无线多媒体传感器网络中基于高QoS和能量效率的路由算法分析

埃及信息学杂志23（2022）225全文基于高QoS和能量效率的无线多媒体传感器网络Wael Ali HusseinJ.，Borhanuddin M Ali，MFA RasidJ.，Fazirulhisyam Hashim计算机和通信系统工程系，无线和光子学研究中心（WiPNET）;工程学院，马来西亚普特拉大学，43400 UPM Serdang，马来西亚阿提奇莱因福奥文章历史记录：收到2021年2021年12月1日接受2022年1月5日上线保留字：无线多媒体传感器网络网络寿命A B S T R A C T近年来，多媒体应用已经开始在无线传感器网络（WSN）上使用，迄今为止，无线传感器网络主要用于承载少量数据。为了满足多媒体内容对更高吞吐量和实时性的要求，需要对路由协议进行简化和优化。在本文中，我们提出了一种路由算法，提供了一个低的端到端的数据包延迟和低丢包，称为智能，贪婪转发算法的基础上的吞吐量和能量感知（SGFTEM）。该算法通过选择高吞吐量的路径而不是总是选择最短的路径来路由多媒体数据包。当遇到网络空洞时，采用网络空洞旁路，提高了网络的可靠性。仿真结果表明，与其他算法相比，SGFTEM算法在保持能量消耗不变的情况下，端到端时延降低了40%，丢包率降低了35%.通过能量管理，使传感器节点的剩余能量在整个网络中均匀分布，从而实现负载均衡。SGFTEM的性能也通过仿真与AGEM，TPGF，GPSR，AODV进行了比较，在类似的情况下，即低分组端到端延迟，低分组丢失和路由路径的负载均衡，表现出优越的性能。©2022 The Bottoms.出版社：Elsevier B.V.代表计算机与信息学院开罗大学。 这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http：//creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍众所周知，无线传感器网络（WSN）在监测、监视和对象跟踪领域做出了许多贡献，但它们通常限于简单的监测和感测应用，例如温度、压力、湿度以及偶尔的对象的存在和位置[1，2]。对于这些类型的应用，比特率通常为每秒数百比特的量级，因此WSN传统上被设计为处理这些范围的数据速率。然而，近年来，人们对诸如音频和视频流、静止图像*通讯作者。开罗大学计算机和信息系负责同行审查。制作和主办：Elsevier以及其他内容丰富的多媒体可以在无线传感器网络上处理这要求对传统的WSN规范进行大幅调整，迄今为止，这些规范的特征是低带宽和低功耗网络，以便网络能够处理媒体丰富内容的更高带宽和实时要求[3WMSN是塑造物联网（IoT）研究的技术之一[6]。需要增强以面对新挑战的一个方面是路由协议;它必须提供多媒体内容的服务质量（QoS）要求，并且具有最佳能耗[7]。与传统的无线传感器网络一样，无线多传感器网络由传感器节点和位于网络边缘的一个或几个接收器组成，可以在室内或室外环境中一些示例用例包括建筑物监控、工厂管理、牲畜或野生动物监控和对象跟踪[8]。WMSN需要自配置;因此，它包括用于配置路由路径、能量管理、感测事件等的用户界面。WMSN需要高度可靠，支持高数据速率、低功耗计算能力，并且传感器节点是便携式的;这些在提高可靠性和最小化能量https://doi.org/10.1016/j.eij.2021.12.0051110-8665/©2022 THE COURORS. Elsevier B.V.代表开罗大学计算机和信息学院出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表埃及信息学杂志杂志主页：www.sciencedirect.comWael Ali Hussein，Borhanuddin M Ali，MF. Rasid等人埃及信息学杂志23（2022）225226在保证QoS和延长传感器寿命之间。WMSN参数之间的权衡的优化是很难实现的硬件组件，但是，能量消耗和QoS之间的优化是可能的路由协议。