無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不相交多路徑路由容錯纏繞系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐忠根+蔣琳

摘 要： 傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的容錯系統(tǒng)未全面分析網(wǎng)絡(luò)特征，處理多路徑纏繞問題時(shí)，存在耗能高以及波動大等問題。因此，設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不相交多路徑路由容錯纏繞系統(tǒng)，其采用基于HSV色彩空間分離的節(jié)點(diǎn)不相交多路徑路由算法建立源節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的不相交多路徑。系統(tǒng)將色彩平面劃分成A類型和B類型，并分別進(jìn)行路徑選擇分析，實(shí)現(xiàn)不相交多路徑路由的容錯處理。系統(tǒng)通過動態(tài)時(shí)間間隔的鏈路RSSI檢索方案檢索動態(tài)節(jié)點(diǎn)，調(diào)整多路徑纏繞，解決節(jié)點(diǎn)路徑纏繞問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)可顯著增強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性以及網(wǎng)絡(luò)吞吐量，確保網(wǎng)絡(luò)能耗最小。

關(guān)鍵詞： 無線傳感網(wǎng)絡(luò)； 不相交多路徑； 容錯； 纏繞

中圖分類號： TN711?34； TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）13?0164?04

Abstract： Since the network characteristics of the traditional fault?tolerant system havent been analyzed fully， which has the problems of high energy consumption and large fluctuation while dealing with the problem of multipath winding， a disjoint multipath routing fault?tolerant winging system for wireless sensor network was designed. The node disjoint multipath routing algorithm based on HSV color space separation is used to establish the disjoint multipath from the source node to the target node. The color plane is divided into A?type and B?type by means of the system， for which the path selection analysis is carried out respectively to realize the fault?tolerant treatment of the disjoint multipath routing. The link RSSI retrieval scheme of dynamic time interval is used to retrieve the dynamic nodes of the system. The multipath winding is adjusted to solve the problem of node path winding. The experimental results show that the designed system can enhance the data transmission stability and network throughput significantly， and ensure the minimal network energy consumption.

Keywords： wireless sensor network； disjoint multipath； fault tolerance； winding

0 引 言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)受到惡劣環(huán)境、能量約束等因素的干擾，會出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)損壞以及通信鏈路斷裂的問題，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸效率大幅度降低[1]。因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的容錯性能對增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)性能具有重要作用。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)移動過程中會出現(xiàn)纏繞問題，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)通信路徑斷裂，數(shù)據(jù)傳輸效率大大降低[2]。而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)容錯纏繞系統(tǒng)可確保網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)纏繞問題后，對傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不相交多路徑路由容錯纏繞

系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)路由選擇設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用基于HSV色彩空間分離的不相交多路徑路由算法，通過HSV色彩空間模型，面向各鏈路塑造數(shù)值化的三元組，確保各條鏈路處于不同的色彩平面，獲取源節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)間的不相交多路徑[3]，也就是系統(tǒng)的路由。

設(shè)置無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，包括一個基站節(jié)點(diǎn)和排列在特定領(lǐng)域的傳感器節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)采用多條路徑向sink節(jié)點(diǎn)傳輸信息，節(jié)點(diǎn)存在動態(tài)性，網(wǎng)絡(luò)存在大幅度的波動，出現(xiàn)纏繞現(xiàn)象[4]。HSV色彩空間模型包括H（色調(diào)）、S（飽和度）以及V（亮度）分量，如圖1所示。

依據(jù)該HSV色彩模型，系統(tǒng)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的鏈路塑造數(shù)值化的三元組采用鏈路著色，確保網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)不同的色彩平面。其中的取值區(qū)域集是R（紅）、Y（黃）、G（綠）、B（藍(lán)），的取值區(qū)間是[0，1]，的取值區(qū)間是[0，1]。按照鏈路的情況，隨機(jī)設(shè)置一條鏈路的不同元組分量取值為：

式中：用于描述鏈路的RSSI；和分別用于描述RSSI的最高值和最低值；用于描述鏈路距sink節(jié)點(diǎn)的最低跳數(shù)；用于描述網(wǎng)絡(luò)最高跳數(shù)；表示鏈路至sink節(jié)點(diǎn)的距離；表示鏈路的信號強(qiáng)度。

