龙 飞
(长春师范大学教育学院，长春 130032)
无线传感网络(WSNs)已在工业、农业，包括军事等领域广泛使用[1-2]。WSNs是由微型、具有通信及感知能力的节点组成，这些节点感知环境数据，再将数据传输至控制中心，进而实现监测环境的目的。
节点由干电池供电，当节点的电量耗尽时，节点就无法完成数据传输等任务，形成死亡节点。死亡节点一旦增多，网络性能必然下降[3]。
业界采用低占空比[4-5]的节能技术缓解WSNs的网络能耗，进而延长网络寿命。在一个周期内，占空比越低，节点工作时间越短，则休眠时间越长。节点在休眠期间的能耗远低于其在工作时间的能耗。因此，通过延长休眠时间可以降低节点能耗。当需要接收或者传输数据时，就唤醒节点。
除了节点能量消耗之外，数据传输率也是WSNs应用必须考虑的因素。任播是兼顾节点能耗和数据传输率的有效路由策略之一。第6版互联网协议(Internet protocol version 6, IPv6)将任播定义为一种新型通信服务[6]，网络负责尽力将数据包传递至任播地址中的一个。
多数学者在构建任播路由时引用信息生成树[7-8]。例如，文献[9]提出基于信息生成树的多跳唤醒转发路由(collection tree protocol-based multi-hop wake-up relay, CTP-WR )。CTP-WR路由利用期望传输次数(expect transmission count, ETX)构建路由指标，再由此路由指标生成路由树，如图1(a)所示。图中显示了以节点A为根节点的树，子节点E和F将信息传输至父节点C。节点C再将信息传输至根节点A。将任播技术应用于数据收集，树状结构就成为目的节点定向的有向非循环图[10], 如图1(b)所示。
图1 数据收集拓扑图
文献[10]提出基于期望占空比唤醒指标的机会路由(opportunistic routing based expected duty cycled wakeups, ORW)，其引用了期望占空比唤醒(expected duty cycled wakeups, EDC)变量作为任播指标。EDC反映了将数据包传输至信宿所需期望的唤醒次数。但是EDC的物理意义并不明确，也没有重点分析传感节点的能耗问题。
为此，面向采用低占空比策略的WSNs，提出基于链路质量的能效任播路由(LQAR)。LQAR路由先利用数据包接收率和距离估计链路质量，再结合能耗和链路质量估算节点成为候选转播节点的权重。仿真结果表明，提出的LQAR路由有效地缓解节点能耗，提高了数据传输效率。
1.1 工作调度
n个节点随机分布在×的方形区域内，汇聚节点位于区域中心，所有节点都采用低占空比工作模式。每个节点独立完成自己的工作调度，调度以周期方式进行。假定节点的周期为L个时隙(时隙是指将时间划分更小的时间间隔[11])，如图2所示，图中L=4, 在每个周期内，节点在第2个时隙进行工作，其他时隙休眠。
图2 节点的工作调度示例
节点有休眠和工作两种状态：当节点在休眠时，它只保留1个用于唤醒自己的定时器，关闭其他所有的模块；
当节点在工作状态时，就保持工作状态，如感知环境数据、侦听信道等。
1.2 节点能耗模型
如图3所示的能量消耗模型[12]。令Et(m,d)表示节点传输mbit数据、且传输距离为d(单位：m)时所消耗的能量, 下标“t”表示传输；
令Er(m)表示接收mbit数据所消耗的能量，下标“r”表示接收，它们的定义分别如式(1)和式(2)所示：
Et(m,d)=mEel+mεd2
(1)
Er(m)=mEel
(2)
图3 能量消耗模型
式中：Eel表示发送电路的能耗；
ε表示功放电路的能耗参数。
在网络建立的初始阶段，节点周期的广播Hello包包含了节点的编号(ID)、位置以及剩余能量。通过Hello包的交互，节点获取邻居节点的位置以及剩余能量信息。
2.1 链路质量估计
采用数据包接收率和距离两项信息估算链路质量。首先，利用式(3)计算数据包接收率：
(3)
式中：Ni表示节点i的一跳邻居节点，下标“i”表示节点i；
Pi,j表示节点i从其邻居节点j所接收数据包成功率，下标“i,j”表示节点i，节点j；
pk,j为布尔变量。若pk,j=1，则表明节点i第k次成功地从节点j接收了数据包；
反之，若pk,j=0，则表明节点i在第k次未能成功地从节点j接收数据包。
再依据Pi,j取值，将链路质量划分成3个等级：1) 优质区：Pi,j>0.9；
2) 合格区：0.1≤Pi,j≤0.9；
3) 劣质区：Pi,j<0.1。
最后，依据式(4)估计节点i与节点j间所形成的链路质量Qi,j：
(4)
2.2 路由指标
若源节点i需要传输数据，首先需构建任播节点集。令Fi表示源节点i的任播节点集，其属于一跳邻居集的子集，即Fi⊆Ni。
结合能耗率和链路质量，计算节点被选入候选任播节点集的权重：
