无线传感网络中转发节点优化的多跳路由

丁 凰，缪相林，王 梅，张 媛

（1. 西安交通大学 城市学院，西安 710018；2. 西安交通大学 计算机科学与技术学院，西安 710049）

0 引言

随着电子通信技术的发展，无线传感网络(wireless sensor networks， WSNs)已广泛应用于环境监测[1-2]，如植物监测、海洋环境勘察、灾难预测等。先利用WSNs 内的节点感测环境数据，再将数据传输到信宿，进而实现对环境监测的目的。

然而，由于WSNs 网络结构较大，数据须多跳路由才能到达信宿， 即需要多个转发节点才能将数据传输到信宿，这就需要有效的转发机制。考虑到节点能量属有限能量[3]， 一旦节点能量消耗尽，节点就无法工作。因此，在设计转发机制时，必须考虑到节点的能耗问题。

地理位置路由只须依据节点位置传输数据包，无须维护节点路由表，减少了节点系统开销，因此，地理位置路由受到广泛关注[4]。但是，目前多数地理位置路由只考虑了2 维平面，并基于2 维平面的节点位置选择转发节点。而真实的网络，如水下 传感网络，节点是处于3 维平面的。

此外，由于采用贪婪转发策略，地理位置路由还存在路由空洞问题[5]。文献[6]针对路由空洞问题提出了解决方案，但它只在2 维平面有效，无法应用于3 维平面[7]。

文献[8]结合了贪婪转发和角度转发机制，提出 角 度 路 由 协 议(angular routing protocol， ARP)， 当节点遭遇路由空洞时，就依据最小角度迂回数据包进行转发。文献[9]提出空洞处理路由(a void handing routing， AVHR)策略，其采用3 维贪婪角度机制传输数据包，并具有数据包跟踪功能。文献[10]针对3 维WSNs 提出实时的地理位置路由(real-time geographical routing， RTGR)，并引用自适应数据转发区域，致使只有在该区域内的数据包才能被接收。

然而，这些协议没有考虑到能耗问题来选择转发节点，仍是沿用贪婪转发机制。为此，本文提出基于能效角度路由(energy efficient angle based routing， EEAR)，先依据角度信息选择下一跳转发节点集，然后再依据距离和能量信息，选择从转发节点集中择优选择转发节点。若遭遇路由空洞时，调整角度，扩大选择下一跳转发节点的区域。仿真结果表明，提出的EEAR 路由能有效地提高数据包传递率，减少能耗。

1 EEAR 路由

1.1 网络模型

假定网络由n 个同构的传感节点组成，每个节点拥有自己和信宿的3 维位置信息。网络的3 维空间的拓扑信息为已知信息，每个节点的传输半径为R，最初给每个节点设定1 个初始的锥角α ，并利用锥角α 选择向信宿传输数据包的下一跳转发节点。

当源节点需要传输数据包时，先设置数据包的首部，包括发送节点标识符(identifier， ID)，发送节点坐标、锥角α 和数据包寿命。由于每个节点均知道信宿的位置信息，数据包首部无需嵌入信宿位置信息。

每个节点维持2 个队列：已发的队列(resend queue， RQ)和 已 传 输 的 队 列(transmitted queue， TQ)。RQ 表示源节点已传输且下一跳转发节点还未转发的数据包[11]，TQ 表示源节点已传输且下一跳转发也成功转发的数据包。每个节点周期地更新RQ 和TQ。

当节点发送了1 个数据包Data，最初节点就保存它的复本，并将复本保存于RQ。若节点监听到下一跳转发节点已转发了Data，就将Data 从RQ中删除，并将Data 加入TQ。

1.2 初始锥角α

初始锥角α 对选择下一跳转发节点有重要影响，须慎重计算。如果所有节点的锥形传输区域等于整个区域，锥角包含1 个节点，则网络的整个锥形体积cV 为

令V 表示整个网络区域的体积，m 表示可选择的节点数。由于所有节点的锥形区域等于整个网络的区域，因此， mV = nVc。据此得出初始锥角α 的计算公式为

1.3 候选转发节点集

假定节点i 为源节点，其需要传输它的数据包为Datai。最初，节点向邻居节点广播Datai，一旦邻居节点 j ∈ Ni收到数据包Datai，邻居节点j 就从Datai的首部提取源节点的位置信息。再计算转发角度

