摘 要：結合無線傳感器網絡面向應用的實際需求，提出一種新穎的能量感知型無線傳感器網絡跨層協議ECLC，并給出了實現過程和仿真結果。基于重點關注熱點能耗的策略，綜合WSN在能量高效、可擴展性、服務質量等方面的不同要求，設計了簡單可靠、易于實現的跨層式WSN網絡協議。仿真結果表明：ECLC協議在傳感器網絡系統層面較好地改善能量消耗的有效性和均衡性，因而避免了網絡中熱點的過早出現，延長了整個網絡的生存期。
關鍵詞：無線傳感器網絡；跨層協議；能量高效；熱點

0 引 言
無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks，WSN)是一種特殊的無線自組織通信網絡。其區別于傳統無線自組織網絡的特點包括：節點數量特別巨大、節點硬件功能簡單、應用場境復雜、各種資源受限等。能量資源受限是WSN主要的瓶頸之一。
能量感知型WSN協議重點強調高效利用能量的重要性，其設計思想主要是在WSN各層協議中引入能量優化算法，通過控制整個網絡的能耗平穩性和高效性，從而達到在系統層面上改善傳感器網絡能耗特性、減少傳感器網絡的熱點并延長整個網絡的生存周期的目的。為了解決能耗問題，研究者提出了眾多的解決途徑，文獻[2]提出的SPEED協議采用基于位置的思想，提供擁塞控制和軟實時保障，從而降低通信沖突；文獻[3]提出的SPIN協議則是利用基于數據的思想，通過引入抽象的元數據概念避免資源的盲目利用；Shah RC等人則直接設計了基于能量優化的路由協議。然而后續研究表明，在網絡某一層單獨引入能量優化策略的效果并不明顯，并且可能會惡化其他層的能耗特性?？鐚觾灮枷肜镁W絡各層信息的有機交互，可以避免各層獨立優化時引起的層間干擾。
本文基于這一思想，設計了一種簡單可靠的跨層式通信協議ECLC(Cross-Layer Communication Proto-c0l)，仿真結果表明：ECLC協議在保障網絡流量和網絡效率的前提下，可以較好地改善網絡的能耗特性，延長網絡的生存時間。

1 ECLE協議的設計目標
ECLC協議首要目標是改善整個網絡的能耗特性；利用路由層與MAC層之間交互各自的能量信息，因此設計目標完全以實際應用的需求和可實現性為出發點。
1．1 能耗特性
網絡整體能耗效率：整個網絡的生存周期內，網絡總能量(全部節點的初始能量之和)與整個網絡采集到的數據量之比值。可表示為：

其中：ein-WSN表示整個WSN的初始能量；Dwsn為WSN在整個生存期內探測到的數據;ein-i為節點i的初始能量；Di為節點i在其生存期內探測到的全部數據；n為該WSN節點的個數。該指標衡量了WSN路由協議的整體能量效率。
網絡能耗平穩度：在任意時刻，整個網絡中所有節點剩余能量的均方誤差?？杀硎緸椋?/p>

其中：隨機變量erem表示WSN節點的剩余能量。剩余能量均方誤差衡量了整個網絡能耗的平穩性，通過控制剩余能量均方誤差，可防止部分節點過早耗盡能量。
網絡生存時間：從網絡開始工作到有一定數量的節點死亡。該指標主要從時間角度考察了路由協議的整體性能；在WSN的實際應用過程中，網絡生存時間是很關鍵的指標之一。
1．2 可擴展性與容錯能力
由于WSN的應用環境復雜多變，節點失效、節點位置變化、新節點的加入都會引起網絡拓撲結構的變化，這就要求網絡協議具有很強的擴展性。另外由于節點死亡或無線鏈路本身的缺點會造成通信失敗等故障，因而又對協議的容錯能力有較高要求。
1．3 快速收斂性
WSN的能量和通信帶寬等資源十分有限，因此要求協議能夠快速收斂，以適應網絡拓撲的動態變化，減少通信協議開銷，提高信息傳輸效率。
1．4 服務質量(QoS)
WSN協議的QoS主要包括傳輸時延、數據精度、帶寬利用率等指標。一旦考慮了服務質量，那么必然要在QoS和能耗特性之間選擇平衡。

2 ECLC協議的描述
2．1 基本定義
為了后面描述的方便，先給出以下基本定義：鄰居(Vicinage)：與節點A可以直接通信的節點稱為節點A的鄰居。節點A的所有鄰居構成它的鄰域，記為VA。