(5)
式中：Wi,j表示节点j∈Ni的权重因子。从式(5)可知，权重因子越大，就意味着节点的能耗小，数据包传递率高。因此，择优选择权重因子大的节点加入候选任播节点集。
(6)
(7)
(8)
2.3 数据传输
(9)
从式(9)可知，集Fi内节点数越多，监听时间越短。原因在于：节点数越多，Fi内出现唤醒状态的节点概率越高，这就无需设置更长的监听时间。
收到请求包后，节点回复确认包。一旦收到确认包，节点开始传输数据。图4给出数据传输示例，其中“Q”表示请求包，“P”表示确认包，“D”表示数据。节点i的任播节点集内有两个节点，即Fi={j1,j2}。源节点i先向Fi内节点广播请求包，然后进入监听。假定节点j1收到请求包，并向节点i回复确认包。最后，节点i向节点j1发送数据。
图4 数据传输示例
3.1 仿真环境
利用MATLAB R2014b建立仿真平台。在100 m×100 m区域内随机分布400个节点。汇聚节点位于区域中心，且汇聚节点坐标为(50 m,50 m)。具体的仿真参数如表1所示。每个实验独立重复20次，取平均值作为最终的实验数据。
表1 仿真参数
选择CTP-WR和ORW路由作为参照，并对比分析它们的能耗、传输数据的端到端时延以及数据包传递率。
3.2 数据分析
3.2.1 节点数对性能的影响
图5给出了平均能耗随节点数的变化曲线，其中TW=2 s，节点数在25至400之间变化。从图5可知，ORW中平均能耗随节点数的增加而上升。而LQAR路由和CTP-WR路由的平均能耗随节点数的增加而下降。原因在于：对于单播策略的ORW，节点数越多，数据包传输的碰撞率越高。而对于采用任播策略路由而言，节点数越多，转发节点数也越多，节点间的能耗也越平衡。相比于CTP-WR路由，LQAR路由降低了能耗。例如，当节点数N=400, LQAR路由的能耗比CTP-WR路由降低了25%。
图5 平均能耗随节点数变化情况
图6描述了LQAR路由的平均端到端传输时延随节点数的变化情况。从图6可知，LQAR路由降低端到端传输时延，远低于CTP-WR和ORW路由的进延。这归功于：LQAR路由保持稳定路由。它通过能耗和数据包接收率构建转发节点集，降低路由断裂的概率，提高了路由稳定性，进而缩短了数据传输时延。
图6 平均端到端时延随节点数变化情况
图7描述了数据包传递率随节点数的变化情况。从图可知，相比于CTP-WR和ORW路由，LQAR路由具有最高数据包传递率。在节点数变化期间，它的数据包传递率保持近100%。而CTP-WR和ORW路由的数据包传递率随节点数增加有下降趋势。原因在于：LQAR路由选择稳定的路由传输数据包，提升了数据传递成功率。
图7 数据包传递率随节点数变化情况
3.2.2 唤醒间隔对路由性能的影响
本节分析唤醒间隔TW路由性能的影响。实验参数：节点数100，1/λ=30 s。TW取0.25,0.5,1.0,2.0,4.0，如图8～图10所示。
图8 平均能耗随唤醒间隔变化情况
图9 平均端到端时延随唤醒间隔变化情况
图10 数据包传递率随唤醒间隔变化情况
从图8可知，协议在TW=2 s时的能耗最低。而相比于ORW路由，LQAR路由的平均能耗降低了约20%。在TW>2 s期间，LQAR路由的能耗随唤醒间隔的增长变化速度减缓。此外，回顾图7，CTP-WR和LQAR路由的数据包传递率随节点数的变化趋势相近，原因在于：CTP-WR和LQAR路由的构建机制相同，只是它们选择的路由指标不同。因此，它们的平均能耗随唤醒间隔的变化曲线相近，但是LQAR路由的平均能耗仍低于CTP-WR的能耗。
图9描述了平均端到端时延随唤醒间隔的变化曲线。由图可知，平均端到端时延随唤醒间隔的增加而增加。唤醒间隔越大，节点等待时间越长，增加了传输数据包的时延。相比于CTP-WR路由，LQAR路由的传输时延得到有效控制，原因在于：LQAR路由的数据传输链路稳定，避免重传数据包，缩短数据包的传输时延。
图10描述了数据包传递率随唤醒间隔的变化曲线。在唤醒间隔变化期间，3个路由(LQAR，CTP-WR和ORW)的数据包传递率保持稳定。相比于CTP-WR和ORW路由，LQAR路由的数据包传递率略有上升。
针对低占空比的WSNs，提出基于链路质量的能效任播路由。LQAR路由采用任播路由策略，提高数据传输效率。LQAR路由利用节点能耗速率和链路质量构建任播节点集，再从任播节点集中选择最优节点传输数据包，进而降低节点能耗。仿真数据表明，提出的LQAR路由降低了能耗速率，提升了数据包传递率。
唤醒间隔对数据传输时延和能耗有重要影响，并且数据传输时延和能耗随唤醒间隔的变化走势相反。文中采用固定的唤醒间隔，没有动态设置唤醒间隔，后期将研究如何依据网络拓扑信息，动态地设置唤醒间隔，进一步优化LQAR路由。
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