一種快速可靠的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由

引 言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks，簡稱WSNs)是當(dāng)前在國際上備受關(guān)注的涉及多學(xué)科高度交叉的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)等，能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)同工作，完成指定的任務(wù)，并進(jìn)行自組織無線通信網(wǎng)絡(luò)以多跳中繼方式將所感知信息傳送到用戶終端。

WSNs一般運(yùn)行在人們無法接近的惡劣甚至危險(xiǎn)的遠(yuǎn)程環(huán)境中，并且傳感器節(jié)點(diǎn)通常攜帶不能補(bǔ)充的有限能量。低能耗、低延遲、自動修復(fù)路徑成了WSNs最根本的要求。目前所存在的WSNs路由協(xié)議大都不能同時滿足這樣的條件，或者需要依靠特殊硬件才能實(shí)現(xiàn)這些功能，本文提出了一種快速可靠的低能耗路由(a fast andreliable protocol，簡稱為FRP)，不僅可以滿足上面的基本要求，還可以工作于任務(wù)查詢方式及事件驅(qū)動方式，并具有較強(qiáng)的路徑修復(fù)能力。

FRP主要分為3個部分。首先是構(gòu)建路由樹結(jié)構(gòu)，SINK點(diǎn)以洪泛方式向傳感器網(wǎng)絡(luò)傳播路由樹組建消息，使得網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點(diǎn)都擁有自己的級別值和父節(jié)點(diǎn)，然后SINK點(diǎn)將所要查詢的任務(wù)通過路由樹發(fā)布出去;最后源節(jié)點(diǎn)將選擇最短路徑將數(shù)據(jù)反饋給SINK點(diǎn)。FRP主要能夠?qū)崿F(xiàn)以下幾種功能：任務(wù)查詢、事件驅(qū)動以及路徑自我修復(fù)。而這些僅依靠普通的射頻芯片即可實(shí)現(xiàn)，以下將做詳細(xì)介紹。

1 FRP路由的建立與運(yùn)行

1.1 路由樹的建立

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)里，由于受到射頻芯片通信距離的限制，單個節(jié)點(diǎn)無法了解網(wǎng)絡(luò)中全部節(jié)點(diǎn)，只能知道其鄰節(jié)點(diǎn)的一些信息。因此第一步需要建立路由樹結(jié)構(gòu)，讓節(jié)點(diǎn)了解其所處的級別及父節(jié)點(diǎn)。SINK點(diǎn)首先通過洪泛方式向網(wǎng)絡(luò)傳播路由樹組建消息。組建消息由組建標(biāo)志位、發(fā)送節(jié)點(diǎn)ID、發(fā)送節(jié)點(diǎn)級值組成。收到該組建消息的節(jié)點(diǎn)將發(fā)送節(jié)點(diǎn)ID記錄為父節(jié)點(diǎn)，然后將級值加1，并以自身ID和級值更新消息后繼續(xù)向鄰節(jié)點(diǎn)傳播，直到網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)都擁有自己父節(jié)點(diǎn)和級值。由于洪泛傳輸中可能會導(dǎo)致已經(jīng)發(fā)出消息的節(jié)點(diǎn)再次收到鄰節(jié)點(diǎn)將級值加1后重新發(fā)送來的消息，從而導(dǎo)致消息循環(huán)。為了解決該問題，文中制定如下規(guī)則：當(dāng)一個節(jié)點(diǎn)從鄰節(jié)點(diǎn)處收到組建消息時，首先檢查消息中級值是否低于自身級值，如果是，則以該級值更新，并向鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送新的組建消息;否則將不予處理。在組建消息傳播過程中，節(jié)點(diǎn)選擇最早發(fā)送其消息，級值更低的節(jié)點(diǎn)作為父節(jié)點(diǎn)。圖1所示為路由樹的初始化過程。