传感器节点的能量消耗主要发生在无线电收发器，并在较小程度上，在数据计算和处理部分，分别。在网络路由中，QoS是一个重要的度量，它表示网络在传输延迟、分组丢失、在汇聚节点的分组传递等方面的性能[9]。在过去的几年里，已经对WMSN进行了许多调查，解决了该技术的不同方面;[10]中的传感器节点架构和组件调查，而路由协议，技术及其挑战的评论可以在[11在本文中，我们提出了SGFTEM，这是一个基于位置的路由协议，提供高QoS与良好的能源性能相比，对许多其他同类的WSN协议。本文的组织如下：在第2节中，我们回顾了相关的工作，特别是那些基于地理信息的无线传感器网络路由协议，其次是我们提出的SGFTEM协议在第3节的详细说明。模拟结果和讨论在第4节中给出，最后在第6中得出结论。2. 相关作品如上所述，WMSN路由协议在传输多媒体数据包时更关注QoS支持，以满足端到端延迟界限、数据包交付和保持能量效率[14，15]。路由协议可以根据图1所示的映射进行分类。对于空洞绕过地理路由协议，无线传感器网络中已经采用了称为无线网络贪婪边界无状态路由 （ GPSR ） 的 协 议 ， 该 协 议 本 身 来 自 移 动 自 组 织 网 络（MANET）。基于转发节点的地理位置，该协议仅使用来自网络中路由器的直接邻居的信息来GPSR基于地理位置路由工作，描述如下：1. GPSR中的每个节点都知道自己的位置和各自的直接单跳邻居节点2. GPSR包括每个分组中的目的地节点的地理位置;3. 传感器节点利用贪婪转发技术将数据包发送到距离目的节点较近的邻居节点4. 如果数据包遇到能量空穴，并且传感器节点不能将数据包直接发送到更近的节点，到目的地使用贪婪转发，则GPSR将使用周界转发;5. 周界转发将数据包绕着洞路由，直到它到达离目的地最近的节点;6. 在周边转发之后，贪婪转发再次接管路由。GPSR使用一种简单的方法将数据从源路由到宿，但GPSR将有洞的问题，无论是静态还是动态。当GPSR使用周界搜索并且无法找到有效的邻居节点时，它将中止搜索，因此将无法完成路由。然而，GPSR由于采用最短路径路由算法而持续使用相同的路由路径，直到节点然后，GPSR将找到另一条可能更长的路径，直到路由最终再次耗尽。由于这个缺点，GPSR不能最大化网络的生命周期。按需距离矢量路由协议（AODV）[17]使用两种技术来执行路由：发现路由路径和路径维护。它使用三种类型的控制信号：路由请求（RREQ）、路由应答（RREP）和路由错误（RERR）。当源节点开始向目的地节点发送数据时，工作的通过转发路由的过程，中间节点在其路由表中记录从第一个节点到第二个节点的邻居的地址。Fig. 1. 无线多媒体传感器网络（WMSN）路由协议分类[18Wael Ali Hussein，Borhanuddin M Ali，MF. Rasid等人埃及信息学杂志23（2022）225227¼图二、网络层的信标消息结构复制广播数据包并建立反向路径。源节点将忽略稍后接收到的任何RTP分组RREP分组使用反向路径被路由回，并且该路径中的节点在它们的路由表中设置前向路由入口，这在接收到RREP之后开始。当连接链路失效时，AODV中的路由维护RERR从到相应路由源节点的连接链路失败的时刻开始;源节点将被通知连接失败，并且将针对该失败发起RERR过程AODV协议采用路由-请求-路由-应答和路由维护的方法，实现了高可靠性，然而，AODV方法招致高延迟，并且对于困难的延迟敏感的应用不是有益的。两阶段贪婪转发（TPGF）已在[26，30]中提出。该协议的第一步是通过将数据包发送到距离目的地较短的下一跳节点来探索路径在转发器节点没有下一跳节点的情况下，它将数据发送回发送器节点并阻止转发器节点。转发节点搜索另一个转发器节点，并选择它到达目的地。在优化的第二阶段，目的节点通过相同的路由路径向源节点返回标记有节点号和路径号的数据包TPGF解决了贪婪边界无状态路由的无线网络路由协议（GPSR）问题，以避免失败，如果它不能找到下一跳节点的转发模式。TPGF的缺点是如果同一条路径上的节点处于阻塞状态，则会发生闭环数据转发，丢失路由路径的可能性很大。