本文摘要：摘要:根據無線網狀網的網絡特征，以延長網絡生命周期為目的，設計了一種結合節點剩余能量與地理位置信息的機會主義路由協議GEOR，并給出了一種基于跳數的節點通訊范圍算法。實驗仿真結果表明:相比于傳統的路由協議ExOR及以能耗為目的的路由協議PLOR，協議GEO
摘要:根據無線網狀網的網絡特征，以延長網絡生命周期為目的，設計了一種結合節點剩余能量與地理位置信息的機會主義路由協議GEOR，并給出了一種基于跳數的節點通訊范圍算法。實驗仿真結果表明:相比于傳統的路由協議ExOR及以能耗為目的的路由協議PLOR，協議GEOR有效延長了網絡生命周期，均衡了節點能耗。
關鍵詞:生命周期,機會路由,無線傳感器網絡
無線傳感器網絡[1](WirelessSensorNetworks，WSNs)是由很多個傳感器節點構成的多跳網絡，普遍應用于各個領域。由于網絡中節點的能量由電池供應，能量存儲有一定的限制，所以如何改善網絡的生存周期，使節點的能量消耗變得均衡尤為重要。
而在無線傳感器網絡中，在均衡能量消耗方面，設計低能耗的路由協議起到了舉足輕重的作用，其中，Biswas[2]等人首先提出的機會路由[3-4]充分利用無線鏈路的廣播特性和異變性，考慮節點選擇下一跳轉發路徑的機會性，從而有效提高了無線多跳網絡的可靠性，減少了數據傳輸次數，對照傳統的路由協議，機會路由有效的提高了網絡的生命周期。在節能機會路由的研究中，文獻[5]結合節點的成功傳輸次數與節點剩余能量，提出了一種候選節點選擇策略，對網絡的生存時間有了明顯的提高。
文獻[6]利用地理信息，提出一種自適應轉發集優化算法，優化傳輸效率并最大化網絡生命周期。文獻[7]綜合考慮了節點剩余能量和鏈路上收發雙方總能耗，同時引入隨機網絡編碼，設計了一種轉發節點集選擇算法。不僅保證了數據傳輸的可靠性，也優化了網絡生存時間。
上述研究從優化節點候選集出發，通過減小節點傳輸數據的能耗來降低網絡能量消耗。由于候選集節點的數量大小也會影響無線網絡的性能，文獻[8-10]分別提出幾種控制節點數量的方法。文獻[10]考慮了節點間隔距離、網絡密度等因素，設計了一種候選節點數量選取算法，減少了網絡中冗余的候選節點，提升了網絡的性能。智能電表網狀網(AMImeshnetwork)是由多個智能電表組成的一種多跳無線網絡，相比于有線通信的組網方式，無線通信的模式使得傳感器節點部署便利，成本低廉[11]。
文獻[12]以此為背景，將機會路由應用在智能電表網狀網中，提出盡快完成采集數據傳輸的機會路由問題，將機會路由候選節點選擇問題建模并求解。文獻[13]考慮數據流的分布，將機會路由選擇問題描述成凸優化問題，并且提出了一種多流機會路由算法以提升網絡吞吐量。本文以智能電表為應用背景，在多跳無線的組網形式下，結合該網絡固有的特征，設計了一種基于地理位置信息、以均衡節點能耗為目的的機會主義路由協議GEOR，旨在保證數據傳輸可靠性的同時，有效延長網絡的生命周期。
1問題描述
其中，節點D作為目的節點，剩余節點均作為源節點。其網絡特征總結如下:(1)網絡中節點排列有序，節點間最小間隔距離相同;(2)已知地理位置信息，且網絡拓撲結構基本不變;(3)在數據采集階段，源節點傳送單個數據包到目的端。
傳統的以地理距離為測度的機會路由(如GeRaF)，僅考慮地理位置來決定節點轉發優先級，造成過度利用距離目的節點較近節點的問題，第一個死亡節點的出現時間較早，導致整個網絡的生命周期較短。
針對上述問題，將節點的剩余能量作為參考因素，提出了一種將節點剩余能量與地理距離結合的路由測度，在選擇節點轉發集時，優先選擇距離目的節點近且能量高的節點。考慮如下路由測度公式:REEi=REi/d(i，D)(1)其中，REi指代節點i的剩余能量，d(i，D)指代節點i與目的節點D之間的距離。以RRE作為一種候選集節點選擇測度，雖然提高了網絡生命周期，但在選取下一跳節點時，仍然會對距離目的節點較近的節點造成一種能量負擔。
S為源節點，D為目的節點，A，B，C作為轉發節點。令d(S，D)表示兩節點S與D的間隔距離，其中，d(B，D)=20m，d(C，D)=10，初始能量EB=EC=50J，計算可得節點B與C的路由測度分別為:RREB=50/20，RREC=50/10，則選擇測度值較大的節點C作為下一跳節點，當節點C的能量消耗至25J時，RREB=RREC，此時節點B的能量值較大，與均衡節點能耗的初衷相悖，并且這樣更容易出現節點過早死亡。
