分布式環(huán)境下基于周期喚醒計(jì)算度量值的路由機(jī)制研究

李坤

【摘要】眾所周知，無(wú)線傳感網(wǎng)經(jīng)常被布置在資源有限的分布式環(huán)境中，網(wǎng)內(nèi)通信需要精確分配能耗，因此需要一種低功耗低延遲的自適應(yīng)路由機(jī)制。由于跟傳統(tǒng)單播路由機(jī)制相比，機(jī)會(huì)路由（Opportunistic Routing）機(jī)制具有更低的網(wǎng)絡(luò)鏈路損耗，更能適應(yīng)此類(lèi)網(wǎng)絡(luò)的空間和時(shí)間特征，因而被廣泛使用。然而，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)就是高占空率，即傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)頻繁地進(jìn)入休眠模式，以確保長(zhǎng)期的使用壽命。因此必須假設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)始終能被喚醒，以便監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)中的傳輸信號(hào)，這使得現(xiàn)有的機(jī)會(huì)路由機(jī)制實(shí)用型較弱。本文提出了一種更為實(shí)用的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)機(jī)會(huì)主義路由方案。采用了一種新的機(jī)會(huì)路由度量值，提高了網(wǎng)絡(luò)中單個(gè)數(shù)據(jù)包從源點(diǎn)到目的地的成功率，減少了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中端到端延遲。

【關(guān)鍵詞】無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò);機(jī)會(huì)路由;低功耗;自適應(yīng)

引言

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)是由很多低功耗的傳感器節(jié)點(diǎn)所組成。節(jié)點(diǎn)一般具有感知、計(jì)算、通信能力。現(xiàn)階段的研究對(duì)象多數(shù)是靜止?fàn)顟B(tài)的無(wú)線傳感網(wǎng)，如在安全防火、實(shí)物監(jiān)控等等這樣的應(yīng)用環(huán)境中，比較穩(wěn)定，傳感器網(wǎng)絡(luò)基本沒(méi)有很大的拓?fù)渥兓Ｒ虼吮阌谶\(yùn)用且網(wǎng)絡(luò)效率較高，而在有的應(yīng)用領(lǐng)域，如智能交通這樣的新興領(lǐng)域，其應(yīng)用環(huán)境比較復(fù)雜。常常由于各種客觀因素，包括路況、天氣、人群遷徙等影響，網(wǎng)絡(luò)信道質(zhì)量通常較差。節(jié)點(diǎn)之間可能不經(jīng)常存在一條可達(dá)路徑。因此傳統(tǒng)的路由機(jī)制并非完全適用。

近年對(duì)于無(wú)線傳感網(wǎng)的研究現(xiàn)在正不斷的增長(zhǎng)，機(jī)會(huì)路由的提出有效的改善了一些問(wèn)題。比如，機(jī)會(huì)路由通過(guò)充分利用無(wú)線信道的廣播特性，可以大大提高無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)的性能。現(xiàn)在的路由機(jī)制，大多都是采用ETX 當(dāng)路由判據(jù)，ETX的獲取需要周期性地發(fā)送探測(cè)包，路由的開(kāi)銷(xiāo)很大，不利于解決資源限制的問(wèn)題。其中，具有代表性的機(jī)會(huì)路由協(xié)議包括MORE[1]，SAOR[3]等，但是它們都有很多需要改善的環(huán)節(jié)，如MORE存在數(shù)據(jù)包傳輸效率不高，自適應(yīng)度不足等問(wèn)題。傳統(tǒng)的路由模式是在端到端數(shù)據(jù)包傳送過(guò)程中，先建立一條端到端的節(jié)點(diǎn)序列，然后在每次分組轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，在已經(jīng)下一跳的節(jié)點(diǎn)中，開(kāi)始執(zhí)行鏈路層數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。因此一旦傳送過(guò)程有分組丟失或者出現(xiàn)差錯(cuò)，那么就要重新啟動(dòng)鏈路層開(kāi)始從頭再傳。由此可見(jiàn)，在鏈路質(zhì)量和穩(wěn)定性較差的環(huán)境下，頻繁的鏈路層數(shù)據(jù)重傳將消耗大量的網(wǎng)絡(luò)資源。所以盡管確定性路由方式邏輯簡(jiǎn)單，但未能充分考慮無(wú)線信道的廣播特性、時(shí)變特性和干擾不規(guī)則性。無(wú)線信道的廣播特性使得一次分組轉(zhuǎn)發(fā)可能被多個(gè)節(jié)點(diǎn)收到，且接收概率各不相同。無(wú)線鏈路的時(shí)變特性導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中鏈路的狀態(tài)隨時(shí)間變化而變化。路由協(xié)議設(shè)計(jì)過(guò)程中如果沒(méi)有對(duì)信道廣播和丟失特性進(jìn)行充分考慮，必將導(dǎo)致大量網(wǎng)絡(luò)資源被浪費(fèi)。

