礦井環境下無線傳感器網絡路由協議研究
2008-12-31 00:00:00陳祖爵蔣仕俊陳瀟君
計算機應用研究 2008年12期
(江蘇大學計算機科學與通信工程學院， 江蘇鎮江 212013)
摘 要：
無線傳感器網絡應用場合拓撲結構復雜，針對煤礦井下工作環境中的無線傳輸數據需求，提出了基于距離有效性的層次路由協議。協議以節點間的距離為建立路由的依據，作為各個節點建立層次關系，節點間的數據以最優路徑向匯聚節點傳輸。當網絡結構發生變化時，協議可按照節點間的層次關系在較短時間內重建路由。仿真結果表明，協議具有較好的收斂性，并縮短了重建局部路由的時間，為無線傳感器網絡應用于礦井環境提供了一種方案。
關鍵詞：無線傳感器網絡； 距離有效性； 層次路由； 多跳通信
中圖分類號：TP393 文獻標志碼：A
文章編號：10013695(2008)12374703
Research on routing of WSN in mine
CHEN Zujue， JIANG Shijun， CHEN Xiaojun
(Institute of Computer Communication Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang Jiangsu 212013， China)
Abstract:The application of WSN wascomplex. In order to meet the view of coal mine working environment in the wireless data needs， This paper put forward the routing protocol based on the distance to the level of effectiveness. The distance between nodeswhich was thebasis forthe protocol established level relations between the node data convergence to the optimal path to the node transmission. When the structure of the network was changed， the protocol could reconstruction routing in short time between the node level relations. Simulation results showthat the protocol is convergence， and the reconstruction of local routing time is shorter. WSN supplieda way to the application of mine.
Key words：wireless sonsor networks(WSN)； effectiveness of distance； level routing； multihop communications
針對無線傳感器網絡（WSN）的特點[1]，國內外專家設計了多種面向WSN的路由協議[2，3]。其中有采用鏈式結構的PEGASIS協議、地理定位輔助路由協議GEAR、基于最小跳數的能量自適應路由算法[4]以及LEACH、SPIN、TEEN等。WSN路由協議與應用密切相關，在研究分析現有WSN路由協議以及礦井環境的基礎上，為適應WSN網絡結構變化，提高數據傳輸的可靠性，提出了一種基于距離有效性的層次路由協議。
1 無線傳感器網絡路由技術
與傳統無線網絡相比，雖然WSN具有與無線自組織網絡極為相似的特征，但在網絡特點、通信模型和數據傳輸等方面卻與傳統的無線網絡有著很大的不同。無線傳感器網絡的路由協議具有以下特點[5]：應用相關、基于局部拓撲信息、以數據為中心。
PEGASIS協議[6] 在LEACH基礎上改進設計，在傳感器節點中采用鏈式結構進行連接。運行PEGASIS協議時，每個節點首先利用信號的強度來衡量其所有鄰居節點距離的遠近，在確定其最近鄰居的同時調整發送信
號的強度以便只有這個鄰居能夠聽到。其次鏈中每個節點向鄰居節點發送和接收數據，并且只選擇一個節點作為鏈首向匯聚點傳輸數據。采集到的數據以點到點的方式傳送、融合，并最終被送到匯聚點。另一方面，GEAR[7]路由利用地理信息作為啟發式選擇路徑向目標區域傳送數據。同時，由于位置信息的存在，可以采用更簡單的定位算法，獲得較高的定位精度。
