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1、精品论文推荐一种低能耗无线传感器网络 QoS 路由协议郭琳，李腊元 武汉理工大学，湖北武汉（430063） E-mail：tommy_guolin摘要：为了解决无线传感器网络的能量瓶颈和QoS保障问题,本文提出了一种新的协议MEC路由协议。该协议通过记录邻居节点到Sink节点的最短路径信息建立到Sink节点的多 条路径,并根据信息包的QoS要求和节点剩余能量选择合适的路径进行路由。通过仿真实验与SAR协议比较,结果表明该路由协议在提高网络生存期及提供QoS服务方面具有明显的优势。关键词:无线传感器网络，QoS，路由协议，最短路径，NS2，仿真1引言无线传感器网络是一种由大量部署在观测环境中的微
2、型廉价低功耗的传感器节点形成 的无线多跳网络系统。它部署灵活,节点靠近目标,可实现高精度感知,支持多节点数据聚合 ( data aggregation)。它基本上是一种“以数量换质量”,多用户多任务并发操作的网络。无线 传感器网络有广泛应用潜力,是当前计算机科学领域的研究热点之一。目前很多无线传感器网络应用对数据传输的可靠性提出了较高的要求，因此无线传感器 网络的可靠性研究显得日趋重要。然而，与其它无线网络不同，由于传感器节点能量的限制 和工作环境的恶劣影响常常导致节点失效，从而为无线传感器网络可靠性路由协议的研究提 出了新的挑战。2问题的提出无线传感器网络主要有如下几个主要特点2, 3：(1
3、) 资源严重受限.(2) 以数据为中心、非端到端的通信模式. (3) 数据高度冗余,流量非均匀分布.(4) 多用户、多任务的并发操作,多类别数据流量.针对上述特点，可靠性路由的设计通常主要采用两种策略：一是利用节点配置的冗余性， 路径上采用具有最佳配置的节点来保证通信的可靠性(如具有最大剩余能量的节点)；二是建 立对每跳传输可靠性的评估机制，从而保证整个路由传输的可靠性，如采用多径路由方式。有序分配路由(sequential assignment routing,SAR)是第一个面向传感器网络提供QoS 保障的路由协议4, 5. 它是一种表驱动的路由协议,目标是提高效能和容错能力。它在确定 路
4、由树时,同时考虑QoS质量、路径上的能量资源和每一个数据包的优先级。为了避免单条路 径路由失败, SAR 使用了多条路径方式和路径存储机制,建立了从源点到目的节点的多条路 径,在建立路径树时会避免低能量或低QoS保障的节点。SAR 增强了能效和容错能力,但同时它也增加了路由表和状态表的维护开销。所以,当应用于大规模的传感器网络时，这种路由协议就显出了相对的不足。拟以最大化网络生存期为目标 , 本文提出了可同时支持实时业务和非实时业务的 MEC( Minimum Energy Consumption) 路由协议 。该协议以时延和路径节点剩余能量作为 QoS度量来选择最优路径传输数据。-4-3ME
5、C路由协议的描述在MEC协议中，假定网络中节点均匀分布, 用所经过的跳数来估计传输延迟。在初 始化阶段,协议在网络中建立最小路径集SRS(Shortest Routing Set)并沿着SRS的方向收集保 存路径节点剩余能量RE( Rest Energy)信息,传感节点不需要保存十分耗损能量的路由表,只 需要保存邻居节点信息,就可以建立到Sink节点的多条优化路径。传感节点在构造信息包时 加入相应的QoS参数,然后选择满足QoS要求且节点剩余能量较大的路径进行转发。3.1 MEC协议路径寻找过程假设无线传感器网络中的局部节点拓扑结构如图1(a)所示，初始时设置Sink节点的最短 路径集SRS(
6、Shortest Routing Set)为0,置其他所有节点的SRS为无穷大。然后Sink节点向其所 有邻居节点洪泛一个路径寻找消息,该消息中也有一个SRS值，并置其值为0;邻居节点收到 SRS消息后,将自己的SRS置为0 + 1 = 1,并生成一个当前SRS为1、Sender为节点本身的新消息 向它的邻居节点广播。当节点Vj 收到由节点Vi 发送的消息后做如下处理:(1)若节点Vi不在节点Vj 的邻居节点列表中,则把Vi节点加入其中,并记录节点Vj 的最 短路径集SRS(Shortest Routing Set)值,然后执行(2); 否则,取列表中Vi原SRS值和消息的当前 SRS值中较小
7、者作为节点Vi 的SRS,然后执行(2) 。(2)如果消息的当前SRS + 1小于节点Vj 的SRS,则置节点Vj 的SRS 等于消息的当前SRS + 1,然后执行(3);若消息的当前SRS + 1大于或等于节点Vj 的SRS,则结束退出。(3)节点Vj 向其邻居节点广播新消息,设置消息当前SRS为节点Vj 的新SRS值, Sender为 节点Vj。上述寻址过程结束后，各节点的SRS值及其邻居节点列表如图1(b)所示。图 1 MEC 协议路径寻找过程： (a) 寻找路径之前各节点路径信息的初始值；(b) 寻找路径之后各节点邻居 节点列表中的信息。3.2 收集节点能量信息寻找完最短路径集之后,
8、需要在邻居节点列表中增加一列用于存放每条路径上各节点 的剩余能量（Rest Energy)之和, 由Sink节点发起,沿已经建立的最短路径方向收集保存RE信息。初始时,置所有节点的邻居节点列表中邻居节点的路径RE为0,然后Sink节点构造RE消息并沿上面建立的最短路径方向传播, RE消息包含消息标志、当前最短路径、当前RE、Sender组成, 所有收到该消息的节点更新邻居节点列表中邻居节点的路径RE信息。节点Vi 接收到来自节点Vj 的包含当前路径信息的RE消息后，Vi 首先判断RE消息的当 前SRS是否等于它的邻居列表中Vj 的SRS,若相等,说明该RE消息是沿着从Sink节点到Vj最 短路
