一种能量感知型无线传感器网络跨层式通信协议

该数据包共有16个字节，各字段含义如下：

NOP：与HELLO消息的相应字段相同；
    TRID：产生并发送该消息的节点ID；
    COUNTERSIGN：消息内容；
    REIDL：该字段包含了需接收该消息的全部节点ID；
    SP：与HELL0消息的相应字段相同。

(3)转发HELLO消息，其过程为：

①修改转发次数字段，给其值加1；
    ②将转发节点ID、"热度"、剩余能量替换为自己的相应值；
    ③发送HELLO消息。

(4)接收确认消息，修改其后向邻居表。

2．4 建立通信链路

当某个节点需要发送数据时，它在自己的前向邻居中选择一个节点作为接收点，其选择步骤如下：

(1)根据前向邻居表内各个邻居的"热度"，避开比较热的节点；
    (2)启用功率管理算法计算最佳传输距离范围；
    (3)在最佳传输距离范围内选择剩余能量最大的节点作为它的下一跳。

2．5 数据传输

传感器节点产生的数据包格式如图4所示，数据包中各字段含义如下：

NOP：与HELL0消息相同；
    REID：接收该数据包的节点ID；
    NOT：表示该数据包被发送的次数；源节点发送时该字段值为1；
    TRID：发送该数据包的节点ID；
    DATE：数据包的内容；
    SP：补充数据包的空余，该字段值为0。

图4数据帧格式数据包转发过程如下：

(1)当某个节点接收到该数据包时，检测接收节点ID是否与自己ID一致，若不一致丢弃该包，再检测发送节点ID是否在自己的后向邻居列表中，若发送节点ID不在自己后向邻居列表中，则丢弃该包。否则接收该包并缓存。

(2)数据包被缓存后，该节点将该数据包的接收节点ID字段替换为它的下一跳ID，将发送节点ID字段修改为自己的ID，然后将数据包发送出去。

3 仿真分析

利用OPNET仿真平台对设计的通信协议进行了仿真，在200×100的区域中，共随机布设了120个节点，仿真环节的各项参数设置如表1所示。

3．1 ECLC的能耗特性分析

图5表示了AODV，DSRE，SPEED，GPSR，SPIN(MAC层采用802．11协议)，ECLC六种协议在传输相同数据量的条件下的能耗特性，可以看出：与其他几种协议相比，未使用跨层交互机制时几种协议能耗特性相差较小，原因是几种协议的MAC层访问机制相同；而在开启跨层优化功能后，ECLC可以很好地避免冲突与网络拥挤，因而减少了能量浪费。图5是未开启跨层优化时各种协议的能耗比较；图6是开启跨层优化后各种协议的能耗比较。

3．2 ECLC网络生存时间的影响

在仿真路由协议对网络生存时间的影响时，选择节点死亡数目超过1／3的时刻作为WSN的失效时刻，即在仿真时，当死亡节点数量达到40时，表示WSN死亡。图7表示了多次仿真取算术平均值的网络生存时间比较图。从图中可以看出，ECLC可以最大限度地延长网络生存周期，这是因为ECLC协议更好地控制了所有节点能量消耗的平稳性，因而不会导致部分区域过早出现热点而引发连锁效应。

4 结 语

本文通过采用跨层机制来交换层间能耗信息，设计了一种简单可靠的能量感知型无线传感器网络通信协议ECL，并给出了实现过程。在理论分析的基础上，用OPNET仿真平台对所设计的协议进行了仿真分析，结果表明：ECLC通信协议对节点数量特别巨大的传感器网络的能耗特性有很好的改善作用，可以显著改善整个WSN网络能耗的均衡性，从而延长了网络的生存时间。由于无线传感器网络协议有很强的应用相关性，后续工作将包括：进一步优化ECLC协议细节，增强其各种性能，尤其是增强可移植性，使其成为一种开放式WSN通信协议。