摘 要：集成了傳感器、嵌入式計算、網(wǎng)絡和無線通信四大技術而形成的無線傳感器網(wǎng)絡是一種全新的信息獲取和處理技術，本文在借鑒了各類成熟路由協(xié)議的基礎上，以有效節(jié)約能源，延長網(wǎng)絡生命周期為目的，設計出一種基于協(xié)商機制的層次型路由協(xié)議。并最后經(jīng)ns2平臺上的仿真測試，NBLEP基本達到了無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議設計目標。 關鍵字：無線傳感器網(wǎng)絡;協(xié)商機制;NBLEP;NS2 [align=center][b]Design and implement for high efficiency route protocol of wireless sensor network[/b][/align] Abstract: Wireless Sensor network（WSN）, which is integrated with sensor，nested computation, networks and wireless communication technologies, is a novel technology about acquiring and processing information. Paper is based on sorts of mature routing protocols, and intent on lower-consummation and extended network lifecycle, then author put forward a new and efficient routing protocol what is a negotiation based hierarchical routing protocol—NBLEP. At last, through simulation testing on NS2 platform, NBLEP routing protocol achieved the design goal for wireless sensor network. Keywords: wireless sensor network; negotiation based; NBLEP; NS2 1 引言 　　無線傳感器網(wǎng)絡是一種無基礎設施的無線網(wǎng)絡，它綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、分布式信息處理技術和無線通信技術，能夠協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對這些數(shù)據(jù)進行處理，獲得詳盡而準確的信息，隨后傳送到需要這些信息的用戶。 　　麻省理工學院的《技術評論》雜志（Technology Review）評出了對人類未來生活產(chǎn)生深遠影響的十大新興技術，無線傳感器網(wǎng)絡即位于這十種新技術之首。無線傳感器網(wǎng)絡處于新技術的最前沿，目前尚存在著許多值得探討的熱點課題，國內(nèi)外學者正在進行深入研究。不同的研究人員對無線傳感器網(wǎng)絡的許多問題都有不同觀點。 2 現(xiàn)有路由協(xié)議分析 　　無線傳感器網(wǎng)絡的路由協(xié)議目前正是國外研究的熱點，各種路由協(xié)議在不同的應用環(huán)境和性能評價指標下各有千秋。論文簡要介紹其中一些典型的路由協(xié)議，這里將分析這些協(xié)議的基本原理，借鑒前人的設計思想，從而結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡的特點，設計出新的更適合的路由協(xié)議。 　　2.1擴散法 　　擴散法（Flooding）是一種傳統(tǒng)的網(wǎng)絡路由協(xié)議。當節(jié)點S需要發(fā)送數(shù)據(jù)給節(jié)點D時，節(jié)點S首先通過網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)副本傳送給它的每一個鄰居節(jié)點，每一個鄰居節(jié)點又將其傳輸給各自的每一個鄰居節(jié)點，除了剛剛給它們發(fā)送數(shù)據(jù)副本的節(jié)點S外。如此繼續(xù)下去，直到將數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥繕斯?jié)點D或者為該數(shù)據(jù)所設定的生命期限變?yōu)榱銥橹?，亦或所有?jié)點均擁有此數(shù)據(jù)副本。 　　擴散法實現(xiàn)簡單，不需要消耗太多的計算資源，適用于健壯性要求高的場合。但是該方式同時存在信息爆炸，部分重疊等問題，盲目資源消耗，一個節(jié)點可能出現(xiàn)一個數(shù)據(jù)多個副本的現(xiàn)象。 　　2.2 SPIN協(xié)議 　　SPIN是一種以數(shù)據(jù)為中心的自適應通信路由協(xié)議。其目標是通過使用節(jié)點間的協(xié)商制度和資源自適應機制，解決擴散法存在的不足之處。為了避免出現(xiàn)擴散法的信息爆炸問題和部分重疊現(xiàn)象，SPIN協(xié)議在傳感器節(jié)點傳送數(shù)據(jù)之前彼此進行協(xié)商，以確保只傳輸有用數(shù)據(jù)。同時在傳輸或接收數(shù)據(jù)之前，每個傳感器節(jié)點都檢查各自可用的能量狀況，處于低能量水平時則中斷某些操作。 　　SPIN的缺點在于在傳輸新數(shù)據(jù)的過程中，直接向鄰居節(jié)點廣播ADV數(shù)據(jù)包，而沒有考慮其所有鄰居節(jié)點由于自身能量的原因，不愿承擔起轉(zhuǎn)發(fā)新數(shù)據(jù)的功能，導致新數(shù)據(jù)無法傳輸出現(xiàn)“數(shù)據(jù)盲點”，進而影響整個網(wǎng)絡信息的收集。 　　2.3 MTE協(xié)議 　　在MTE協(xié)議中，傳感器節(jié)點選擇離自己平面距離最近的鄰居節(jié)點進行路由中轉(zhuǎn)。