9、径更新而来的，可以更新Vi 的邻居节点列表。在更新邻居节点列表时，为保证Vj 记录 的RE是到Sink节点的能量最优路径的RE,在节点Vi接收到第一个来自Vj 的且具备更新条件 的PRE消息时,不是生成新的RE消息向邻居节点广播新消息，而是等待一个时隙T，在这个时 隙内，Vi收集自Vj的且具备更新条件的RE信息并置邻居节点列表中的RE为其中的最大值。 时隙T 结束后，Vi生成新的包含当前路径信息的PRE消息向其所有邻居节点广播。在这个过 程中,每个节点只广播一次RE消息，有效减少网络中消息的洪泛数量，节省了网络的能量。3.3 协议的QoS保障为了满足实时业务和非实时业务对QoS的不同要求，本协
10、议采取不同的路径选择策略。 实时数据沿着路径中剩余节点能量最大的路径向Sink节点传送。非实时数据沿着剩余节点能 量较大但路径最短的路径向Sink节点传送。这种策略既保证了实时数据的实时要求,又保证 了非实时数据的吞吐量。MEC协议采用一种按照优先级调度的策略:在信息包排队时,高优先级的实时数据优先 得到调度。为了避免非实时数据的较长时间等待,协议设定一个非实时数据等待时限Tw，在 等待时限Tw内,信息包必须受到调度。4协议的仿真试验协议通过网络仿真实验和SAR协议进行了比较。仿真工具采用NS2,网络覆盖面积500500m2 ,网络节点个数设置为50,设置节点的传输距离为60m。实验采用的传输
11、信道数据传输 率为200kb、出错率为0、信道延迟为0.5s,数据包长度为128bit。实验中,从第2 s开始,每隔2 s, 网络都有30个随机节点构造信息包向Sink节点发送。初始时设定,所有节点的初始能量为1000个能量单位,接收一个初始化消息消耗1个单位能量,发送一个初始化消息消耗2个单位能 量,接收一个信息包消耗2个能量单位,发送一个信息包消耗4个能量单位。随着时间的推移， 两种协议的能量消耗如图2所示，其中上面的红色曲线代表SAR协议的能量消耗，下面的绿 色曲线代表MEC协议的能量消耗；随着Sink节点接受到数据包数量的增多，两种协议的平均 时延如表1所示。图 2 两种协议的能量消耗
12、比较模拟试验曲线图（红色代表 SAR 协议，绿色代表 MEC 协议）表 1 两种协议在传输数据过程中的时延数据比较接受数据包数量SAR 时延EMC 时延503.46s3.11s1003.67s3.31s2003.86s3.44s5004.11s3.68s5总结MEC协议有效地解决了无线传感器网络中能量消耗和QoS服务问题，该协议能够针对实 时业务和非实时业务的不同要求，选取最适合的路径进行数据传输，实验结果表明，此协议 比SAR协议在能量损耗和提供QoS服务方面表现出更好的性能。参考文献1 孙利民,李建中,陈渝,等.无线传感器网络M.北京:清华大学出版社,2005.2 李建中,李金宝,石圣飞.
13、传感器网络及其数据管理的概念、问题与进展J.软件学报, 2003,14(10):1717 -1727.3 杨少军,史浩山,陈敏. 无线传感器网络QoS路由的研究与仿真J. 传感技术学报2005, 18(3):455 - 459.4 CHEN S. Routing Support for Providing Guaranteed End-to-End Quality-of-Service D.Phd thesis, University of Illino, 1999.5 SOHRABIK, GAO J,ALAWADHIV. Protocols for Self-Organization of
14、a Wireless Sensor Network:J.IEEE Personal Communications, 2000, 7(5):16-27.Energy Efficiency QoS routing protocol for wireless sensor networksGuo Lin, Li LayuanWuhan University of Technology, Wuhan, China (430063)AbstractIn order to solve the wireless sensor networks energy bottlenecks and QoS requi
15、rement issues, thispaper presents a new routing protocol MEC. It set up several paths by record the information of shortest path from neighbor nodes to sink node, and choose a suitable path for routing to send messages according to the QoS requirement and rest energy. After simulation with NS2 and comparing to SAR protocol, the results show that the MEC routing protocol has advantage in prolonging the lifetime of networks and providing QoS service.Keywords: wireless sensor networks; QoS; routing protocol; shortest path; NS2; Simulation