对于静态传感器网络，在[24]中提出了另一种称为自适应贪婪罗盘能量感知多路径（AGEM）方法的协议。AGEM是基于贪婪的地理路由结合基于角度的贪婪转发的下一跳节点选择。它旨在延长网络的生命周期，减少网络中的队列大小。AGEM有两种工作模式：首先，它使用智能贪婪转发，其中，如果存在另一个邻居节点比for-warder节点更靠近目的地节点，则分组将被转发到那里。另一种模式被称为后退转发，其中当没有邻居节点比其转发器节点更靠近目的地时，角空间内的任何邻居节点都可以被称为后退转发或初始转发。可以选择节点A0A 0B最小邻居节点集必须为当n是邻居节点的数目时，如果n是2，则找到，并且执行负载均衡。如果n≥1，则无法实现负载均衡。如果没有找到节点，则将aaaa增加Da，直到达到a180a。如果下一个转发节点仍然无法如果基于AGEM要求发现了错误，则认为转发路径中出现了漏洞，因此进入回退模式。转发器节点将通知其邻居它将不再被用于将分组转发到接收器。其邻近节点中的一个随后将负责绕过洞。AGEM算法满足无线传感器网络的传输约束，最大限度地延长了网络生存时间，适合于无线传感器网络中多媒体业务的传输。使用洞旁路技术以及最大化网络寿命导致进一步的能量消耗，因为当传感器节点能量较低时，转发路径将改变为另一条路径，使得路由路径更长。在这种情况下，更多的节点被使用，并招致额外的延迟在关键的实时应用中，在这种情况下，可靠性比节能更重要;因此，节能在这种情况下变得无关紧要此外，为了避免漏洞而进行的反向转发会导致进一步的延迟。在使用无线多媒体传感器网络[29]的基于多代理的农业上下文感知信息收集中，使用了分层结构。网络被划分为簇，每个簇选择其各自的簇头。传感器节点在地理上分布并收集数据，例如：检测受疾病影响的植物，识别不需要的植物的生长，定期检查土壤的肥力，并在传感器节点传输时检测田间的火灾。然后基于预定值将收集的数据分类为各种类别。如果数据位于特定范围之外，则节点将变得活跃并将数据传输到簇头，簇头随后将发送到汇聚节点。在传感器节点中，有两种代理：传感器节点代理和汇聚节点代理。一个可能的用例是在植物状况的远程检测; SGFTEM提取基于内容的图像检索（CBIR）方法的植物数据，其中植物的健康状态从图像中提取并存储在传感器节点知识库中。该协议是事件驱动的，数据根据其分类发送到汇聚节点。例如，检测到火灾的数据必须无延迟地到达汇聚节点，而与患病植物相关的数据可以容忍一些延迟。传感器节点必须支持CBIR和高分辨率摄像机进行图像检测，这需要高处理能力。表1对相关协议进行了总结和分类。3. 该协议在本节中，我们简要介绍了SGFTEM，它包括路由算法和能量管理系统。3.1. 基于吞吐量、能量感知和多路径路由算法的智能贪婪转发（SGFTEM）我们的SGFTEM路由协议的基本思想来自于[31，16，32]的工作和图1所示的先前WSN工作中提出的工作。它考虑了各种QoS参数，如端到端延迟，丢包和能量平衡。其基本思想是在整个网络中最常用的传感器节点上进行数据包路由的负载均衡，减少数据包的排队。由纯贪婪转发协议引起的两个主要问题出现;即，通过通常是最短路径的相同路径的分组的持续路由，以及其次是避免漏洞和找到可能复杂的替代路由的过程使用相同的路径会导致所涉及的节点的能量耗尽，并且它们会过早死亡，从而在网络中产生漏洞本文提出的算法的目标是避免使用复杂的路由过程，以最小化端到端的数据包转发延迟和能量消耗。在SGFTEM中，承载视频流或图像的分组经由多个路径转发，以增强其可靠性并执行负载均衡。在每个转发节点处，节点决定如何将分组转发到其邻居节点，同时考虑节点的吞吐量和到目的地的 在建立连接时，转发节点在网络层使用信标来交换关于邻居节点的信息，包括IP地址（Id）、吞吐量、剩余能量和节点位置，如图1所示。