無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的設(shè)計與實現(xiàn)

張 瑾，劉會芳

（武警山西省總隊通信大隊，太原 030012）

0 引言

傳統(tǒng)的傳感器節(jié)點通常用于測量諸如溫度、壓力、濕度等標(biāo)量物理量，但較新版本的無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)（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(shù)據(jù)。通常，WMSN是由在網(wǎng)絡(luò)邊緣具有一個或若干個接收器的傳感器節(jié)點所組成，這些接收器可以放置在室內(nèi)或室外環(huán)境中，目前，WMSN已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于建筑物監(jiān)測、工廠管理、生物種群或野生生物監(jiān)測和跟蹤等多個領(lǐng)域。一方面，WMSN是一種自配置網(wǎng)絡(luò)，在配置路由路徑、電源管理、感知事件、周期性數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(yōu)化，并導(dǎo)致了對服務(wù)質(zhì)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(shù)的沖突幾乎不可能解決，但在能量消耗和QoS之間的最優(yōu)平衡卻是可以實現(xiàn)的。傳感器節(jié)點的功耗主要由無線收發(fā)器和數(shù)據(jù)計算處理兩部分組成。由于數(shù)字信號處理器的存在，收發(fā)器消耗放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器等模擬器件的高功率，而數(shù)據(jù)處理部分僅消耗少量的功率。在后者的基礎(chǔ)上，QoS是衡量傳輸延遲的一個重要指標(biāo)，可以用于糾正在接收器節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)包[3-9]。

WMSN路由協(xié)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(wǎng)按需平面距離向量路由協(xié)議（Ad hoc on-demand distance vector routing protocol，AODV）[12]使用了兩種路由技術(shù)：路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)，并使用了三種控制信號：路由請求（Route Request，RREQ）、路由應(yīng)答（Route Reply，RREP）和路由錯誤（Route Error，RERR）。當(dāng)源結(jié)點開始向目標(biāo)節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時且沒有發(fā)現(xiàn)有效路徑時，路由發(fā)現(xiàn)技術(shù)將會起作用，源結(jié)點將通過向鄰居結(jié)點發(fā)送路由請求RREQ數(shù)據(jù)包來開始路由發(fā)現(xiàn)步驟，這些數(shù)據(jù)包將被轉(zhuǎn)發(fā)給鄰居結(jié)點，直到到達(dá)目標(biāo)結(jié)點或找到具有到達(dá)目標(biāo)結(jié)點的新路由路徑的中間結(jié)點。中間結(jié)點通過轉(zhuǎn)發(fā)RREQ的過程，在路由表中記錄廣播包的第一副本中鄰居結(jié)點的地址，并建立反向路徑，隨后源節(jié)點將忽略稍后接收到的任何RREQ數(shù)據(jù)包。使用反向路徑將RREP數(shù)據(jù)包進(jìn)行返回，并在此路徑中結(jié)點的路由表中設(shè)置轉(zhuǎn)發(fā)路由條目，該路由條目將在收到REEP后啟動。

AODV中的路由維護(hù)將在連接失敗時使用RERR包。RERR從連接到相應(yīng)路由源結(jié)點連接失敗的瞬間開始，通知源節(jié)點連接失敗，并啟動RREQ進(jìn)程加以修復(fù)。

動態(tài)按需無線自組織網(wǎng)絡(luò)（Dynamic MANET On-demand，DYMO）[13]路由協(xié)議主要用于VANETs。DYMO的作用類似于AODV，且對于AODV協(xié)議沒有任何額外的特性或增強。相比較而言，DYMO協(xié)議簡化了AODV，同時保留了基本的操作步驟。DYMO包括兩個協(xié)議步驟：路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)。當(dāng)源結(jié)點要將數(shù)據(jù)包發(fā)送到一個不在其路由表內(nèi)的目標(biāo)結(jié)點時，DYMO的路由發(fā)現(xiàn)將會發(fā)揮作用。當(dāng)路由請求消息通過廣播被淹沒于傳感器網(wǎng)絡(luò)中，且當(dāng)數(shù)據(jù)包到達(dá)目標(biāo)結(jié)點時，將返回一條回復(fù)消息，其中包含發(fā)現(xiàn)的路徑信息。