1.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)所需的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）中，典型的數(shù)據(jù)包到達(dá)目的地的轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程一般分為兩個(gè)步驟：第一，使用路由協(xié)議來(lái)確定下一跳節(jié)點(diǎn)的路由度量值，通常計(jì)算的依據(jù)包括鏈路質(zhì)量評(píng)估以及關(guān)于由相鄰節(jié)點(diǎn)提供的路由進(jìn)展?fàn)顩r;第二，MAC協(xié)議喚醒預(yù)期中的下一跳節(jié)點(diǎn)并成功的接收分組。

在本文中，我們改進(jìn)這個(gè)有單播特征的路由機(jī)制。我們?cè)谝粋€(gè)以實(shí)時(shí)追蹤方式來(lái)確定占空率的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中以機(jī)會(huì)性的方式傳輸數(shù)據(jù)包。在此傳輸過(guò)程中：當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)包被第一個(gè)被喚醒的相鄰節(jié)點(diǎn)成功地接收，會(huì)提供下一步的路由轉(zhuǎn)發(fā)指令以便前往目的地。這樣，相較于傳統(tǒng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)單播路由，可以顯著提高能源利用效率，降低端到端的時(shí)延，提高無(wú)線鏈路的動(dòng)態(tài)自適應(yīng)能力。低功耗網(wǎng)絡(luò)需要高度動(dòng)態(tài)的鏈接方式。鏈接狀況估計(jì)需要借助無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議來(lái)限制轉(zhuǎn)發(fā)請(qǐng)求，這樣可以保持請(qǐng)求鏈接的高可靠性，借此保證穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹Ｎ覀兊闹芷趩拘延?jì)算度量值法可以使我們利用所有的自然相鄰節(jié)點(diǎn)，包括處于穩(wěn)定或不穩(wěn)定的鏈接中的各種節(jié)點(diǎn)，來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)。因此，可以顯著改善能源效率方面關(guān)于延遲，和動(dòng)態(tài)鏈接問(wèn)題。最初，發(fā)展機(jī)會(huì)路由的目的是為了提高無(wú)線網(wǎng)格多跳網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。但事實(shí)上，在無(wú)線網(wǎng)格多跳網(wǎng)絡(luò)中，保持對(duì)網(wǎng)絡(luò)中信息監(jiān)聽(tīng)的成本很低。而傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)高占空率，限制了機(jī)會(huì)路由機(jī)制的信息監(jiān)聽(tīng)能力。傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求更應(yīng)該是高能源利用率和低延遲，而不是僅僅是高吞吐量，尤其是當(dāng)未來(lái)的技術(shù)發(fā)展解決了硬件限制之后。

2.機(jī)會(huì)主義路由工作機(jī)理

我們對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用經(jīng)常存在著特殊要求，如低功率消耗和低資源消耗，這使得我們必須做出改進(jìn)傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)格多跳網(wǎng)絡(luò)。改進(jìn)的部分主要包括以下問(wèn)題。