HSV色彩空間模型內(nèi)，值不變，則越高色彩飽和度越大，值越低色彩量度越低，顏色越深。則無線傳感器鏈路RSSI值越大，表明顏色越純，鏈路至sink節(jié)點(diǎn)距離越短，顏色越深。不同色彩平面能夠映射相同節(jié)點(diǎn)是出節(jié)點(diǎn)或入節(jié)點(diǎn)的差異鏈路，將源節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的多路徑進(jìn)行準(zhǔn)確劃分[5]。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)到色彩平面的映射過程如圖2所示。

圖2（a）表示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)里有6條鏈路，也是系統(tǒng)路由，所有鏈路的數(shù)值化元組用圖2（b）表示。其中鏈路以及的色調(diào)是R，鏈路以及的色調(diào)是G。在色彩模型相應(yīng)的圓錐形坐標(biāo)系里，6條鏈路映射至以及兩個色彩平面的6個點(diǎn)，用圖2（c）描述。

在色彩平面區(qū)域內(nèi)，將出節(jié)點(diǎn)看成節(jié)點(diǎn)的起始鏈路，順著顏色加深的方向，從源節(jié)點(diǎn)到sink節(jié)點(diǎn)獲取路徑該6個色彩平面可塑造6條路徑。

1.2 系統(tǒng)路由容錯纏繞處理的實(shí)現(xiàn)

1.2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)鏈路著色

系統(tǒng)對1.1小節(jié)獲取的多路徑實(shí)施著色，將鏈路映射到各色彩平面中。實(shí)施著色過程中，要求相同節(jié)點(diǎn)向sink節(jié)點(diǎn)的鏈路著統(tǒng)一色調(diào)，具體過程為：

（1） 對將sink節(jié)點(diǎn)當(dāng)成入節(jié)點(diǎn)的鏈路設(shè)置相應(yīng)的色調(diào)，基于RSSI值將鏈路從高到低進(jìn)行布置，再為各鏈路設(shè)置6種基本色調(diào)，循環(huán)運(yùn)行，直至全部鏈路都劃分到指派色調(diào)。再基于式（1）～式（3）塑造三元組，其中用于描述設(shè)置色調(diào)過程，RSSI用于描述鏈路質(zhì)量。向各鏈路設(shè)置一個HA消息，并向其他節(jié)點(diǎn)傳輸該消息，該消息中有鏈路出節(jié)點(diǎn)、入節(jié)點(diǎn)以及三元組。

（2） 為收集到HA消息的鏈路建立三元組，其取值為用于描述消息中的三元組飽和度分量，表示消中顏色三元組的色調(diào)分量[6]。最后變成一個RHA消息反饋給sink節(jié)點(diǎn)，其中存在鏈路出節(jié)點(diǎn)、入節(jié)點(diǎn)以及三元組信息。向目前全部節(jié)點(diǎn)為入節(jié)點(diǎn)的鏈路塑造三元組，其中，和值同過程（2）一致，而向各條鏈路集成一個HA消息，并將該消息傳輸給其他節(jié)點(diǎn)。

（3） 采集其他節(jié)點(diǎn)的消息時(shí)，采集節(jié)點(diǎn)將該消息中的內(nèi)容存儲到當(dāng)前鏈路表。

（4） 如果網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)不再形成新HA消息，則終止算法。

上述過程將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的各鏈路都映射到色彩空間的某個點(diǎn)值，對應(yīng)于不同的色彩平面。

1.2.2 不相交多路徑路由容錯過程

為了增強(qiáng)系統(tǒng)對不相交多路徑路由的容錯能力，系統(tǒng)將色彩平面劃分成A類型和B類型，并分別進(jìn)行路徑選擇分析，實(shí)現(xiàn)不相交多路徑路由的容錯處理。若將某節(jié)點(diǎn)變成出節(jié)點(diǎn)鏈路[7]，此鏈路在色彩平面里，則把此彩平面變成當(dāng)前節(jié)點(diǎn)A類型的色彩平面，反之把它設(shè)為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)B類型的色彩平面。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的源節(jié)點(diǎn)向sink節(jié)點(diǎn)輸送數(shù)據(jù)包的進(jìn)程中，能使用多條不相交的傳送路徑輸送數(shù)據(jù)包，路由容錯進(jìn)程如下：