二、总之，SGFTEM是一种基于地理位置的路由协议，其中节点知道它们各自的地理坐标和它们各自的邻居，并且其中所有的地理信息被集成，并且关于附近邻居的信息被集成Wael Ali Hussein，Borhanuddin M Ali，MF. Rasid等人埃及信息学杂志23（2022）225228ðÞ表1路由协议分类路由协议平坦分层多径延迟能效事件查询无优先级静态优先级区分优先级绕孔位置感知AMPMCR[21]UUUUUUUU[22]第二十二话UUUUUUUU[23]第二十三话UUUU[24]UUUUUUUU[25]第二十五话UUUUUUGSR[16]UU[26]第二十六话UUUUUUUMPMP[27]UUUUUUUDGR[28]UUUUAODV[17]UUUUMCAIG[29]UUUUUUBORS被更新，从而导致成功的分组转发。SGFTEM中考虑了以下因素1. 转发节点与目的地之间的距离2. 转发节点及其相应邻居的吞吐量;3. 每个节点的剩余能级4. 数据包经历的跳数;5. 邻居和目的地之间的距离;6. 移动情况下传感器节点的速度。SGFTEM路由算法的工作原理如下：它使用初始吞吐量来选择然后计算新的吞吐量，并将初始值替换为新值。该吞吐量信息使用信标消息与邻居节点共享。在很短的时间内，路由技术转变为基于吞吐量的路由技术，并在所有的传感器节点中使用首先，转发节点检查其邻居到目的地的距离是否关于节点的地址、到目的地的距离和吞吐量的信息都存储在传感器节点中，并且该过程与所有邻居节点一起继续。最后，具有最高吞吐量且比转发节点到目的地的距离更短的节点将被选择为下一跳节点。信标消息保持传感器节点因此，转发节点现在可以为分组的下一跳决定局部最优的贪婪选择在某些情况下，转发节点可能无法找到下一跳节点，这意味着路由路径上出现了一个或多个空洞。通常，空洞主要由两种问题引起;第一种是静态空洞，通常是由于节点位于建筑物或山丘等大型物体后面时产生的阴影，这些阴影不会动态变化;另一种是动态空洞，主要是由于传感器节点因能量耗尽而关闭如果区域内存在工作节点，SGFTEM可以处理空洞，并且能够建立新的路由路径。当转发节点在贪婪转发模式中由于空洞而无法找到下一图3显示了情况图三.周边转移这在图4中示出，分组返回到先前的发送方，节点关闭NM 2，并且分组随后使用周边转发模式被转发3.1.1. 吞吐量计算在SGFTEM中，吞吐量初始化为0，然后节点开始使用以下关系计算后续吞吐量：td¼Simt-Stt 1输入/输出N位=td 2其中td是传输的持续时间，Simt是模拟时间，Stt是启动时间，N比特是比特数。在算法1中，所有所需的信息吞吐量（节点吞吐量）、地址（节点地址）和模拟时间（Sim时间）被嵌入到信标分组中并被转发到邻居节点。节点的坐标和模拟时间表示地址。目的地地址在网络中的每个节点都是已知的。节点的地理位置可以从任何全球定位系统（GPS）服务获得。算法1：发送信标分组功能转发节点（NF）在其路由路径中遇到空洞并且因此它基于节点的条件将分组使用周界转发到N×1或N×1。通过NOff的NF和ND之间的距离比通过N x1和N x2的NF到ND的距离短。N关闭？NDtoPr<&visSndrAdd3：节点状态←关闭状态4：调用算法1因此，SGFTEM 路由算法预计优于GPSR[16]和AGEM[31 ，33]，因为它使用简单的当数据包遇到漏洞时，SGFTEM使用边界技术绕过它们，然后继续使用基于吞吐量的正常过程这延长了传感器节点的电池寿命。能量管理包括睡眠和唤醒模式以及路由负载平衡。能源管理战略如下，1. 唤醒和睡眠模式(a) 节点在电池电量低时进入睡眠模式：当电池电量降低到总容量的20%时，SGFTEM将关闭任何节点，当电量增加到35%时，将其重新打开。这样做是为了使节点始终保持活动状态，而不会发生任何突然关闭事件。图五. SGFTEM中的虚拟网格R6Wael Ali Hussein，Borhanuddin M Ali，MF. Rasid等人埃及信息学杂志23（2022）225230××(b) 根据流量情况关闭节点：任何吞吐量小于总计算吞吐量5%的节点将在特定时间内进入睡眠状态在这种情况下，当节点没有可用带宽时关闭节点将节省节点的能量，并且将允许路由协议找到另一个邻居节点作为转发器。2. 适当的信标间隔时间：选择一个信标间隔时间是重要的，以避免传感器节点断开。