图1 计算转发角示意图

邻居节点j 一旦计算了转发角 jθ ，就将 jθ 与锥角α 进行比较。若 jθ 小于α ，邻居节点j 就可加入候选转发节点集 iψ ，即

1.4 下一跳转发节点

在密集型网络区域内[12]，转发节点集 iψ 内可能有多个节点，若 iψ 存在多个节点，就再从中择优转发节点。

为了更好地选择转发节点，EEAR 路由考虑节点能量和距离信息，从转发节点集 iψ 中产生1 个转发节点，并由此节点转发数据。令 jW 表示节点j 融合了剩余能量和距离信息的权重，其定义为

计算 iψ 内的节点权重值后，再依权重设置定时器。权重值越大，定时时间越短。一旦定时完毕，且未监听到节点转发数据包，就立即转发数据包。令 jT 表示节点j 的定时时间，即

图2 转发数据流程

1.5 路由空洞的处理

在节点稀疏环境，可能会出现 iψ 内没有节点，即 iψ φ= ，这说明源节点i 遭遇路由空洞，在这种情况下，就调整锥角α ，调整的步长为 1α ，即α = α0+ α1， α0为初始锥角，如图3 所示。 每次调整后，判断 iψ 内是否为空。若为空，继续调整。

图3 初始锥角α 的调整

2 实验与结果分析

2.1 仿真实验环境

为了更好地分析EEAR 路由性能，利用面向对象的模块化离散事件仿真工具(objective modular network testbed in C++，OMNET++)软件建立仿真实验平台[13]，OMNET++可以用来仿真任何离散事件系统。图4 显示了OMNET++运行的内部结构，主要由用户接口、模型元件库、仿真模型等组成，其中仿真模型包含一些常用的网络协议、通信模型。

图4 OMNET++运行内部结构

在300 m × 300 m × 300 m区 域 随 机 部 署 100～ 500 个节点和1 个信宿， 其中信宿位于区域中心，8 个源节点位于网络区域的8 个角落。所有节点的初始能量为5 J。引用IEEE 802.11 标准作为介质访问控制(medium access control， MAC)协议。具体的仿真参数如表1 所示。

表1 仿真参数

选择RTGR、AVHR 作为参照，并与EEAR 路由进行性能对比分析，主要分析数据包传递率、剩余能量和流量。每次实验独立重复10 次，取平均值作为最终的实验数据。

2.2 数据包传递率

网络内节点数对数据包传递率的影响，如图5所示。其中数据包传递率等于信宿成功接收的数据包数与源节点总共传输的数据包之比。数据包传递率越高，数据传输效率就越高，性能越好。

图5 数据包传递率

从图5 可知，当节点数为100 时，数据包传递率越低。原因在于：100 个节点无法形成连通网络，网络处于断裂状态，只有极少的数据包能够成功传输至信宿。

随着节点数的增加，数据包传递率快速上升，当节点数增加至300 时，EEAR 路由的数据包传递率达到100%。但是，RTGR 和AVHR 路由的数据包并没有达到100%。这也说明，EEAR 路由的数据包传递率的性能优于RTGR 和AVHR 路由。

2.3 能耗

用节点平均剩余能量率作为表征网络能耗的性能指标，节点平均剩余能量率等于节点的剩余能量与初始能量之比的平均值。节点平均剩余能量率越高，网络寿命越长，而传输数据和接收数据消耗了节点大部分能量。

图6 显示了3 个路由的节点平均剩余能量率。

图6 节点平均剩余能量率

从图6 可知，EEAR 和AVHR 路由消耗了更少的能量，而RTGR 路由能量消耗速度过快，原因在于：RTGR 路由产生了太多冗余数据包，而EEAR路由通过选择最优的下一跳转发节点，减少路由重传次数，降低节点的能耗。

2.4 流量

流量是指在仿真过程中所传输的总的数据包数。因为数据包产生率是固定的(每个源节点每秒产生2 个数据包)，所以网络内所传输的总的数据包数是固定的。流量越大，表明路由开销越大，冗余数据包数越多，路由性能越差。

图7 显示了EEAR、RTGR 和AVHR 路由的流量。

图7 流量随节点数变化情况

从图7 可知，RTGR 路由的流量最高，且随节点数的增加呈线性上升，原因在于：RTGR 路由引用角度广播，增加了数据包的传输次数，而EEAR路由和AVHR 路由的流量随节点数增加而保持缓慢的增加。

3 结束语

本文针对3 维WSNs 的路由问题展开分析，并提出能效角度路由EEAR。EEAR 路由先依据信宿位置计算角度，再根据角度选择一部分节点作为候选转发节点，最后利用节点的剩余能量和距离信息计算节点的权重，并依据节点权重择优选择下一跳转发节点。仿真结果表明，提出的EEAR路由能有效提高数据包传递率，并能控制能耗。