貪婪周邊無狀態(tài)路由無線網(wǎng)絡(luò)（Greedy Perimeter Stateless Routing for Wireless Networks，GPSR）[14，15]使 用 結(jié) 點 的 位 置和分組轉(zhuǎn)發(fā)決策，并被用于MANETs。與其他協(xié)議不同的是，GPSR協(xié)議僅利用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲新酚善鹘彽男畔⑦M(jìn)行貪婪轉(zhuǎn)發(fā)決策，且基于地理位置路由加以工作。GPSR協(xié)議中的每個結(jié)點都知道自己的位置和直接的單跳鄰居結(jié)點位置，并在每個包中包含目標(biāo)節(jié)點的地理位置信息。傳感器結(jié)點使用貪婪轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)將數(shù)據(jù)包發(fā)送到距離目標(biāo)結(jié)點最近的近鄰結(jié)點。如果傳感器結(jié)點無法使用貪婪轉(zhuǎn)發(fā)將數(shù)據(jù)包發(fā)送到其靠近目的地的直接結(jié)點，則GPSR將使用周界轉(zhuǎn)發(fā)。周界轉(zhuǎn)發(fā)將數(shù)據(jù)包繞洞路由，直到它到達(dá)距離目標(biāo)最近的結(jié)點，貪婪轉(zhuǎn)發(fā)再次接管路由。

然而，AODV，DYMO和GPSR三種路由協(xié)議均存在一定的設(shè)計不足。在此背景下，本文提出一種基于貪婪轉(zhuǎn)發(fā)的能量感知多路徑路由協(xié)議（Greedy Forward Energy-aware Multipath Routing Protocol，GFEMRP），該協(xié)議能夠有效地克服上述三種路由協(xié)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(zhuǎn)發(fā)的能量感知多路徑路由協(xié)議

GFEMRP協(xié)議主要設(shè)計思路包括可靠路由和數(shù)據(jù)路由的負(fù)載均衡，從而實現(xiàn)提升網(wǎng)絡(luò)生存期，并減少整個網(wǎng)絡(luò)中最常用傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)排隊時間。經(jīng)典的貪婪轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議通常使用相同的路由路徑，但這會導(dǎo)致能量耗盡和一些結(jié)點的關(guān)閉，此外，較為復(fù)雜的過程也會造成顯著的端到端延遲。在GFEMRP協(xié)議中，多媒體流通過不同的路徑加以發(fā)送。在每個轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點上，基于以下信息決定如何將數(shù)據(jù)發(fā)送到鄰居結(jié)點并建立連接：

（1）GFEMRP是一種地理路由協(xié)議，每個結(jié)點均知道自己的地理坐標(biāo)和鄰居結(jié)點。

（2）轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點到目的結(jié)點的距離。

（3）轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點及其鄰居結(jié)點的吞吐量。

（4）結(jié)點處的剩余能級。

（5）數(shù)據(jù)包訪問的躍點數(shù)。

（6）鄰居結(jié)點與目的結(jié)點間的距離。

（7）屬于同一流的轉(zhuǎn)發(fā)包的歷史記錄。

（8）傳感器結(jié)點的速度。

GFEMRP路由協(xié)議首先基于使用吞吐量的初始值選擇最短路徑，并假設(shè)所有結(jié)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(jié)點中的吞吐量將使用信標(biāo)消息與鄰居結(jié)點進(jìn)行交換。起初，轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點將檢查鄰居結(jié)點到目的結(jié)點的距離是否小于自身到目的節(jié)點的距離，若小于則檢查結(jié)點吞吐量，并將其作為最佳值；其次，將在整個網(wǎng)絡(luò)中存儲結(jié)點的地址、結(jié)點到目的結(jié)點的距離及對應(yīng)的吞吐量值；最后，將選擇吞吐量大、距離較短的結(jié)點作為下一跳結(jié)點。對應(yīng)地，信標(biāo)信息將對傳感器結(jié)點使用新的吞吐量值和其他信息不斷加以更新，其中信標(biāo)信息的間隔時間將基于傳感器結(jié)點的速度加以變化。顯然，轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點能夠確定下一跳選擇過程中的局部最優(yōu)，GFEMRP協(xié)議的執(zhí)行流程圖如圖1所示。

