理位置路由假設節(jié)點知道自身及目標區(qū)域的位置，以這些位置信息作為路由選擇的依據，按照一定策略轉發(fā)數據到目標區(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中的一個能量感知的基于位置的地理路由協(xié)議，模擬結果顯示：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絡壽命。能量對于WSNs的生命周期具有決定意義，能耗是WSNs路由協(xié)議需要重點考慮的問題。本文針對GEAR路由協(xié)議，依據GEAR的特點提出了一種改進方案，使其在能耗力方面有所改進。 1 GEAR路協(xié)議 1．1 核心思想 由于Sink發(fā)出的查詢消息中經常包含位置屬性，GEAR路由協(xié)議在向目標區(qū)域散布查詢消息的同時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”的傳播僅到達目標區(qū)域，而不是傳播到整個網絡，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個階段：（1）查詢消息轉發(fā)到目標區(qū)域：從Sink節(jié)點開始的路徑建立過程采用貪婪算法，節(jié)點在鄰居中選擇到目標區(qū)域代價最小的節(jié)點作為下一跳節(jié)點，并將自己的路由代價設為該下一跳節(jié)點的路由代價加上到該節(jié)點一跳通信的代價。若陷入路由洞，節(jié)點則選取鄰居中代價最小的節(jié)點作為下一跳節(jié)點，并修改自己的路由代價；（2）在目標區(qū)域內散布查詢消息：查詢消息到達目標區(qū)域后，通過迭代地理（節(jié)點密度較大時）或洪泛方式（節(jié)點較少時）將查詢消息傳播到目標區(qū)域內的所有節(jié)點。這2個階段完成后，監(jiān)測數據沿查詢消息的反向路徑向Sink節(jié)點傳送。 1．2 NS2中GEAR的實現細節(jié) GEAR路由協(xié)議在NS2中的實現是一個簡化的版本，查詢消息在事件區(qū)域的轉發(fā)是采用洪泛方式，沒有實現迭代地理方式，下面僅對改進時關心的問題進行說明。 首先，GEAR路由假設已知節(jié)點的位置和剩余能量信息，通過下面幾個變量來表示： double geo_longitude_, geo_latitude_;//節(jié)點的位置信息； int nmn_pkt_sent_, num_pkt_recv_;//發(fā)送和接收的信息包數量； double initial_energy_;//節(jié)點的初始能量； 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中實現的CEAR發(fā)布查詢消息時分為2個階段，在消息沒有到達目標區(qū)域時，采用貪婪算法（單播方式）轉發(fā)消息，消息到達目標區(qū)域后，采用洪泛方法（廣播方式）轉發(fā)查詢消息。節(jié)點根據不同的情況作出相應的處理： enum geo_actions ｛ BROADCAST = 0, BROADCAST_SUPPRESS, OUTSIDE_REGION ｝ , 其中，BROADCAST=0表示節(jié)點在目標區(qū)域內部，采用廣播方式轉發(fā)查詢消息；BROADCAST_SUPPRESS表示節(jié)點的所有鄰居都不在目標區(qū)域內，節(jié)點不轉發(fā)查詢消息； OUTSIDE_REGION表示節(jié)點在目標區(qū)域外，用單播轉發(fā)查詢消息。與路由相關的函數： int32_ t findNextHop （GeoHeader ＊ geo _ header, bool greedy） ;// 找到下一跳鄰居； int floodlnsideRegion（GeoHeader ＊ geo_header） ;// 在區(qū)域內轉發(fā)信息包； double retrieveHeuristicValue （GeoLocation dst ） ;// 得到節(jié)點的通信代價； void broadcastHeuristicValue （GeoLocation dst, doublenew_heuristic_value）;當出現路由洞時，需要修改節(jié)點的通信代價，并將這個修改后的通信代價告知其鄰居節(jié)點。 NS2中實現的GEAR，查詢消息在事件區(qū)域內的轉發(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)議的改進方案 2．1 問題描述 文獻[2]指出：如果使用Micadot節(jié)點，發(fā)送一個比特上盡量進行網內處理，減少數據傳輸量，可以有效地節(jié)省能量。理想的融合情況下，中間節(jié)點可以把n個長度相等的輸人數據分組合并成一個等長的輸出分組，只需消耗不進行融合所消耗能量的1／n即可完成數據傳輸；最差的情況下，融合操作并未減少數據量，但通過減少分組個數，可以減少信道的協(xié)商或競爭過程造成的能量開銷，所以，在數據傳輸時要盡量采用數據融合。在GEAR路由中，當查詢消息到達目標區(qū)域后，事件區(qū)域中的節(jié)點采集的數據沿查詢消息的反向路徑向Sink節(jié)點傳送，由于數據采集時同一區(qū)域的眾多節(jié)點采集的數據往往有相似性，如果能夠讓這些節(jié)點協(xié)同工作，對數據進行必要的融合，就可以減少冗余數據包的傳輸。 