1.2 任務(wù)查詢機(jī)制

當(dāng)SINK點(diǎn)進(jìn)行任務(wù)查詢時，首先以洪泛方式向整個網(wǎng)絡(luò)發(fā)布任務(wù)查詢命令，該命令主要由任務(wù)查詢標(biāo)志位、任務(wù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)ID、任務(wù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)級別、任務(wù)條件、任務(wù)存活時間等字段組成。收到該命令的節(jié)點(diǎn)，將以記錄的形式將本次任務(wù)存儲在本地存儲器里，每一條記錄代表不同的任務(wù)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到任務(wù)查詢命令時，首先檢查命令中的發(fā)送節(jié)點(diǎn)級別，若低于本身節(jié)點(diǎn)，則與本地存儲的任務(wù)記錄表相比較，如果不存在該任務(wù)，則添加該任務(wù)記錄。然后檢查自身是否滿足該任務(wù)條件，若不滿足，則以本身級點(diǎn)更新任務(wù)查詢命令中的任務(wù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)ID、任務(wù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)級別，然后轉(zhuǎn)發(fā)該命令;否則該節(jié)點(diǎn)即為源節(jié)點(diǎn)，并從任務(wù)查詢命令中取出任務(wù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)ID，作為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，準(zhǔn)備向其發(fā)送任務(wù)確認(rèn)命令。該命令由任務(wù)確認(rèn)標(biāo)志位、源節(jié)點(diǎn)ID、數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)ID、測量數(shù)據(jù)等字段組成。收到任務(wù)確認(rèn)命令的節(jié)點(diǎn)從中取出數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)ID，存儲在任務(wù)記錄中，作為以后相同任務(wù)的子節(jié)點(diǎn)，然后以自身ID作為新的數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)ID更新命令，并從任務(wù)列表中取出該任務(wù)的任務(wù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)作為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)繼續(xù)傳輸任務(wù)確認(rèn)命令，直到返回至SINK點(diǎn)。同時，其它未收到任務(wù)確認(rèn)命令的節(jié)點(diǎn)將會在任務(wù)存活時間到期后，將存儲器中的任務(wù)記錄刪除。在任務(wù)查詢命令廣播過程中，若接收節(jié)點(diǎn)檢測到本地任務(wù)記錄表中存在相同任務(wù)，則從該記錄中取出子節(jié)點(diǎn)作為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，向其發(fā)送任務(wù)查詢命令，避免洪泛傳播，從而大大節(jié)約了能量。

1.3 事件驅(qū)動

當(dāng)某事件被傳感器節(jié)點(diǎn)捕捉時，則該節(jié)點(diǎn)即為源節(jié)點(diǎn)，并向其父節(jié)點(diǎn)發(fā)送事件命令。該命令由事件類型、源節(jié)點(diǎn)ID、發(fā)送節(jié)點(diǎn)ID、測量數(shù)據(jù)組成。收到事件命令的節(jié)點(diǎn)，以自身ID作為新的發(fā)送節(jié)點(diǎn)ID更新命令，向其父節(jié)點(diǎn)繼續(xù)傳輸事件驅(qū)動命令，直到數(shù)據(jù)傳輸至SINK點(diǎn)。

2 路由修復(fù)機(jī)制

本文中的節(jié)點(diǎn)傳輸路徑是唯一的，這樣可以節(jié)約能量，提高效率。但是由于這種唯一性，如果一個節(jié)點(diǎn)電池耗盡或者物理損害而失效，則會導(dǎo)致其下級節(jié)點(diǎn)也脫離了網(wǎng)絡(luò)。目前有些無線傳感器路由協(xié)議針對這一問題，采用通過由SINK點(diǎn)發(fā)起洪泛協(xié)議進(jìn)行路徑修復(fù)的辦法來解決，但是這樣明顯浪費(fèi)能量，而且在洪泛期間，失效節(jié)點(diǎn)的鄰節(jié)點(diǎn)若產(chǎn)生事件將無法傳遞，導(dǎo)致了數(shù)據(jù)丟失。

