WSNs可靠路由協議在GAINZ平臺實現的研究

胡須

摘 要

針對無線傳感器網絡數據傳輸可靠性的問題，本文提出了一種可靠性路由協議RANC，在GAINZ實驗平臺上實現RANC拓撲搭建，給出了節點組網具體過程，實現可靠路由的最佳通信路徑選擇。

【關鍵詞】無線傳感器網絡RANC GAINZ可靠性

1 引言

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks，WSNs）是由多個微型傳感器節點面向任務以自組織方式構成的網絡，WSNs由多個微型傳感器節點通過自組織方式構成，其自組織性和容錯能力使它非常適合在特殊時刻和環境中應用。WSNs一般部署在面積廣闊且復雜惡劣的環境中，傳感器節點資源受限，自然環境損毀和能量耗盡將導致節點失效，對實際應用產生巨大隱患。這些隱患決定了路由協議在WSNs研究中的重要性。為了保證WSNs能夠正常通信，必須保證路由在全連通的基礎上進行數據傳輸信息。本文首先介紹了一種可靠性路由協議RANC算法（Routing Algorithm Based on Node Credibility），在此算法基礎上，在GAINZ平臺實驗環境實現WSNs真實的網絡拓撲。

2 RANC協議簡介

本節介紹的RANC路由協議綜合了鏈路質量、傳感器節點能量、儲存空間等對路由可靠性的影響，通過可信度數學模型的構建實現網絡路徑的調整，達到延長網絡生命期的目的。

WSNs中節點可信度（Node Credibility，NC）的數學模型表示為：

（1）

式（1）中，Ere（j）為j的剩余能量，d（j，sink）為節點j到基站的距離，LQ（i，j）為（i，j）的鏈路質量，TC（j）為節點j的轉發能力。節點的轉發能力與節點緩存占用率BO和擁塞因子CF有關，轉發能力的數學表達式可表示為：

（2）

通過式（1）、（2）可以得出節點可靠性數學模型：

（3）

式（3）可以看出節點可靠性與傳感節點剩余能量Ere（j）、節點緩存占用率BO（j）、鏈路質量LQ（i，j）、擁塞因子CF（j）正相關，與節點到基站的距離負相關。因此，在實驗過程中可以選擇節點剩余能量多的、節點緩存占用率高的、鏈路質量優并且與目的節點距離小的節點作為通信節點，使路由數據傳輸工作更為可靠。

3 RANC協議在GAINZ平臺實現方案

GAINZ平臺硬件由微處理器，射頻芯片以及外圍設備組成，是一款WSNs硬件開發平臺，傳感器節點在AVR單片機基礎上進行設計。基于GAINZ實驗平臺上，實現RANC路由協議搭建的網絡結構。

3.1 拓撲搭建過程

協調器節點組網過程的具體偽碼如下所示：

協調器節點組網算法

確定網絡環境，設定自身網絡ID

令N=0；

whlie收到節點請求

if N

N+1，將該節點IP、能量信息等加入鄰居列表，并向請求節點發送加入回復信息

else if N>Nmax

將加入請求信息刪除

end if

end

3.2 RANC拓撲實現

在實驗環境，硬件環境由20個GAINZ節點，USB電子狗和PC機組成。軟件環境分為兩部分，一部分為由C語言編寫的測試程序；另一部分是在運行的Zigbee分析儀。

圖1為 GAINZ平臺上的原始拓撲圖，通過RANC算法，通過擇優選擇路由，選擇最佳通信路徑，提升路由數據傳輸的可靠性，如圖2所示。

4 結語

本文針對WSNs網絡中路由選擇問題，介紹了RANC路由協議優化網絡的通信路徑。給出了RANC協議的網絡拓撲搭建過程，并且在GAINZ平臺上的實現RANC拓撲。通過優化網絡通信路徑，達到延長網絡生命期。

參考文獻

[1]李凌晶.能量有效的無線傳感器網絡路由協議研究[D].南京：南京郵電大學學位論文，2012：6-9.

[2]韓旭，劉迎新，文正江.無線傳感器網絡路由協議研究[J].中國儀器儀表，2012，9：27-31.

[3]孫佩剛，趙海，羅玎玎等.無線傳感器網絡鏈路通信質量測量研究[J].通信學報，2007，28（10）：14-22.

[4]于海濱，曾鵬，王忠峰等.分布式無線傳感器網絡通信協議研究[J].通信學報，2004，25（10）：102-110.

