無線傳感器網絡路由協議的設計與實現

張 瑾，劉會芳

（武警山西省總隊通信大隊，太原 030012）

0 引言

傳統的傳感器節點通常用于測量諸如溫度、壓力、濕度等標量物理量，但較新版本的無線多媒體傳感器網絡（Wireless Multi Sensor Network，WMSN）[1，2]卻能夠傳輸諸如音頻流、靜止圖像、視頻等一系列多媒體數據。通常，WMSN是由在網絡邊緣具有一個或若干個接收器的傳感器節點所組成，這些接收器可以放置在室內或室外環境中，目前，WMSN已經被廣泛應用于建筑物監測、工廠管理、生物種群或野生生物監測和跟蹤等多個領域。一方面，WMSN是一種自配置網絡，在配置路由路徑、電源管理、感知事件、周期性數據采集、數據傳輸過程中不需要用戶接口；另一方面，WMSN要求高可靠性、高數據速率和低計算能力，并具有便攜性。然而，這些相互沖突和矛盾的需求顯然需要優化，并導致了對服務質量QoS的限制和傳感器壽命的縮短。從硬件組件的物理特性來看，WMSN參數的沖突幾乎不可能解決，但在能量消耗和QoS之間的最優平衡卻是可以實現的。傳感器節點的功耗主要由無線收發器和數據計算處理兩部分組成。由于數字信號處理器的存在，收發器消耗放大器、模數轉換器等模擬器件的高功率，而數據處理部分僅消耗少量的功率。在后者的基礎上，QoS是衡量傳輸延遲的一個重要指標，可以用于糾正在接收器節點接收到的數據包[3-9]。

WMSN路由協議更注重QoS[10]，它支持滿足端到端延遲并提供能量效率的流媒體[11]。

無線自組網按需平面距離向量路由協議（Ad hoc on-demand distance vector routing protocol，AODV）[12]使用了兩種路由技術：路由發現和路由維護，并使用了三種控制信號：路由請求（Route Request，RREQ）、路由應答（Route Reply，RREP）和路由錯誤（Route Error，RERR）。當源結點開始向目標節點發送數據時且沒有發現有效路徑時，路由發現技術將會起作用，源結點將通過向鄰居結點發送路由請求RREQ數據包來開始路由發現步驟，這些數據包將被轉發給鄰居結點，直到到達目標結點或找到具有到達目標結點的新路由路徑的中間結點。中間結點通過轉發RREQ的過程，在路由表中記錄廣播包的第一副本中鄰居結點的地址，并建立反向路徑，隨后源節點將忽略稍后接收到的任何RREQ數據包。使用反向路徑將RREP數據包進行返回，并在此路徑中結點的路由表中設置轉發路由條目，該路由條目將在收到REEP后啟動。

AODV中的路由維護將在連接失敗時使用RERR包。RERR從連接到相應路由源結點連接失敗的瞬間開始，通知源節點連接失敗，并啟動RREQ進程加以修復。

動態按需無線自組織網絡（Dynamic MANET On-demand，DYMO）[13]路由協議主要用于VANETs。DYMO的作用類似于AODV，且對于AODV協議沒有任何額外的特性或增強。相比較而言，DYMO協議簡化了AODV，同時保留了基本的操作步驟。DYMO包括兩個協議步驟：路由發現和路由維護。當源結點要將數據包發送到一個不在其路由表內的目標結點時，DYMO的路由發現將會發揮作用。當路由請求消息通過廣播被淹沒于傳感器網絡中，且當數據包到達目標結點時，將返回一條回復消息，其中包含發現的路徑信息。

貪婪周邊無狀態路由無線網絡（Greedy Perimeter Stateless Routing for Wireless Networks，GPSR）[14，15]使 用 結 點 的 位 置和分組轉發決策，并被用于MANETs。與其他協議不同的是，GPSR協議僅利用網絡拓撲中路由器近鄰的信息進行貪婪轉發決策，且基于地理位置路由加以工作。GPSR協議中的每個結點都知道自己的位置和直接的單跳鄰居結點位置，并在每個包中包含目標節點的地理位置信息。傳感器結點使用貪婪轉發技術將數據包發送到距離目標結點最近的近鄰結點。如果傳感器結點無法使用貪婪轉發將數據包發送到其靠近目的地的直接結點，則GPSR將使用周界轉發。周界轉發將數據包繞洞路由，直到它到達距離目標最近的結點，貪婪轉發再次接管路由。

然而，AODV，DYMO和GPSR三種路由協議均存在一定的設計不足。在此背景下，本文提出一種基于貪婪轉發的能量感知多路徑路由協議（Greedy Forward Energy-aware Multipath Routing Protocol，GFEMRP），該協議能夠有效地克服上述三種路由協議的不足，具有良好的端到端時延、丟包率等性能。

1 基于貪婪轉發的能量感知多路徑路由協議

GFEMRP協議主要設計思路包括可靠路由和數據路由的負載均衡，從而實現提升網絡生存期，并減少整個網絡中最常用傳感器節點的數據排隊時間。經典的貪婪轉發協議通常使用相同的路由路徑，但這會導致能量耗盡和一些結點的關閉，此外，較為復雜的過程也會造成顯著的端到端延遲。在GFEMRP協議中，多媒體流通過不同的路徑加以發送。在每個轉發結點上，基于以下信息決定如何將數據發送到鄰居結點并建立連接：