由上述描述，在網絡拓撲結構變化較小的情況下，距離目的節點較近的節點有更大的機會轉發數據，并且其余節點轉發數據的機會受到候選集中節點間距離差值大小的影響。所以，如何結合節點剩余能量與位置信息選擇下一跳轉發節點，盡可能使得每個節點的剩余能量在一個較小的范圍內波動，是本文所要解決的問題。
2.節點通信范圍算法
在數據傳輸后期，隨著節點能量的消耗，節點間的能量分布開始表現出不均衡性。若仍然使用初始的固定功率，保持相同的通訊范圍，可能存在以下問題:當保持節點通信范圍不變時，發送節點的剩余能量可能已經不足以支持傳輸數據所要消耗的能量，從而造成節點死亡。但是如果縮小節點的傳輸范圍，能更好的避免過早出現第一個死亡節點。
雖然這也加重了整個數據傳輸過程中的能耗，但發送信息附近的節點有了更多的轉發機會。下面通過一個簡單的實例進行說明，假設節點A的通信范圍為10m，傳輸一個數據包到10m遠所消耗的能量為0.5J，經過一段時間的數據傳輸后，節點A的剩余能量為0.5J，即如若保持節點A的通信范圍不變，那節點A再進行一次數據傳輸后就會死亡。
但是，若將節點A的通信范圍變小，不僅滿足了自身發送數據所要消耗的能量，也增大了鄰居節點轉發數據的機會，這樣能更好的延長網絡生命周期。通過以上描述，適當改變節點通訊范圍更加充分考慮了節點剩余能量的運用。這里，假設通訊范圍為10m的節點，最遠可進行三跳將數據傳遞到目的節點。
那么，通過逐級遞減其跳數來控制節點的通信范圍。本文會通過第3小結的實驗來檢測該節點通信范圍算法的優劣。具體算法為:while0
3.參數設置
仿真實驗中，采用Shadowing模型反映無線信道多徑衰落的特征，參照距離記為1m，陰影方差記為4，路徑損耗系數記為2，節點傳輸范圍15m.無線傳感器網絡節點有序排列在大小為45*45區間內，節點橫坐標范圍[20，62]，縱坐標范圍[20，62]，節點間最小間隔距離Mindis為3m，共部署了225個節點，目的節點位于坐標(65，41)處，節點初始能量為1J，目的節點能量不設限，參數α，β取值分別為10，3.數據包大小為512bytes，采用802.11MAC協議，最大傳輸率是250kb/s，仿真時間以第一個死亡節點為準。
實驗結果以網絡生存周期及節點能量均衡性作為評估標準，定義評價指標如下:(1)網絡生存周期:以出現第一個死亡節點為標準，評估整個網絡成功完成一次數據傳輸的次數(源節點到目的節點成功完成一次數據傳輸記為一次循環r);(2)節點能耗均衡性:第一個節點死亡時，用網絡節點剩余能量的分布和方差來反應其均衡性。
3.1實驗結果分析
(1)網絡生命周期的比較。可以得知，路由協議ExOR最先出現死亡節點，PLOR協議次之，路由協議GEOR出現第一個死亡節點時的傳輸次數更長。結果表明，GEOR的網絡生命周期得到了有效的提高。
ExOR協議雖然第一個節點死亡時間較早，但并沒有影響其整體傳輸數據的次數;而PLOR在220次數據傳輸后，出現大批節點死亡的情況，這是由于節點能量均衡性較好，在數據傳輸后期，多數節點都已瀕臨死亡，但其整體的數據傳輸次數沒有ExOR表現的好。本文提出的路由協議GEOR不僅有效延長了網絡生命周期，也表現出較好的成功傳輸數據的性能。
4結束語
針對無線網狀網的網絡特征，本文設計了一種新的路由協議GEOR.該協議結合節點剩余能量和位置信息，給出一種新的路由測度，并設計了一種新的節點通訊范圍算法。實驗結果表明:協議GEOR較好的延長了網絡生命周期，實現了節點能量的均衡消耗。但在參數α，β的取值研究上無形加重了實驗的負擔，還有所欠缺。下一步工作中期望結合智能優化算法來改善參數值的選取。
參考文獻:
[1]孫利民，葉馳，廖勇.傳感器網絡的路由機制[J].計算機科學，2004，31(3):54-57.
[2]BISWASS，MORRISR.Opportunisticroutinginmulti-hopwirelessnetworks[J].AcmSigcommComputerCommunicationReview，2005，34(1):69-74.
[3]田克，張寶賢，馬建，等.無線多跳網絡中的機會路由[J].軟件學報，2010，21(10):2542-2553.
[4]郭東岳，劉林峰.一種基于區域朋友關系的機會路由算法[J].計算機科學，2017，44(3):105-109.
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