作者單位

東華計量測試研究院 江西省南昌市 330029

摘 要

針對無線傳感器網絡數據傳輸可靠性的問題，本文提出了一種可靠性路由協議RANC，在GAINZ實驗平臺上實現RANC拓撲搭建，給出了節點組網具體過程，實現可靠路由的最佳通信路徑選擇。

【關鍵詞】無線傳感器網絡RANC GAINZ可靠性

1 引言

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks，WSNs）是由多個微型傳感器節點面向任務以自組織方式構成的網絡，WSNs由多個微型傳感器節點通過自組織方式構成，其自組織性和容錯能力使它非常適合在特殊時刻和環境中應用。WSNs一般部署在面積廣闊且復雜惡劣的環境中，傳感器節點資源受限，自然環境損毀和能量耗盡將導致節點失效，對實際應用產生巨大隱患。這些隱患決定了路由協議在WSNs研究中的重要性。為了保證WSNs能夠正常通信，必須保證路由在全連通的基礎上進行數據傳輸信息。本文首先介紹了一種可靠性路由協議RANC算法（Routing Algorithm Based on Node Credibility），在此算法基礎上，在GAINZ平臺實驗環境實現WSNs真實的網絡拓撲。

2 RANC協議簡介

本節介紹的RANC路由協議綜合了鏈路質量、傳感器節點能量、儲存空間等對路由可靠性的影響，通過可信度數學模型的構建實現網絡路徑的調整，達到延長網絡生命期的目的。

WSNs中節點可信度（Node Credibility，NC）的數學模型表示為：

（1）

式（1）中，Ere（j）為j的剩余能量，d（j，sink）為節點j到基站的距離，LQ（i，j）為（i，j）的鏈路質量，TC（j）為節點j的轉發能力。節點的轉發能力與節點緩存占用率BO和擁塞因子CF有關，轉發能力的數學表達式可表示為：

（2）

通過式（1）、（2）可以得出節點可靠性數學模型：

（3）

式（3）可以看出節點可靠性與傳感節點剩余能量Ere（j）、節點緩存占用率BO（j）、鏈路質量LQ（i，j）、擁塞因子CF（j）正相關，與節點到基站的距離負相關。因此，在實驗過程中可以選擇節點剩余能量多的、節點緩存占用率高的、鏈路質量優并且與目的節點距離小的節點作為通信節點，使路由數據傳輸工作更為可靠。

3 RANC協議在GAINZ平臺實現方案

GAINZ平臺硬件由微處理器，射頻芯片以及外圍設備組成，是一款WSNs硬件開發平臺，傳感器節點在AVR單片機基礎上進行設計。基于GAINZ實驗平臺上，實現RANC路由協議搭建的網絡結構。

3.1 拓撲搭建過程

協調器節點組網過程的具體偽碼如下所示：

協調器節點組網算法

確定網絡環境，設定自身網絡ID

令N=0；

whlie收到節點請求

if N

N+1，將該節點IP、能量信息等加入鄰居列表，并向請求節點發送加入回復信息

else if N>Nmax

將加入請求信息刪除

end if

end

3.2 RANC拓撲實現

在實驗環境，硬件環境由20個GAINZ節點，USB電子狗和PC機組成。軟件環境分為兩部分，一部分為由C語言編寫的測試程序；另一部分是在運行的Zigbee分析儀。

圖1為 GAINZ平臺上的原始拓撲圖，通過RANC算法，通過擇優選擇路由，選擇最佳通信路徑，提升路由數據傳輸的可靠性，如圖2所示。

4 結語

本文針對WSNs網絡中路由選擇問題，介紹了RANC路由協議優化網絡的通信路徑。給出了RANC協議的網絡拓撲搭建過程，并且在GAINZ平臺上的實現RANC拓撲。通過優化網絡通信路徑，達到延長網絡生命期。

參考文獻

[1]李凌晶.能量有效的無線傳感器網絡路由協議研究[D].南京：南京郵電大學學位論文，2012：6-9.

[2]韓旭，劉迎新，文正江.無線傳感器網絡路由協議研究[J].中國儀器儀表，2012，9：27-31.

[3]孫佩剛，趙海，羅玎玎等.無線傳感器網絡鏈路通信質量測量研究[J].通信學報，2007，28（10）：14-22.

[4]于海濱，曾鵬，王忠峰等.分布式無線傳感器網絡通信協議研究[J].通信學報，2004，25（10）：102-110.