2 距離有效性的層次路由協議設計
無線傳感器網絡應用于礦井環境，節點均由人工布置，網絡為線狀分布。節點之間采用等級制度，合理控制網絡中節點的加入或離開。路由協議包括三個過程：路由建立、數據通信及路由維護、網絡自適應。
每個節點維護的數據包括節點安放位置坐標、本地節點層次數、上下層路由關系、路由就緒標志位(router_ready、router_success)。
初始狀態：
a)匯聚節點。層次數為0；路由標志位router_ready=yes，router_success =no。
b)其他節點。層次數為0xffff；路由標志位router_ready=no，router_success =no。
2. 1 路由建立
在路由建立過程中，采用經典的泛洪式算法，結合距離有效性建立路由結構。
首先，匯聚節點形成一個基本的無線傳感器網絡。該網絡只有一個節點，即匯聚節點本身，并且該節點的路由就緒標志位router_ready顯示了該節點是否具有路由能力；router_success顯示了該節點是否具有加入子路由節點的能力。
其次，每個節點發出路由請求信息，其中包含該節點安放位置坐標、層次數以及MAC地址。只有路由標志位為就緒（router_ready=yes）的節點Vi才能接收其他節點Vj的路由請求信息，按照以下條件選擇合適的下一跳節點：
Next:min{dis[vi，vj]，dis[vi，vj+1]，…，dis[vi，vj+n]}
dis[vi，vj]=(xi-xj)2+(yi-yj)2+(zi-zj)2
(1)
路由建立過程如圖1所示。
如圖1(a)所示，當sink節點就緒，即router_ready=yes，接收所有在其通信范圍內的節點a、b發出的路由請求信息。根據式(1)，sink節點計算出這些路由請求信息中哪個節點距離其最近，然后向節點a發送路由應答信息，該應答消息中包含確認標志位。響應節點b的應答消息不包含應答標志位。節點a接收到路由應答信息后，確認該消息含有確認標志位后，參考sink節點的層次信息layer(s)=0，將本身的層次數設置為layer(a)=layer(s)+8，同時將sink節點作為上層節點寫入路由表，置路由標志位router_ready=yes，并且sink節點發送路由確認信息。當sink節點收到來自節點a的確認信息，則將a作為下一層節點寫入自身的路由表中，置路由標志位router_success =yes。至此，節點a加入由sink組建的WSN，并且具備成為上層節點的能力。同時，節點b也首先檢測路由應答消息是否含有確認標志位。由于確認標志位不存在，b無須向節點s發送路由確認消息，但是b將s的基本信息以上層節點信息的一部分寫入路由表，自身層次數以及路由標志位不作任何改變。如圖1(b)所示，一旦節點a加入網絡成功，則它可以接收來自周圍節點的路由請求信息，執行sink節點所執行的步驟，完成其他節點的加入。如此不斷地重復，直至最后一個節點加入該網絡，如圖1(c)所示，建立整個網絡的路由結構。
2. 2 數據通信與路由維護
當節點獲得上一跳以及下一跳節點的信息后，節點路由建立結束，開始進行數據收發。為了提高可靠性，節點進行數據收發將采用請求確認轉發機制。節點若有數據進行發送，首先從路由表中取出距離自身最遠的上一層節點，向該節點發送數據請求，在正確收到數據請求應答之后，向目標節點發送數據。如果在規定的時間內沒有收到數據請求應答，則表明信道質量很差或者上層節點失效。對于此種情況，節點對所發數據進行重發。如果仍然不能通信，節點選用路由表中距離自身較近的上一層節點。重復以上步驟，直到選取距離自身最近的節點。如果經過以上策略仍然不能正常通信，則發送路由請求信息，重新建立路由。該過程如圖2所示。
根據該協議，只在少數情況下采用廣播消息，其他的都采用點對點進行通信。在數據傳輸過程中，移動節點將數據傳輸到路由節點。數據在路由節點集中傳遞時，采用點對點傳輸。因此，網絡中的信息數不會因為路由節點的增加而急劇擴大。
2. 3 網絡自適應
2. 3. 1 網絡擴展
當在網絡中添加固定節點x時，x向周圍節點發出路由加入請求信息，然后等待接收路由應答消息。由于信號的處理以及傳播需要一定的時間，需要設置一個時間閾值，確保接收到足夠多的路由應答消息。每條路由應答消息中都包含有路由確定節點的位置坐標。根據式（1），在這些節點中選出距離節點x最近的四個節點，按照層次數寫入路由表中。其中，三個為上層節點，節點a、b為距離節點x最近的上、下層節點。參考上下層節點的層次數確定本節點的層次數layer(x)=[layer(a)+layer(b)]/2。獲得本節點的層次數后，向節點a、b發送路由加入消息。上下層節點在收到節點x的路由加入信息后，根據層次數的大小確定修改本節點的路由表；同時，向節點x發送路由確定信息。最后，節點x在接收到路由確認信息之后，修改自身的路由標志位，成為該網絡的一部分。
