引 言

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks，WSN）是一種特殊的無線自組織通信網絡。其區別于傳統無線自組織網絡的特點包括：節點數量特別巨大、節點硬件功能簡單、應用場境復雜、各種資源受限等。能量資源受限是WSN主要的瓶頸之一。

能量感知型WSN協議重點強調高效利用能量的重要性，其設計思想主要是在WSN各層協議中引入能量優化算法，通過控制整個網絡的能耗平穩性和高效性，從而達到在系統層面上改善傳感器網絡能耗特性、減少傳感器網絡的熱點并延長整個網絡的生存周期的目的。為了解決能耗問題，研究者提出了眾多的解決途徑，文獻［2］提出的SPEED協議采用基于位置的思想，提供擁塞控制和軟實時保障，從而降低通信沖突；文獻［3］提出的SPIN協議則是利用基于數據的思想，通過引入抽象的元數據概念避免資源的盲目利用；Shah RC等人則直接設計了基于能量優化的路由協議。然而后續研究表明，在網絡某一層單獨引入能量優化策略的效果并不明顯，并且可能會惡化其他層的能耗特性。跨層優化思想利用網絡各層信息的有機交互，可以避免各層獨立優化時引起的層間干擾。

本文基于這一思想，設計了一種簡單可靠的跨層式通信協議ECLC（Cross-Layer Communication Proto-c0l），仿真結果表明：ECLC協議在保障網絡流量和網絡效率的前提下，可以較好地改善網絡的能耗特性，延長網絡的生存時間。

1 ECLE協議的設計目標

ECLC協議首要目標是改善整個網絡的能耗特性；利用路由層與MAC層之間交互各自的能量信息，因此設計目標完全以實際應用的需求和可實現性為出發點。

1．1 能耗特性

網絡整體能耗效率：整個網絡的生存周期內，網絡總能量（全部節點的初始能量之和）與整個網絡采集到的數據量之比值?？杀硎緸椋?/p>

其中：ein-WSN表示整個WSN的初始能量；Dwsn為WSN在整個生存期內探測到的數據;ein-i為節點i的初始能量；Di為節點i在其生存期內探測到的全部數據；n為該WSN節點的個數。該指標衡量了WSN路由協議的整體能量效率。

網絡能耗平穩度：在任意時刻，整個網絡中所有節點剩余能量的均方誤差。可表示為：

其中：隨機變量erem表示WSN節點的剩余能量。剩余能量均方誤差衡量了整個網絡能耗的平穩性，通過控制剩余能量均方誤差，可防止部分節點過早耗盡能量。

網絡生存時間：從網絡開始工作到有一定數量的節點死亡。該指標主要從時間角度考察了路由協議的整體性能；在WSN的實際應用過程中，網絡生存時間是很關鍵的指標之一。

1．2 可擴展性與容錯能力

由于WSN的應用環境復雜多變，節點失效、節點位置變化、新節點的加入都會引起網絡拓撲結構的變化，這就要求網絡協議具有很強的擴展性。另外由于節點死亡或無線鏈路本身的缺點會造成通信失敗等故障，因而又對協議的容錯能力有較高要求。

1．3 快速收斂性

WSN的能量和通信帶寬等資源十分有限，因此要求協議能夠快速收斂，以適應網絡拓撲的動態變化，減少通信協議開銷，提高信息傳輸效率。

1．4 服務質量（QoS）

WSN協議的QoS主要包括傳輸時延、數據精度、帶寬利用率等指標。一旦考慮了服務質量，那么必然要在QoS和能耗特性之間選擇平衡。

2 ECLC協議的描述

2．1 基本定義

為了后面描述的方便，先給出以下基本定義：鄰居（Vicinage）：與節點A可以直接通信的節點稱為節點A的鄰居。節點A的所有鄰居構成它的鄰域，記為VA。

前向鄰居（Forward Vicinage）：數據傳輸過程中可以成為節點A下一跳節點的鄰居。節點A的所有前向鄰居構成它的前向鄰居集；記為FVSA。

后向鄰居（Backward Vicinage）：如果節點A是節點B的前向鄰居，那么節點B就稱為節點A的后向鄰居。節點A的所有后向鄰居構成它的后向鄰居集，記為BVSA。

目的節點（Termini Node）：不需其他節點路由，可直接將數據包發送給Sink的節點。

熱度：節點建立通信鏈路的頻繁程度。

2．2 信道接入

無線信道訪問機制采用IEEE802．11 CSMA／CA機制。需要使用信道的節點首先偵聽信道是否空閑，如果信道空閑且經過一個DIFS時序間隔后仍為空閑狀態，那么發送節點直接開始發送分組數據；否則發送節點一直偵聽信道直至信道最終空閑下來并且超過DIFS時序間隔，此時發送節點將啟動退避機制。圖1描述了CSMA／CA機制的基本訪問方式。