作者單位

東華計量測試研究院 江西省南昌市 330029

摘 要

針對無線傳感器網絡數據傳輸可靠性的問題，本文提出了一種可靠性路由協議RANC，在GAINZ實驗平臺上實現RANC拓撲搭建，給出了節點組網具體過程，實現可靠路由的最佳通信路徑選擇。

【關鍵詞】無線傳感器網絡RANC GAINZ可靠性

1 引言

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks，WSNs）是由多個微型傳感器節點面向任務以自組織方式構成的網絡，WSNs由多個微型傳感器節點通過自組織方式構成，其自組織性和容錯能力使它非常適合在特殊時刻和環境中應用。WSNs一般部署在面積廣闊且復雜惡劣的環境中，傳感器節點資源受限，自然環境損毀和能量耗盡將導致節點失效，對實際應用產生巨大隱患。這些隱患決定了路由協議在WSNs研究中的重要性。為了保證WSNs能夠正常通信，必須保證路由在全連通的基礎上進行數據傳輸信息。本文首先介紹了一種可靠性路由協議RANC算法（Routing Algorithm Based on Node Credibility），在此算法基礎上，在GAINZ平臺實驗環境實現WSNs真實的網絡拓撲。

2 RANC協議簡介

本節介紹的RANC路由協議綜合了鏈路質量、傳感器節點能量、儲存空間等對路由可靠性的影響，通過可信度數學模型的構建實現網絡路徑的調整，達到延長網絡生命期的目的。

WSNs中節點可信度（Node Credibility，NC）的數學模型表示為：

（1）

式（1）中，Ere（j）為j的剩余能量，d（j，sink）為節點j到基站的距離，LQ（i，j）為（i，j）的鏈路質量，TC（j）為節點j的轉發能力。節點的轉發能力與節點緩存占用率BO和擁塞因子CF有關，轉發能力的數學表達式可表示為：

（2）

通過式（1）、（2）可以得出節點可靠性數學模型：

（3）

式（3）可以看出節點可靠性與傳感節點剩余能量Ere（j）、節點緩存占用率BO（j）、鏈路質量LQ（i，j）、擁塞因子CF（j）正相關，與節點到基站的距離負相關。因此，在實驗過程中可以選擇節點剩余能量多的、節點緩存占用率高的、鏈路質量優并且與目的節點距離小的節點作為通信節點，使路由數據傳輸工作更為可靠。

3 RANC協議在GAINZ平臺實現方案

GAINZ平臺硬件由微處理器，射頻芯片以及外圍設備組成，是一款WSNs硬件開發平臺，傳感器節點在AVR單片機基礎上進行設計。基于GAINZ實驗平臺上，實現RANC路由協議搭建的網絡結構。

3.1 拓撲搭建過程

協調器節點組網過程的具體偽碼如下所示：

協調器節點組網算法

確定網絡環境，設定自身網絡ID

令N=0；

whlie收到節點請求

if N

N+1，將該節點IP、能量信息等加入鄰居列表，并向請求節點發送加入回復信息

else if N>Nmax

將加入請求信息刪除

end if

end

3.2 RANC拓撲實現

在實驗環境，硬件環境由20個GAINZ節點，USB電子狗和PC機組成。軟件環境分為兩部分，一部分為由C語言編寫的測試程序；另一部分是在運行的Zigbee分析儀。

圖1為 GAINZ平臺上的原始拓撲圖，通過RANC算法，通過擇優選擇路由，選擇最佳通信路徑，提升路由數據傳輸的可靠性，如圖2所示。

4 結語

本文針對WSNs網絡中路由選擇問題，介紹了RANC路由協議優化網絡的通信路徑。給出了RANC協議的網絡拓撲搭建過程，并且在GAINZ平臺上的實現RANC拓撲。通過優化網絡通信路徑，達到延長網絡生命期。

參考文獻

[1]李凌晶.能量有效的無線傳感器網絡路由協議研究[D].南京：南京郵電大學學位論文，2012：6-9.

[2]韓旭，劉迎新，文正江.無線傳感器網絡路由協議研究[J].中國儀器儀表，2012，9：27-31.

[3]孫佩剛，趙海，羅玎玎等.無線傳感器網絡鏈路通信質量測量研究[J].通信學報，2007，28（10）：14-22.

[4]于海濱，曾鵬，王忠峰等.分布式無線傳感器網絡通信協議研究[J].通信學報，2004，25（10）：102-110.

作者單位

東華計量測試研究院 江西省南昌市 330029