（1） A類型色彩平面操作

把源節(jié)點(diǎn)當(dāng)作出節(jié)點(diǎn)，且在A類型色彩平面的鏈路中當(dāng)成源節(jié)點(diǎn)路徑的開始鏈路，在數(shù)據(jù)包首部存入色調(diào)，再向該鏈路入節(jié)點(diǎn)反饋數(shù)據(jù)包，向暫態(tài)鏈路集中融入該鏈路。

（2） B類型色彩平面操作

源節(jié)點(diǎn)發(fā)送REQ消息，檢索鄰居節(jié)點(diǎn)是否含有處于B類型色彩平面的鏈路，如果存在，則鄰居節(jié)點(diǎn)會反饋REP消息，源節(jié)點(diǎn)分析暫態(tài)鏈路集中是否包含REP消息中的鏈路，若包含，則將該鏈路當(dāng)成開始鏈路，并向數(shù)據(jù)包首部融入色調(diào)信息，再向鏈路入節(jié)點(diǎn)反饋數(shù)據(jù)包，終止REP消息的采集[8]，將鏈路存儲在暫態(tài)鏈路集；否則，等待REP消息。直至不再獲取REP消息，以及全部REP消息的鏈路不屬于暫態(tài)鏈路集，則結(jié)束路徑選擇，同時(shí)將暫態(tài)鏈路集中的內(nèi)容全部刪除。

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸穩(wěn)定性強(qiáng)的情況下，采用飽和度優(yōu)先方案選擇后續(xù)鏈路；否則采用亮度優(yōu)先方案選擇后續(xù)鏈路。

1.2.3 調(diào)整不相交多路徑路由纏繞

系統(tǒng)通過動態(tài)時(shí)間間隔的鏈路RSSI檢索方案檢索動態(tài)節(jié)點(diǎn)，完成不相交多路徑纏繞的調(diào)整，提高網(wǎng)絡(luò)通信效率。具體過程為：

如果檢索節(jié)點(diǎn)驅(qū)動RSSI檢索事件[9]，則將RSSI檢索申請RDQ消息反饋給鄰居節(jié)點(diǎn)，鄰居節(jié)點(diǎn)塑造三元組，設(shè)置以及分別是鄰居節(jié)點(diǎn)的下屬HA消息的色調(diào)和亮度分量，鄰居節(jié)點(diǎn)將RSSI檢索響應(yīng)REP消息反饋給檢索節(jié)點(diǎn)。檢索節(jié)點(diǎn)收集到REP信息后，經(jīng)過信息中的鏈路色彩三元組對目前鏈路列表實(shí)行整理。完成RSSI檢索后，若新融入的鏈路和過濾的鏈路數(shù)高于調(diào)整鏈路數(shù)，則說明檢索節(jié)點(diǎn)移向其他位置，否則說明檢索節(jié)點(diǎn)未變化。系統(tǒng)設(shè)置鏈路RSSI檢索的時(shí)間間隔是動態(tài)變化的，將時(shí)間間隔設(shè)置成高間隔以及短間隔先將節(jié)點(diǎn)鏈路RSSI檢索間隔設(shè)置成如果當(dāng)前檢索結(jié)果是節(jié)點(diǎn)位置變化，則將檢索間隔降低一半；否則，將檢索間隔提高一半。最終確保動態(tài)變化高的節(jié)點(diǎn)檢索間隔降低；而動態(tài)變化低的節(jié)點(diǎn)檢索間隔增加。

上述描述的鏈路RSSI檢索方案，不僅可檢測節(jié)點(diǎn)的位置變化情況[10]，并且還可對鏈路情況進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)不相交多路徑纏繞問題的調(diào)整。