（1）GFEMRP是一種地理路由協議，每個結點均知道自己的地理坐標和鄰居結點。

（2）轉發結點到目的結點的距離。

（3）轉發結點及其鄰居結點的吞吐量。

（4）結點處的剩余能級。

（5）數據包訪問的躍點數。

（6）鄰居結點與目的結點間的距離。

（7）屬于同一流的轉發包的歷史記錄。

（8）傳感器結點的速度。

GFEMRP路由協議首先基于使用吞吐量的初始值選擇最短路徑，并假設所有結點的吞吐量初始值均相等。通常情況下，這個初始值是一個最小值，隨后將計算得出一個新的吞吐量值，用于替換初始值。傳感器結點中的吞吐量將使用信標消息與鄰居結點進行交換。起初，轉發結點將檢查鄰居結點到目的結點的距離是否小于自身到目的節點的距離，若小于則檢查結點吞吐量，并將其作為最佳值；其次，將在整個網絡中存儲結點的地址、結點到目的結點的距離及對應的吞吐量值；最后，將選擇吞吐量大、距離較短的結點作為下一跳結點。對應地，信標信息將對傳感器結點使用新的吞吐量值和其他信息不斷加以更新，其中信標信息的間隔時間將基于傳感器結點的速度加以變化。顯然，轉發結點能夠確定下一跳選擇過程中的局部最優，GFEMRP協議的執行流程圖如圖1所示。

圖1 GFEMRP協議流程

然而，在某些情況下，轉發結點無法找到下一跳結點，即路由路徑中出現了網絡黑洞，主要有兩個原因：靜態黑洞主要源于結點所處的結構位置；動態黑洞則是由于能量泄漏導致傳感器結點關閉時而產生的。如果無線電發射機區域中有工作結點，則GFEMRP能夠對黑洞加以處理并能夠使用新的路由路徑。當轉發結點在貪婪轉發中找不到下一跳時，將使用周邊轉發。以圖2為例，轉發結點NF查找路由路徑中的黑洞，而周長轉發用于根據結點的條件將數據轉發到Nx1或Ny1，最后一步是GFEMRP將使用貪婪轉發模式查找到下一跳結點。

圖2 周邊轉發流程

2 實驗結果與分析

為了驗證本文所提出的協議的有效性，本節將GFEMRP協議與AODV、DYMO和GPSR三種路由協議進行了比較。仿真場景為1500×500m的區域，并發送20kbps多媒體數據的均勻WMSN網絡，傳感區域邊緣分別有兩個源結點和一個目的結點，并使用OMNET++ 5.0和INET框架對協議進行了仿真，詳細的仿真參數如表1所示。在移動速度為5、10、15、20m/s的55個傳感器結點場景下，對GFEMRP協議在不同流量條件下的有效性進行了仿真實驗。

表1 仿真參數

（1）端到端延遲（End-to-End Delay，E2ED）：使用圖2所示的多路徑傳輸拓撲可以有效減少E2ED。從圖3所示的仿真結果不難看出，在傳感器結點的介質密度中，GFEMRP表現出最佳的延遲特性，這是因為路徑是基于最短路徑和最高吞吐量的鄰居結點來選擇的；AODV和DYMO路由技術相似，源結點需要發送路由請求并等待，只有在收到RREP后才可以發送數據；GPSR僅使用了最短路徑，但由于數據包需要在相鄰結點的緩沖區排隊，因此最短路徑并非總能提供最快路由。因此，基于結點的可用性，GFEMRP協議為多媒體數據實時傳輸或非延遲容忍業務提供了一條特殊的傳輸路徑。

圖3 端到端延遲實驗結果

（2）丟包率（Packet Loss Radio，PLR）：PLR是定義WMSN路由協議性能的另一個參數，實驗結果如圖4所示。與GPSR協議相比，GFEMRP協議在中密度網絡中顯示出更好的性能；由于移動性造成了源節點位置的改變，導致AODV協議和DYMO協議的仿真結果出現了很高的丟包率?？傮w來說，與其他協議相比，GFEMRP協議在延遲和包錯誤率方面均給出了最好的結果，滿足了多媒體數據傳輸的要求，尤其是在具有硬時延約束的應用領域。包錯誤率的差異主要源于每個協議中使用了不同的路由技術。需要指出的是，GFEMRP協議需要一個預熱期來計算吞吐量，在此期間，默認吞吐量將被假定為最小值。由實驗結果得到的最高吞吐量值不會超過物理層數據速率的60%。

圖4 丟包率實驗結果

3 結束語

WMSN應用程序在許多智能應用程序中得到了廣泛地部署和使用，WMSN中的路由協議設計。日益面臨新的挑戰。本文對GFEMRP、GPSR、AODV、DYMO四種路由協議的性能進行了分析與比較。實驗結果表明，與其他協議相比，GFEMRP協議具有較好的整體性能，能夠滿足WMSN的應用需求。