2．3 鏈路選擇

當系統布設完畢進入穩定狀態后，Sink節點開始廣播HELL0消息，其格式如圖2所示。

該數據包共16個字節，其各字段含義如下：

NOP：用來標識采用何種協議，包括協議的名稱代碼、版本號等信息；

TID：HELLo消息的來源，因為系統中往往不止一個節點可直接向Sink發送數據；

NOT：該數據包被轉發的次數，Sink節點廣播此消息時該字段為O，每轉發一次，該字段值加1，終節點發送時此字段值為1；

TRID：發出該數據包的節點ID；

EREM：發出該數據包的節點的當前剩余能量；

HELL0：消息內容；

HOT：發送該消息的節點“熱度”；

0NM：用來標記每次建立路由，在一次建立路由過程中，消息編碼固定，Sink節點移動位置或其他情況下需要重建路由時，修改該字段；

SP：用來填補該數據包的空余，該字段值為O。

當某個節點收到此消息后，完成下面動作：

（1）檢測數據幀，檢測步驟如下：

①查看數據包的消息代碼字段，檢查與上次接收到的協議編號是否相同（首次接收到判為不同）；若相同轉步驟③；否則轉步驟②；

②清除鄰居列表信息，重新建表；

③查看HELLO消息數據包的轉發節點ID字段，若該節點已包括在后向鄰居列表中，則丟棄該包；

④將轉發節點ID添加到前向鄰居列表。

（2）發送一個名為“COUNTERSIGN”的確認消息數據包，消息格式如圖3所示：

該數據包共有16個字節，各字段含義如下：

NOP：與HELLO消息的相應字段相同；

TRID：產生并發送該消息的節點ID；

COUNTERSIGN：消息內容；

REIDL：該字段包含了需接收該消息的全部節點ID；

SP：與HELL0消息的相應字段相同。

（3）轉發HELLO消息，其過程為：

①修改轉發次數字段，給其值加1；

②將轉發節點ID、“熱度”、剩余能量替換為自己的相應值；

③發送HELLO消息。

（4）接收確認消息，修改其后向鄰居表。

2．4 建立通信鏈路

當某個節點需要發送數據時，它在自己的前向鄰居中選擇一個節點作為接收點，其選擇步驟如下：

（1）根據前向鄰居表內各個鄰居的“熱度”，避開比較熱的節點；

（2）啟用功率管理算法計算最佳傳輸距離范圍；

（3）在最佳傳輸距離范圍內選擇剩余能量最大的節點作為它的下一跳。

2．5 數據傳輸

傳感器節點產生的數據包格式如圖4所示，數據包中各字段含義如下：

NOP：與HELL0消息相同；

REID：接收該數據包的節點ID；

NOT：表示該數據包被發送的次數；源節點發送時該字段值為1；

TRID：發送該數據包的節點ID；

DATE：數據包的內容；

SP：補充數據包的空余，該字段值為0。

圖4數據幀格式數據包轉發過程如下：

（1）當某個節點接收到該數據包時，檢測接收節點ID是否與自己ID一致，若不一致丟棄該包，再檢測發送節點ID是否在自己的后向鄰居列表中，若發送節點ID不在自己后向鄰居列表中，則丟棄該包。否則接收該包并緩存。

（2）數據包被緩存后，該節點將該數據包的接收節點ID字段替換為它的下一跳ID，將發送節點ID字段修改為自己的ID，然后將數據包發送出去。

3 仿真分析

利用OPNET仿真平臺對設計的通信協議進行了仿真，在200×100的區域中，共隨機布設了120個節點，仿真環節的各項參數設置如表1所示。

3．1 ECLC的能耗特性分析

圖5表示了AODV，DSRE，SPEED，GPSR，SPIN（MAC層采用802．11協議），ECLC六種協議在傳輸相同數據量的條件下的能耗特性，可以看出：與其他幾種協議相比，未使用跨層交互機制時幾種協議能耗特性相差較小，原因是幾種協議的MAC層訪問機制相同；而在開啟跨層優化功能后，ECLC可以很好地避免沖突與網絡擁擠，因而減少了能量浪費。圖5是未開啟跨層優化時各種協議的能耗比較；圖6是開啟跨層優化后各種協議的能耗比較。

3．2 ECLC網絡生存時間的影響

在仿真路由協議對網絡生存時間的影響時，選擇節點死亡數目超過1／3的時刻作為WSN的失效時刻，即在仿真時，當死亡節點數量達到40時，表示WSN死亡。圖7表示了多次仿真取算術平均值的網絡生存時間比較圖。從圖中可以看出，ECLC可以最大限度地延長網絡生存周期，這是因為ECLC協議更好地控制了所有節點能量消耗的平穩性，因而不會導致部分區域過早出現熱點而引發連鎖效應。

4 結 語

本文通過采用跨層機制來交換層間能耗信息，設計了一種簡單可靠的能量感知型無線傳感器網絡通信協議ECL，并給出了實現過程。在理論分析的基礎上，用OPNET仿真平臺對所設計的協議進行了仿真分析，結果表明：ECLC通信協議對節點數量特別巨大的傳感器網絡的能耗特性有很好的改善作用，可以顯著改善整個WSN網絡能耗的均衡性，從而延長了網絡的生存時間。由于無線傳感器網絡協議有很強的應用相關性，后續工作將包括：進一步優化ECLC協議細節，增強其各種性能，尤其是增強可移植性，使其成為一種開放式WSN通信協議。