如果添加的節點x位于網絡的最外層，添加過程與在網絡內添加稍微有些不同。節點x根據式（1）選出距離節點x最近的三個節點作為上層節點(如果不足三個，則以實際數目計算)。節點a為距離節點x最近的節點，則x的層次數為layer(x)=layer(a)+8。其過程與上述相似。
2. 3. 2 網絡刪減
當在網絡中移除某個節點x時，x根據路由表向上下層節點發送路由移除請求信息。相應地向這些節點發送一個路由信息包，該數據包中包含了節點x路由表中的信息。上下層節點在接收的路由移除請求信息及路由信息包后，按照路由信息包中其他節點的坐標信息計算出距離值，結合距離值和節點層次信息相應地修改路由表信息。同時，x等待接收路由移除確認消息。路由表信息修改完成，上下層節點向節點x發送路由移除確認消息。節點x在正確接收到路由確認消息后可以離開網絡。如果沒有收到正確的路由移除消息，節點x等待一個隨機時間重發該消息；若x還是收不到任何確認消息，則它可以自行離開該網絡。網絡刪減過程如圖3所示。
如果移除的節點x位于網絡的最外層，移除過程與在網絡內添加稍微有些不同。節點x只需向上一層節點發送路由移除請求信息。其他過程與上述類似。
3 仿真測試與分析
通過在OMNET++上進行仿真測試。環境參數的設置參考北京博訊科技[8]對無線傳感器網絡在煤礦井下的實地測試數據。
在仿真場景中，將節點以鏈狀布置，每個節點內寫入與仿真環境對應的坐標值。節點間間距為30 m；所有節點的通信半徑為100 m。在不同的節點數目情況下，對網絡的性能進行研究。傳感器節點數據包長度最長為256 Byte。為了檢測該算法的性能，使用以下指標來衡量算法：
a）路由建立時間仿真。在整個仿真系統中，路由建立時間從產生第一個路由請求信息包開始到所有節點路由建立完成所需的時間。如圖4所示，隨著網絡覆蓋范圍的擴大、節點數目的增加，該算法仍然具有很好的線性性能，具有很快的收斂速度。
根據圖4中曲線分析，在理想環境中，路由的建立時間隨著網絡規模的增大平滑線性增長；在環境比較惡劣、丟包率為10%的情況下，表示路由建立時間的曲線隨著網絡規模的擴大而逐漸偏離理想環境下的值。這種偏離情況主要由通信過程中數據包丟失引起的。但是從總體上分析，在環境惡劣的情況下，該算法仍然具有很好的線性性能，具有很快的收斂速度。
b)路由重建時間。該仿真包括兩部分：添加節點，重建路由所需時間；移除節點，重建路由所需時間。針對本項目的實際情況，添加節點這種情況屬于路由算法中的一個重要組成部分。圖5、6分別顯示了添加節點和移除節點重建路由所需時間的路由仿真結果。它們都顯示了在理想狀況下，重建路由所需時間與網絡規模無關。由圖可知，這些波動的幅度都在很小的范圍內，在實際應用中可以忽略不計。
c)平均傳輸跳數。在該仿真實驗中，假定網絡規模不變的情況下，數據由網絡中的節點隨機產生。以傳輸1 000個數據包為統計單位，近似得出在該網絡規模狀態下所需要的跳數。從圖7中可以看出，平均傳輸跳數隨著網絡規模的擴大而增長。這主要是由于網絡路由呈鏈狀，數據包的傳輸路徑對應地也呈鏈狀，隨著節點數的增加，傳輸路徑也越來越長。
為便于說明，采用了列表方式對該協議進行說明。由于基于距離有效性的層次路由協議應用于煤礦礦井，它與其他無線傳感器網絡路由協議的區別在于，該協議無須考慮節能問題。大部分的巷道固定節點可以采用交流電進行供電，需要隨時布置的節點和人員便攜式節點采用電池進行供電。表1對部分層次路由協議進行了分類比較。
表1 路由協議的分類比較
協議數據為中心數據融合基于節點定位多條路徑最佳路徑擴展性
LEACH不是有不是否不是好
TEEN是有不是否不是好
Youris等不是沒有是否是好
PEGASIS是有不是否不是好
SMECN不是沒有是否是不好
本文協議不是沒有是是是好
分析表1中的各項特性，基于距離有效性的層次路由協議能較好地應用于煤礦井下這一特殊環境。
4 結束語
通過對WSN路由協議的深入研究，建立了一種以距離關系確定數據傳送路徑的算法，實現了網絡路由的動態規劃。經仿真工具對路由收斂時間以及路由動態維護進行了實驗，驗證了路由算法的正確性和有效性，在網絡規模較大時仍具有較快的路由收斂速度，并且在路由動態維護過程中有效地降低了維護的通信量及開銷。
參考文獻：
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