FRP路徑修復(fù)機(jī)制分為2個部分：節(jié)點(diǎn)狀態(tài)檢測和新目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的選擇。文中采用應(yīng)答機(jī)制來進(jìn)行節(jié)點(diǎn)狀態(tài)檢測。當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)后，若在一定時間內(nèi)，收到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的ACK，則認(rèn)為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)仍然正常工作，并已將數(shù)據(jù)向前傳輸;否則目標(biāo)節(jié)點(diǎn)已經(jīng)死亡，需要另行尋找新的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。如果在任務(wù)查詢方式運(yùn)行過程中，某節(jié)點(diǎn)檢測到子節(jié)點(diǎn)死亡時，按相反路徑發(fā)送命令通知SINK點(diǎn)，進(jìn)行本次任務(wù)的重新路由，建立新的任務(wù)路徑。如果在事件驅(qū)動方式下，當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)其父節(jié)點(diǎn)死亡，則發(fā)送SEARCH消息，鄰節(jié)點(diǎn)將返回ACK。節(jié)點(diǎn)從中選取響應(yīng)時間低的低級別節(jié)點(diǎn)作為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。若無低級別的節(jié)點(diǎn)應(yīng)答，則該節(jié)點(diǎn)將以洪泛方式發(fā)送命令通知SINK點(diǎn)進(jìn)行新的路由樹的建立。其過程如圖2，圖3所示。

3 軟件仿真

本文采用了Visual C++開發(fā)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由仿真平臺。分別研究了從100到500個節(jié)點(diǎn)共5個不同規(guī)模的傳感器區(qū)域。我們建立參數(shù)如表1所示。

PEQ將根據(jù)上述參數(shù)在相同的仿真環(huán)境下與Directed Diffusion協(xié)議(DD協(xié)議)進(jìn)行測試并進(jìn)行以下幾個方面的比較：SINK點(diǎn)-源節(jié)點(diǎn)-SINK點(diǎn)時間延遲;平均延遲;平均消耗能量，以下將分別作以說明。

SINK點(diǎn)-源節(jié)點(diǎn)-SINK點(diǎn)的時間延遲指的是從SINK點(diǎn)發(fā)出查詢信息，到數(shù)據(jù)返回到SINK點(diǎn)所消耗的時間。低的延遲時間可以保證用戶有更充足的時間來處理突發(fā)事件。FRP主要通過SINK點(diǎn)發(fā)布任務(wù)查詢命令建立路徑，源節(jié)點(diǎn)沿著該路徑反方向?qū)��?shù)據(jù)傳輸給SINK點(diǎn)。而DD協(xié)議則是通過SINK點(diǎn)發(fā)布興趣給網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)收到后，源節(jié)點(diǎn)通過多個路徑傳送數(shù)據(jù)給SINK點(diǎn)，SINK點(diǎn)收到后，并從中選擇更快捷的路徑加強(qiáng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。FRP比DD協(xié)議在步驟上更簡潔，從而獲得更低的延遲效果。其仿真數(shù)據(jù)如圖4所示：

平均延遲指的是仿真中所產(chǎn)生的事件從源節(jié)點(diǎn)傳播到SINK點(diǎn)需要的平均時間。仿真數(shù)據(jù)如圖5所示，結(jié)果表明，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，PEQ協(xié)議顯示了比DD協(xié)議更好的延遲特性。

平均消耗能量指的是仿真結(jié)束后，節(jié)點(diǎn)平均所消耗的能量。仿真數(shù)據(jù)如圖6所示，結(jié)果表明，F(xiàn)RP比DD更節(jié)約能量。原因在于FRP在數(shù)據(jù)傳輸中僅使用單一路徑，而DD協(xié)議在數(shù)據(jù)傳輸中會使用多個傳輸路徑，并對其中傳輸速度慢的路徑進(jìn)行反向增強(qiáng)，產(chǎn)生了能量消耗。

4 結(jié) 論

本文提出了一種新的無線傳感器路由協(xié)議FRP，經(jīng)過與DD協(xié)議仿真比較，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，無論是小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)(100個節(jié)點(diǎn))，還是中大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)(300～500個節(jié)點(diǎn))，F(xiàn)RP都具有更短的時間延遲和較低的能量消耗。并且該協(xié)議已經(jīng)在基于MSP430F123和NRF2401的硬件節(jié)點(diǎn)上成功應(yīng)用�，F(xiàn)場試驗(yàn)表明，該路由反應(yīng)迅速，自我修復(fù)能力強(qiáng)，可以滿足無線傳感器實(shí)時監(jiān)測應(yīng)用的要求。