长间隔将导致使用关于转发节点的不正确或旧的信息，这可能导致转发分组的失败另一方面，短信标间隔将消耗整个网络上的大带宽，导致增加的分组冲突和随后的重传，这消耗更多的能量。短的间隔时间还意味着必须发送更多的信标，从而导致消耗更多的能量。挑战在于找到最佳信标间隔时间，从而提供最佳QoS。3. 基于数据包的路由：这将保持在低负载的节点上传输数据包，从而延长网络寿命。4. 模拟结果和讨论在本节中，我们将在许多场景下对SGFTEM进行模拟，以展示我们贡献的性能。首先，我们进行了广泛的模拟，以观察延迟，丢包和能效性能。对35、55、75个节点的不同网络密度进行了仿真。其次，我们研究了SGFTEM在有空洞的网络拓扑中的性能第三，研究了网络覆盖扩展和节点生存期扩展.并与相关文献进行了仿真比较。根据模拟结果，本节的结构可总结如下：针对高QoS路由协议，对基于选择吞吐量更高、距离更短的路由路径的智能贪婪转发进行了评价、分析和讨论;SGFTEM的覆盖范围扩展、负载均衡和能效技术为了模拟和评估SGFTEM的性能，使用了Omnet++2.99.1框架。同构网络用于从源向宿发送多媒体数据包进行了三种类型的模拟1. 具有静态节点的网络，2. 具有两个空隙的静态节点的网络，3. SGFTEM与能源管理。本节介绍SGFTEM路由算法在指定QoS方面的性能。从节点数量、节点速度和能量管理等方面对路由算法进行了研究。本节中的模拟测量三个主要性能参数：端到端延迟（E2ED），丢包率（PLR）和传感器节点的剩余能量。使用表2中列出的参数在具有静态节点的网络中进行SGFTEM的模拟。设计参数是节点的数量，而网络的大小被设置为1500米500米，这被认为是一个典型的无线电范围内的传感器节点在该领域。流量速率被设置为5个包/秒，每个包512字节，以使其与真实网络相当[38]。.在相同的覆盖区域下，对SGFTEM算法在35个节点、55个节点和75个节点三种网络密度场景下进行仿真，研究网络密度对算法性能的影响。然后将SGFTEM的性能与AGEM[31]、TPGF[26]、AODV[17]和GPSR[16]路由协议进行比较，所有这些协议都在第2节中进行了描述。同构网络用于在一个区域内以20kbps的数据速率发送多媒体分组1500米500 m，在覆盖区域的边缘处具有一个源节点和一个汇点。图6（a）和图6（b）示出了多径传输场景，图6（a）和图6（b）示出了所有传感器节点都在工作的普通拓扑，而图6（b）示出了包含两个孔的相同网络。OMNET++ 5和Inet v3框架[39]用于模拟该算法。4.1. 端到端延迟（E2ED）网络拓扑结构是用来检查SGFTEM的性能，在这两种情况下，不同数量的传感器节点。SGFTEM在具有35个节点的普通网络拓扑上的仿真结果如图7所示，并与AGEM、TPGF、AODV和GPSR进行了比较。在由55个节点组成的第二种场景在第三种情况下，即，在75个节点的情况下，GPSR显示出最高的端到端延迟，其次是AGEM、AODV和SGFTEM。这一意见可归纳如下：1. SGFTEM是检查的协议中最快的;即，它具有最小的端到端延迟。2. GPSR、TPGF和AGEM的端到端时延随网络密度的增加而增加。3. 随着网络密度的增加，AODV协议的端到端时延显著减小。4. 在平面网络拓扑下，AGEM协议的端到端时延性能优于TPGF、AODV和GPSR协议。如前所述，SGFTEM将分组转发到具有更高吞吐量并且比转发节点更接近目的地的邻居节点;即使节点具有关于其相应邻居的信息并且存储目的地的地理位置，它们也不具有关于网络状态的任何全局信息。具有高吞吐量（较高可用带宽）的节点通过减少分组排队和冲突而招致较小的E2ED、分组丢失和降低的能量消耗。SGFTEM示出比TPGF和AGEM更低的E2ED，因为TPGF和AGEM遵循最短路径，其中最短路径路由可以包括具有低吞吐量的节点，这意味着高分组排队，导致高的端到端延迟和增加的分组丢失。