圖1 GFEMRP協(xié)議流程

然而，在某些情況下，轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點無法找到下一跳結(jié)點，即路由路徑中出現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)黑洞，主要有兩個原因：靜態(tài)黑洞主要源于結(jié)點所處的結(jié)構(gòu)位置；動態(tài)黑洞則是由于能量泄漏導(dǎo)致傳感器結(jié)點關(guān)閉時而產(chǎn)生的。如果無線電發(fā)射機區(qū)域中有工作結(jié)點，則GFEMRP能夠?qū)诙醇右蕴幚聿⒛軌蚴褂眯碌穆酚陕窂?。?dāng)轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點在貪婪轉(zhuǎn)發(fā)中找不到下一跳時，將使用周邊轉(zhuǎn)發(fā)。以圖2為例，轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點NF查找路由路徑中的黑洞，而周長轉(zhuǎn)發(fā)用于根據(jù)結(jié)點的條件將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到Nx1或Ny1，最后一步是GFEMRP將使用貪婪轉(zhuǎn)發(fā)模式查找到下一跳結(jié)點。

圖2 周邊轉(zhuǎn)發(fā)流程

2 實驗結(jié)果與分析

為了驗證本文所提出的協(xié)議的有效性，本節(jié)將GFEMRP協(xié)議與AODV、DYMO和GPSR三種路由協(xié)議進(jìn)行了比較。仿真場景為1500×500m的區(qū)域，并發(fā)送20kbps多媒體數(shù)據(jù)的均勻WMSN網(wǎng)絡(luò)，傳感區(qū)域邊緣分別有兩個源結(jié)點和一個目的結(jié)點，并使用OMNET++ 5.0和INET框架對協(xié)議進(jìn)行了仿真，詳細(xì)的仿真參數(shù)如表1所示。在移動速度為5、10、15、20m/s的55個傳感器結(jié)點場景下，對GFEMRP協(xié)議在不同流量條件下的有效性進(jìn)行了仿真實驗。

表1 仿真參數(shù)

（1）端到端延遲（End-to-End Delay，E2ED）：使用圖2所示的多路徑傳輸拓?fù)淇梢杂行p少E2ED。從圖3所示的仿真結(jié)果不難看出，在傳感器結(jié)點的介質(zhì)密度中，GFEMRP表現(xiàn)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(jié)點來選擇的；AODV和DYMO路由技術(shù)相似，源結(jié)點需要發(fā)送路由請求并等待，只有在收到RREP后才可以發(fā)送數(shù)據(jù)；GPSR僅使用了最短路徑，但由于數(shù)據(jù)包需要在相鄰結(jié)點的緩沖區(qū)排隊，因此最短路徑并非總能提供最快路由。因此，基于結(jié)點的可用性，GFEMRP協(xié)議為多媒體數(shù)據(jù)實時傳輸或非延遲容忍業(yè)務(wù)提供了一條特殊的傳輸路徑。

圖3 端到端延遲實驗結(jié)果

（2）丟包率（Packet Loss Radio，PLR）：PLR是定義WMSN路由協(xié)議性能的另一個參數(shù)，實驗結(jié)果如圖4所示。與GPSR協(xié)議相比，GFEMRP協(xié)議在中密度網(wǎng)絡(luò)中顯示出更好的性能；由于移動性造成了源節(jié)點位置的改變，導(dǎo)致AODV協(xié)議和DYMO協(xié)議的仿真結(jié)果出現(xiàn)了很高的丟包率?？傮w來說，與其他協(xié)議相比，GFEMRP協(xié)議在延遲和包錯誤率方面均給出了最好的結(jié)果，滿足了多媒體數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅绕涫窃诰哂杏矔r延約束的應(yīng)用領(lǐng)域。包錯誤率的差異主要源于每個協(xié)議中使用了不同的路由技術(shù)。需要指出的是，GFEMRP協(xié)議需要一個預(yù)熱期來計算吞吐量，在此期間，默認(rèn)吞吐量將被假定為最小值。由實驗結(jié)果得到的最高吞吐量值不會超過物理層數(shù)據(jù)速率的60%。

圖4 丟包率實驗結(jié)果

3 結(jié)束語

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