一种能量感知型无线传感器网络跨层式通信协议

作者：时间：2009-05-14来源：网络收藏

摘要：结合无线 传感器网络面向应用的实际需求，提出一种新颖的能量感知型无线 传感器网络跨层协议ECLC，并给出了实现过程和仿真结果。基于重点关注热点能耗的策略，综合WSN在能量高效、可扩展性、服务质量等方面的不同要求，设计了简单可靠、易于实现的跨层式WSN网络协议。仿真结果表明：ECLC协议在传感器网络系统层面较好地改善能量消耗的有效性和均衡性，因而避免了网络中热点的过早出现，延长了整个网络的生存期。
关键词：无线传感器网络；跨层协议；能量高效；热点

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/158051.htm

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。