同时，AGEM上传感器节点数量的增加会导致端到端延迟和数据包丢失，这是由于缺乏全局表2静态和移动传感器节点的WMSN仿真参数参数值网络尺寸1500× 500米汇聚节点数源节点数传感器数量35，55，75数据包大小512B数据包速率5包/秒运行时间500s最大无线电距离200米发射功率2mW充电功率3.6 W/h（8 h）电池容量59500 J●●Wael Ali Hussein，Borhanuddin M Ali，MF. Rasid等人埃及信息学杂志23（2022）225231图第六章无线多媒体传感器网络（WMSN）的仿真拓扑结构：a）普通拓扑结构，b）带孔洞的普通拓扑结构见图7。 静态节点场景（普通拓扑）中的平均端到端延迟。传感器节点上的信息;因此，随着传感器数量的增加，数据包冲突增加，导致端到端延迟和数据包丢失增加由于AODV协议采用的路由请求和路由应答机制，AODV在低密度网络中表现出高延迟[40]。另一方面，SGFTEM仅示出对于图1所示的具有孔洞的普通网络拓扑， 6（b），模拟结果如图所示。 八... 在35个节点的sce- nario，AODV显示最高（最差）的端到端延迟; TPGF其次; AGEM和GPSR分别是第三和第四，和SGFTEM实现最低的延迟。在55节点场景中在75个节点的情况下，AGEM显示出最高的延迟相比，与AODV第二高其次是GPSR，而AGEM和SGFTEM表现出最好的性能。从这些结果中，可以观察到以下情况：1. SGFTEM实现了最小（最佳）端到端延迟;2. AODV3. 地理路由协议的性能随着网络密度的增加而降低。为了理解有洞网络的仿真结果，SGFTEM被稍微修改，以便它可以找到与GPSR和AGEM相同的机制的路径，并保持低流量负载的后续节点，这解释了它的低E2ED延迟。在周边模式路由中，AGEM在30°角附近搜索下一个节点，而GPSR在180°以上搜索，这解释了为什么AGEM可以减少可能的下一个节点的数量。如果该方法在第一次搜索中找不到下一个节点，则搜索的角度将增加到60°。节点再次搜索下一个节点，如果找不到，它会进一步增加搜索角度，以此类推。尽管这会增加路径搜索时间，从而增加E2ED，但反过来它会增加AGEM的可靠性，如其低分组丢失所证明的那样。如果AGEM无法找到正确的节点，它将后退一步，取消当前转发节点并搜索其他可能的节点。然而，这将倾向于增加E2ED，并且在高分组流中，这将导致增加的分组丢失。另一方面，如第2节所述，AODV基于路由请求和路由应答协议以及路由维护工作。如果路线上有中断，它将通过进入路线维护模式来修复路径。在这种模式下，全局消息发送到每个传感器节点，网络发现一条新的路径并修复中断，两个主要问题：首先，用路由消息对整个网络进行洪泛会消耗部分可用带宽，并增加分组冲突，这随后导致更高的延迟和更低的可靠性;其次，通过在网络中洪泛消息，节点的无线电发射机发送时间增加，从而降低了网络中的能量效率。端到端时延、可靠性和能量效率是WMSNs中传输多媒体数据最常见的问题。总之，AODV方法是可靠的，但在延迟和能量方面是昂贵的。4.2. 丢包率（PLR）本节给出了上述协议的分组丢失率（PLR）的仿真结果。PLR已根据六种不同的情况进行了评估，如图所示。 9和图 10. 他们Wael Ali Hussein，Borhanuddin M Ali，MF. Rasid等人埃及信息学杂志23（2022）225232图八、具有两个洞的网络的比较协议的平均端到端延迟见图9。 三种不同网络密度场景下普通拓扑的丢包率。分别是35个节点、55个节点和75个节点的普通拓扑和具有孔的普通拓扑。在图9中呈现了35个节点的普通拓扑，AODV遭受最高的PLR;GPSR和AGEM的性能稍好，分别具有第二和第三高的PLR;并且实现了最低的PLR。关于SGFTEM因此，可以观察到，基于位置的协议在低网络密度（诸如具有35个节点）中表现得更好。对于55个节点的场景，GPSR遭受最高的PLR; AGEM和SGFTEM分别获得第二和第三高的PLR;并且AODV实现最低的PLR（即，最好的结果）。最后，在75个节点的场景中，模式与55个节点的sce- nario类似。从所呈现的结果可以得出以下结论：1. 