首先是平衡能源效率與吞吐量性能度量，發(fā)展機(jī)會(huì)主義路由的目的是為了提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。因?yàn)楝F(xiàn)階段的應(yīng)用需要傳感器網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)效運(yùn)行而不是處理海量數(shù)據(jù)。其次，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中為保證傳感器節(jié)點(diǎn)保持很高的網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。節(jié)點(diǎn)大部分時(shí)間處于休眠待激活狀態(tài)，既關(guān)閉監(jiān)聽(tīng)。這就限制了空間復(fù)用，而空間復(fù)用是機(jī)會(huì)路由機(jī)制的主要優(yōu)點(diǎn)之一。轉(zhuǎn)發(fā)路徑的復(fù)雜度對(duì)機(jī)會(huì)路由機(jī)制的性能影響巨大，一般情況下，機(jī)會(huì)路由機(jī)制依賴(lài)于一致性協(xié)議來(lái)確定接收節(jié)點(diǎn)之間的唯一路徑。例如，數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)在SAOR 機(jī)制中由優(yōu)先級(jí)列表來(lái)控制。但由于數(shù)據(jù)包的大小差異，此方法并不總是合適。相應(yīng)的，進(jìn)行時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的方式也有一定的局限性。

因此，在機(jī)會(huì)路由機(jī)制的改進(jìn)過(guò)程中，通過(guò)計(jì)算并比較周期喚醒計(jì)算度量值，延遲下一跳的節(jié)點(diǎn)選擇，直到數(shù)據(jù)包被接收，非常適合與分布式和高動(dòng)態(tài)鏈接的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

3.周期喚醒計(jì)算度量值的方法

在異步傳輸模式的低功耗監(jiān)聽(tīng)體系里，存在這樣的過(guò)程，發(fā)送方傳送數(shù)據(jù)包流，直到接收方被喚醒并接收數(shù)據(jù)包流（請(qǐng)參閱圖1）。在機(jī)會(huì)主義機(jī)制中，存在一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：（一）（a）被喚醒的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)，（b）接收數(shù)據(jù)包，和（c）提供路由策略，接收和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包（請(qǐng)參閱圖2）。例如，在圖2中，一個(gè)節(jié)點(diǎn)A可直達(dá)節(jié)點(diǎn)C或間接直接通過(guò)一個(gè)不可靠的鏈接通過(guò)節(jié)點(diǎn)B，傳統(tǒng)的路由忽略了不可靠的鏈接A→C并依賴(lài)于A→B→C轉(zhuǎn)發(fā)。使用周期喚醒計(jì)算度量值的方法優(yōu)化了這一過(guò)程，增加了A→C到路由過(guò)程，如果A→C是暫時(shí)可用并且C先于B被喚醒，利用如圖3和圖4所示的轉(zhuǎn)發(fā)。降低了功耗和延遲。

圖1

圖2

圖3

圖4

4.結(jié)論

本文分析了傳統(tǒng)機(jī)會(huì)路由機(jī)制下的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的不足，針對(duì)降低占空比的要求，提出了一種用于分布式環(huán)境下基于周期喚醒計(jì)算度量值的路由機(jī)制。在數(shù)據(jù)包通過(guò)被首次喚醒的傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)，節(jié)點(diǎn)成功地接收數(shù)據(jù)包，并檢測(cè)到它提供的路由進(jìn)度進(jìn)行節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)。利用所有可能進(jìn)行下一跳的相鄰節(jié)點(diǎn)，相比于單播路由顯著減少延遲和能量消耗，提高了自適應(yīng)能力。分布式周期喚醒計(jì)算度量值的方法可以提高工作周期利用率并降低延遲，當(dāng)然這也取決于網(wǎng)絡(luò)的密度。選擇延遲轉(zhuǎn)發(fā)使得該方法比傳統(tǒng)的單播路由收發(fā)數(shù)據(jù)包速度更快。

參考文獻(xiàn)

[1]S.Biswas and R.Morris.ExOR：Opportunistic Multi-Hop Routing for Wireless Networks[C].//SIGCOMM.，2005.

[2]H.Dubois-Ferriere and M.Vetterli.Leastcost OpportunisticRouting[C].//45th Proceedings of the Allerton Conference on Communication，Control and Computing，2007.

[3]聶骕.WSN中的自適應(yīng)機(jī)會(huì)路由[J].科技視界，2014，7（12）：16-30.