如果節(jié)點密度比較大，GEAR采用迭代地理轉發(fā)機制，作為對GEAR路由協(xié)議的改進，每一次迭代的中心節(jié)點可以作為數據融合節(jié)點，將其子區(qū)域節(jié)點采集的數據進行處理后再沿反向路徑傳送。這樣，目標區(qū)域內第一個收到查詢消息的節(jié)點將融合后的數據沿查詢消息的反向路徑向Sink節(jié)點傳送。 如果節(jié)點密度比較小，GEAR則采用洪泛轉發(fā)機制。這時由于沒有子區(qū)域中心節(jié)點可以使用，需要以某種方法產生一個融合節(jié)點對數據進行處理。一種簡單的方法是選擇能量比較大的節(jié)點作為融合節(jié)點，當然，該節(jié)點需要能夠與其他節(jié)點直接通信。該節(jié)點對數據進行處理后沿查詢消息的反向路徑向Sink節(jié)點傳送。 2．2 解決方案實現 根據2．1節(jié)的思路，迭代地理方式采用數據融合具有明顯的優(yōu)勢：首先，融合節(jié)點不需要選取，以子區(qū)域中心節(jié)點作為融合節(jié)點即可；其次，節(jié)點密度較大時，采用融合方式更節(jié)省能量。但由于NS2中實現的GEAR是一簡化版本，查詢消息在事件區(qū)域內的轉發(fā)并沒有采用迭代地理方式，為便于比較改進前后的效果，在改進方案的實現中僅針對洪泛方式進行設計。具體的改進方案分為如下幾個步驟： （1）當查詢消息轉發(fā)到事件區(qū)域后，區(qū)域內的節(jié)點先建立簇。由于GEAR中每個節(jié)點知道自身及鄰居節(jié)點的位置和能量信息，因此，可根據節(jié)點的位置信息，結合節(jié)點的通信范圍，在事件區(qū)域內部形成簇； （2）設定算法選擇簇首節(jié)點，簇首節(jié)點需要滿足幾個條件：①能量足夠大，大于設定的能量閾值；②簇首節(jié)點能夠與簇內其他節(jié)點直接通信，在簇形成時保證這一點；③可以對數據進行相應處理。簇首節(jié)點選出后通報整個簇內節(jié)點； 對于簇首節(jié)點選擇的具體算法，為便于實現，只要能量大于能量閾值，位置在事件區(qū)域的節(jié)點就可以擔任簇首節(jié)點。由于可能有多個符合條件的節(jié)點，因此，在代碼實現中是選出事件區(qū)域內能量最大，且能量大于能量閾值的節(jié)點作為簇首節(jié)點； （3）節(jié)點開始采集數據，簇內節(jié)點將采集的數據首先傳送到簇首節(jié)點，由簇首節(jié)點對數據進行壓縮整合，除去冗余數據后再發(fā)往區(qū)域內第一個接收到查詢消息的節(jié)點，沿查詢消息的相反路徑轉發(fā)到Sink節(jié)點。以查詢消息要求的時間間隔T為周期，在這個T時間范圍內，接收簇內節(jié)點發(fā)送的數據并進行緩存，在下一個時間間隔對數據進行融合并轉發(fā)。 具體實現時，將在[0，T]時間范圍接收到的數據包認為是一個時間產生的數據，如果這些數據的監(jiān)測對象為同一類型，則判定這些數據互為冗余數據。根據可信度，挑選出可信度最高的數據進行傳輸，其他數據將丟棄。最大可信度數據意味著高質量的數據，同時，降低了冗余數據的傳輸。 3 仿真實驗設置及結果分析 由于GEAR在NS2中沒有集成迭代地理方式，因此，本實驗針對區(qū)域內的洪泛方式進行比較，并采用平均能耗參數來衡量改進后的協(xié)議性能。平均能耗是網絡中每個節(jié)點在傳輸一個單位的數據包時所消耗的能量。另外，本文感興趣的還有平均能耗和網絡尺寸的關系，因此，通過改變網絡節(jié)點數目來研究平均能耗，并與改進前GRAR路由進行比較。 3．1 實驗場景的參數選用 根據GEAR路由協(xié)議以及國際上發(fā)表的針對WSNs的相關文獻[1，3]的實驗場景設置，本文采用了如下實驗場景設置：在下面的實驗中，默認采用1.6MB／s的802.11MAC層協(xié)議，每個節(jié)點的通信范圍為100個單位，每個目標區(qū)域是一圓形區(qū)域，其半徑為50個單位。數據包的大小為64字節(jié)，查詢消息大小為32字節(jié)。 實驗采用不規(guī)則拓撲場景，網絡大小從50個節(jié)點到250個節(jié)點，網絡的覆蓋面積是670×670平方單位，固定節(jié)點的通信范圍是100個單位，目標區(qū)域是半徑為50單位的圓形區(qū)域。設定節(jié)點的初始能量是1J，發(fā)送和接收一個數據包消耗0.001J，比例參數a值取0.8。數據源節(jié)點設為5個，Sink節(jié)點設為2個。 3．2 仿真結果及分析 對生成的trace文件的剩余能量進行統(tǒng)計。統(tǒng)計方法為平均能量消耗：消耗能量／（網絡尺寸×數據量）。其中，消耗能量是初始總能量減去最后的剩余能量，網絡尺寸是節(jié)點個數，數據量是數據源節(jié)點產生的數據包和Sink節(jié)點發(fā)出的查詢消息總和，即，數據量：運行時間×（單位時間數據包×源節(jié)點個數+單位時間查詢消息×Sink節(jié)點個數）；消耗能量=總初始能量-總剩余能量；網絡尺寸=節(jié)點個數。設定運行時間為30min，30min后停止仿真，整理后的數據見表1。 由表1可見，改進后的能量顯著節(jié)省。且隨著節(jié)點個數的增加，能量節(jié)省更為顯著。這是因為隨著節(jié)點個數的增加，網絡密度增大，洪泛方式能耗更多，而采用數據融合后，節(jié)省能量更為明顯。 4 結 論 由于目前GEAR在NS2中集成版本的限制，實驗僅針對區(qū)域內的洪泛方式進行了簡單仿真，取得了比較理想的實驗結果，這種微小的改進，對GEAR降低能耗有比較明顯的效果，可以預期，NS2和GEAR協(xié)議本身的發(fā)展和完善，將為進一步的實驗提供更好的條件。