2 仿真實(shí)驗(yàn)分析

采用仿真實(shí)驗(yàn)將本文方法同DCBM方法相對比，分析兩種方法的數(shù)據(jù)傳輸成功率、網(wǎng)絡(luò)吞吐量以及能量消耗。實(shí)驗(yàn)仿真場景將全部節(jié)點(diǎn)任意安裝在500 m×500 m的范圍中，sink節(jié)點(diǎn)處于范圍的核心，將節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率傳輸距離設(shè)置成40 m，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速率為300 Kb/s，信道滯后為0.2 s。

2.1 數(shù)據(jù)傳輸成功率

本文方法和DCBM方法的數(shù)據(jù)傳輸成功率對比情況如圖3所示，其中圖3（a）用于描述單路徑傳輸下，節(jié)點(diǎn)最高移動效率隨著數(shù)據(jù)傳輸成功率的波動情況；圖3（b）用于描述節(jié)點(diǎn)在最高移動效率固定狀態(tài)中，通過多條路徑傳輸數(shù)據(jù)的成功率情況。分析圖3（a）可得，多路徑傳輸數(shù)據(jù)狀態(tài)下，在節(jié)點(diǎn)移動效率不斷提升時(shí)，兩種方法的數(shù)據(jù)傳輸成功率都降低，并且DCBM方法降低的幅度更大。本文方法在最高移動效率低于5 m/s的狀態(tài)下，單路徑數(shù)據(jù)傳輸成功率高于70%。分析圖3（b）可得，在節(jié)點(diǎn)最高移動效率為3 m/s的情況下，采用多路徑傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，本文方法的數(shù)據(jù)傳輸成功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于DCBM方法，如果路徑數(shù)量高于3，本文方法的數(shù)據(jù)傳輸成功率高于86%，主要是因?yàn)楸疚姆椒蓪Σ幌嘟欢嗦窂嚼p繞問題進(jìn)行調(diào)整，提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β省?/p>

2.2 網(wǎng)絡(luò)吞吐量

實(shí)驗(yàn)檢測兩種方法下的網(wǎng)絡(luò)吞吐量，結(jié)果如圖4所示。實(shí)驗(yàn)將sink節(jié)點(diǎn)在單位時(shí)間中采集的數(shù)據(jù)包量看成網(wǎng)絡(luò)吞吐量。所有節(jié)點(diǎn)間距0.22 s產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)包，經(jīng)過多個路徑向sink節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)包，sink節(jié)點(diǎn)對采集到的數(shù)據(jù)包量進(jìn)行匯總。圖4（a）用于描述節(jié)點(diǎn)最高移動效率增加后，兩種方法的網(wǎng)絡(luò)吞吐量波動情況；圖4（b）用于描述節(jié)點(diǎn)數(shù)量的不斷提升后，兩種方法的網(wǎng)絡(luò)吞吐量波動情況。分析圖4可得，相對于DCBM方法，在節(jié)點(diǎn)動態(tài)變化狀態(tài)下，本文方法可獲取更高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，關(guān)鍵是因?yàn)楸疚姆椒ㄔ诙鄠€不相交的路徑纏繞情況下，能獲得更高的輸送成功率，大大增加了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)包量的成功率。

2.3 能量消耗

實(shí)驗(yàn)對比分析了兩種方法對不相交路徑路由容錯纏繞調(diào)整過程的耗能情況，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量為300，最高移動效率是3 m/s，隨著sink節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)包量的增加，兩種方法的能耗如圖5所示。實(shí)驗(yàn)采用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)輸送1個數(shù)據(jù)包損耗2個單位能量，收集1個數(shù)據(jù)包耗費(fèi)1個單位能量，節(jié)點(diǎn)間距1 s產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)包，并將該數(shù)據(jù)包傳輸給sink節(jié)點(diǎn)。從圖5中能夠看出，本文方法的能耗比DCBM方法低，本文方法能夠通過動態(tài)時(shí)間間隔對信息的傳輸頻率進(jìn)行管理，最終使得網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包傳輸能耗降低。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不相交多路徑路由容錯纏繞系統(tǒng)，其經(jīng)過對鏈路著色，達(dá)到不相交的多個路徑檢索及劃分，并根據(jù)RSSI檢索路徑的調(diào)整方案解決節(jié)點(diǎn)路徑纏繞問題。

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