在可靠性（最小丢包）方面，AODV在高网络密度下更胜一筹;2. AGEM和TPGF在不同的场景下表现出比GPSR更好的PLR性能;3. SGFTEM是贪婪路由协议中性能最好的;4. 贪婪路由协议的PLR性能在高网络密度场景下受到影响AODVPLR结果如图所示。 9，这是众所周知的高可靠性路由协议，但缺点是它的高端到端延迟，如前一节所述。如图所示，AGEM比GPSR更可靠，因为AGEM搜索路由路径并执行多路径的负载平衡。最后，在SGFTEM中，路由路径创建会搜索流量负载较低的路径，从而最大限度地减少数据包丢失。所有的贪婪路由协议在这里检查遭受高的数据包丢失在高网络密度，只有最好的工作到一定的网络规模，而AODV执行更好的高网络密度网络的情况下。这是因为这里研究的所有贪婪路由协议只有邻居节点信息（本地信息），而AODV有全局信息。处理本地信息只提供了低延迟的优点，并减少了节点中的能量消耗。事实上，AODV和SGFTEM属于不同类别的路由协议，它们在这里进行比较，以检查SGFTEM的整体性能，作为最好的协议之间的贪婪协议在这里研究.在图10中分别针对35、55和75个节点的场景呈现了在具有孔的普通网络拓扑下比较的协议的PLR。在35节点场景中，GPSR和TPGF一起示 出 最 高 PLR （ 即 ， 表 现 最 差 ） ， 其 次 是 AODV 、 AGEM 和SGFTEM。对于55和75个节点的场景，即使相对数量不同，模式仍然与前面描述的35个节点的场景相同; GPSR和TPGF的PLR减少了一点，而AODV和AGEM的PLR在75节点的场景中，AODV TPGF，AGEM和SGFTEM。在55个节点的场景中，Wael Ali Hussein，Borhanuddin M Ali，MF. Rasid等人埃及信息学杂志23（2022）225233×××≈pð Þr66见图10。 双洞网络中的平均丢包率（PLR）在75个节点的情况下，我们观察到了类似的行为，在35个节点的情况下，我们观察到了类似的行为，这表明了AODV协议的丢包率是如何显著降低的，这表明了在所有被检测的协议中，性能最好的节点不会影响协议的性能。这里的观察，SGFTEM示出了协议中的最佳性能，再次证实了先前关于协议性能的讨论，示出了AGEM相对于GPSR的改进的可靠性。4.3. 剩余能量剩余能量是SGFTEM协议中研究的另一个性能参数对于2mW的发射功率和648J的充电能量，在500s的模拟时间之后已经获得了剩余能量。 从图中所示的结果。 11，可以看出，在500 s的仿真时间内，所有协议仅消耗少量能量。在普通拓扑网络中，SGFTEM协议的剩余能量最高，其次是AGEM、TPGF和GPSR。所有协议的性能模式在所有三种情况下保持一致：SGFTEM性能最好，其次是AODV，GPSR，TPGF和AGEM。 这是因为SGFTEM路由在路由路径中执行负载平衡，而GPSR、TPGF和AGEM总是使用最短路径，而不管位置如何。相同的唤醒和睡眠调度策略已被应用在这个模拟中，因为模拟的重点是显示，ING路由过程中的能耗性能在图12中示出了具有两个孔的普通拓扑网络在三个网络密度情况下的剩余能量，如已经应用于先前的模拟。可以看出，当仿真时间相等时，在500秒时，行为模式类似于普通拓扑。为了更详细地检查该路由协议的行为，这些节点在网络中的位置如图13所示被映射，并且剩余能量根据各个节点被颜色编码。可以看出，汇聚节点周围的节点比其他节点消耗更多的能量，而网络中的其余节点保持几乎相同的剩余能量水平。这表明，SGFTEM成功地执行路径负载平衡的节点之间的能量水平的变化是轻微的。4.4. 能耗在 本 节 中 ， 将 介 绍 OMNET++ Simulation 的 INET 框 架 下 的protoelectronics的能耗性能，从59，500J的电池容量开始（12 V电池为5000 mAh，而常规手机电池容量为从2500到5000 mAh）。能量感知协议的使用将增加传感器节点的寿命，有效地提高网络。 图图17示出了SGFTEM、AGEM、TPGF、GPSR和AODV的普通网络拓扑中的剩余能量。 这表明SGFTEM在能源效率方面具有最佳性能。SGFTEM选择具有较高可用带宽的下一跳节点，减少了节点的分组排队和传输时间，从而导致更好的能量消耗。从上述仿真实验可以看出，与本文分析的其他协议相比，SGFTEM具有端到端时延小、丢包率低、能量效率高等特点，能够满足WMSN的需求。这源于SGFTEM中使用的技术;即，一种数据路由技术，跟踪具有更高吞吐量并且更接近目的地的节点。它使用已经保存在传感器节点中的知识，并且不需要应用额外的步骤来找到最佳邻居节点。这有助于减少数据包端到端延迟并节省能量，同时减少数据包丢失。4.5. 能源管理为了提高SGFTEM在能量管理和负载平衡方面的性能，在同构网络上进行了进一步的传感器节点的部署基于无线电发射机的覆盖范围和传感器寿命的方法的程度，在整个感测领域。传感场是一个矩形区域，其大小取决于传感器节点的数量及其位置。在这个模拟中，选择的传感区域为750米600米的35个节点，1000米600米的55个节点和1500米600米的75个节点。信宿节点和源节点位于感测场边缘的固定点处该场景表示监控用例，其中源节点将数据分组发送到汇聚节点，以转发到外部世界。4.6. 覆盖和能源系统模型网络模型的仿真参数计算如下：r6R5ð5Þ200p5r689： 5米70秒Wael Ali Hussein，Borhanuddin M Ali，MF. Rasid等人埃及信息学杂志23（2022）225234见图11。 普通拓扑中剩余容量的平均值。见图12。 具有两个孔洞的普通网络拓扑中剩余容量的平均值。图十三. SGFTEM是平面拓扑中传感器节点的平均剩余能量水平，用颜色编码表示节点之间不同的剩余能量。其中R是最大无线电范围，r是相邻的可能跳。为了构建网络，将传感区域划分为89.5米长的网格，以确保无线电范围覆盖网络的整个区域，因此如果有节点在运行期间关闭，路由将继续。此外，无线电发射机通过避免长距离发送数据来实现。应用简单的能量管理;这通过打开和关闭节点来完成，从而实现网络可靠性和节能，并应用太阳能充电系统（表3）。Wael Ali Hussein，Borhanuddin M Ali，MF. Rasid等人埃及信息学杂志23（2022）225235表3能源管理模拟参数。参数值网络大小大小根据节点数量而异汇聚节点数量1源节点数传感器节点数35，55，75数据包大小512 B数据包速率5包/秒模拟时间12000s最大无线电距离200米发射功率2mW充电功率3.6 W/h电池容量2000 J每个传感器节点的剩余能量如图所示。 14个。深色气泡显示具有最高剩余能量的节点，而明亮阴影表示具有最小剩余能量的节点能源12,000秒后的能量消耗分布对于大多数节点被认为是相等的，除了边缘处的节点，诸如节点1、2、12、28和35。这些是不太活跃的节点，因为它们在网格中的位置在主要路线之外。SGFTEM没有使用这些节点，因为有其他节点具有更好的吞吐量和更短的距离到目的地。比较图14和图13并且忽略电池容量和运行时间的差异，可以看出，对传感器节点应用能量管理可以有效地延长它们的寿命，并且更多的节点将参与路由分组，使得其他节点可以节省它们的能量。图14示出了传感器节点的剩余能量的平均值各个协议的端到端延迟性能如图所示。 15个用于检查的3个网络场景。除AODV外，其他协议包括SGFTEM都表现出较低的端到端延迟。这种低的端到端延迟源于传感器节点的布置，其中每个节点被放置在距其相应的邻居节点89 m处，以保证整个感测区域的覆盖。选择具有低负载的转发节点，图14.在35个节点的场景中，具有能量管理的节点中的SGFTEM剩余能量水平。图15. 不同网络密度下不同路由协议的端到端传输延迟和能量管理。Wael Ali Hussein，Borhanuddin M Ali，MF. Rasid等人埃及信息学杂志23（2022）225236图16. 具有能量管理的丢包率。表4PLR比较，有和没有能量管理到目的地的距离将导致较低的E2ED。图Fig. 7和图 15显示差异数量的节点路由协议无能源管理的PLR %含能源管理的PLR%在图15中，对于具有能量管理的不同网络密