這種路由協(xié)議的優(yōu)點是簡單、開銷小，每個節(jié)點只需要找到通往Sink節(jié)點的下一跳節(jié)點，隨后將數(shù)據(jù)發(fā)送給它便可。而不足之處則在于靠近Sink節(jié)點的傳感器節(jié)點會一直承擔路由器的角色，節(jié)點之間負載不平衡，越靠近Sink節(jié)點的傳感器節(jié)點可能越快耗盡自己的能源，并最終導致死亡，縮短整個網(wǎng)絡的生命周期。 　　除上述路由協(xié)議外，較為成熟的無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議還包括有Directed Diffusion、LEACH、TEEN、APTEEN協(xié)議等，由于篇幅的原因在這里便不一一敘述了。但值得提出的是LEACH（基于聚類的路由協(xié)議）協(xié)議在無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議中占有重要地位，論文所提到的協(xié)議NBLEP（Negotiation-Based Low Energy Protocol）的提出和設計便是基于該基礎上的。 3 NBLEP路由協(xié)議設計 　　在無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議設計過程中，不僅對其要求具有傳統(tǒng)計算機路由協(xié)議正確性、健壯性、穩(wěn)定性、公平性、最優(yōu)性等特性，更需要考慮無線傳感器網(wǎng)絡的以下具體特殊性能： 　　第一、能源有效性。由于無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點能量有限，所以路由協(xié)議設計必須將有效利用能源放在第一位。 　　第二、簡單性。相對于傳統(tǒng)網(wǎng)絡而言，傳感器節(jié)點的運算能力和存儲能力及其有限，因此需要量身定制一種簡單有效的路由協(xié)議。 　　第三、多路性。典型的無線傳感器網(wǎng)絡通常工作在人類無法忍受的惡劣的環(huán)境中，為了避免單個節(jié)點的失效影響整個網(wǎng)絡的效率，需要要求每個節(jié)點盡可能維護多條路由。 　　基于以上理論，作者設計了一種層次型（聚類）、基于協(xié)商機制、采用集中式與分布式相結(jié)合、維護多條路由、低功耗動態(tài)自適應的按需式路由協(xié)議—NBLEP路由協(xié)議。 　　3.1 層次型 　　NBLEP路由協(xié)議把原本地位平等的傳感器節(jié)點按照其所處位置和能源的不同情況，依據(jù)網(wǎng)絡規(guī)模的大小和應用的需要，實現(xiàn)層次劃分。協(xié)議將整個無線傳感器網(wǎng)絡劃分成不同的簇類，簇類中的節(jié)點處于不同的層次，能源較高的節(jié)點處于較高的級別，承擔較多的任務，不僅進行感知和向上層節(jié)點傳輸自己的新數(shù)據(jù)，而且中轉(zhuǎn)下層節(jié)點傳遞過來的數(shù)據(jù)、進行數(shù)據(jù)融合;能源較低的節(jié)點處于較低的級別，只進行感知和向上層節(jié)點傳輸?shù)娜蝿铡Ｃ總€節(jié)點的路由表中只需維護其上層節(jié)點的信息。 　　3.2協(xié)商機制 　　NBLEP路由協(xié)議實現(xiàn)在數(shù)據(jù)傳輸階段，簇內(nèi)節(jié)點采用元數(shù)據(jù)協(xié)商的方式向簇頭節(jié)點傳輸自身采集的數(shù)據(jù)，簇頭節(jié)點接收完所有簇內(nèi)普通節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)融合后，再向Sink節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)。 　　3.3 多路由維護 　　NBLEP路由協(xié)議為了保證路由的可靠性，每個簇類的普通節(jié)點都維護著一個備用簇首節(jié)點的信息，一旦本簇的簇首節(jié)點由于異常原因失效（這種情況在實際應用中很可能發(fā)生），立即加入備用簇首節(jié)點所在的簇，實現(xiàn)了到Sink節(jié)點的多條路由，達到路由健壯性的目的。 　　3.4 低功耗，自適應 　　NBLEP路由協(xié)議設計簇內(nèi)每個普通節(jié)點都使用能源控制，在屬于自己的時槽中，才打開發(fā)送裝置，進行數(shù)據(jù)傳輸;在不屬于自己的時槽中，關閉發(fā)送裝置。每過一個回合（每個回合由簇形成階段和數(shù)據(jù)傳輸階段組成）都會進行簇類的動態(tài)劃分和簇頭節(jié)點的重新選擇，使每個節(jié)點成為簇頭節(jié)點的機會均等。采用以上幾類方式相結(jié)合，實現(xiàn)了節(jié)點“睡眠”機制，避免了無效數(shù)據(jù)的傳輸，有效的節(jié)約了能源。 4 NBLEP路由協(xié)議仿真測試 　　由于硬件平臺配置的限制，暫時無法在真實環(huán)境下運行和測試本路由協(xié)議，因此此次的測試工作建立在ns2仿真平臺上。在仿真過程中，作者使用數(shù)組不同參數(shù)進行測試，以反應出NBLEP路由協(xié)議是否達到了協(xié)議的設計目標。 　　4.1 仿真平臺建立 　　ns2是美國DARPA支持的項目VINT中的核心部分，它主要面向網(wǎng)絡協(xié)議研究者。由于ns2具有免費、開放源代碼、可擴充性好等優(yōu)點而在各種網(wǎng)絡的仿真測試中獲得了廣泛應用。 　　在仿真環(huán)境中，作者使用100個無線傳感器節(jié)點和1個固定位置的Sink節(jié)點以實現(xiàn)NBLEP路由協(xié)議，無線傳感器節(jié)點隨機分布在100 ＊100的平面區(qū)域內(nèi)，Sink節(jié)點遠離感知區(qū)域，場景如圖1所示。每個無線傳感器節(jié)點的初始能源為2J，數(shù)據(jù)包大小為500Bytes，元數(shù)據(jù)大小為25Bytes。 　　根據(jù)無線傳感器之間、無線傳感器與Sink節(jié)點之間接收、發(fā)送器距離的不同，會使用自由空間傳播和多路衰減模型兩種不同的模型。如果接收、發(fā)送器之間的距離小于某個臨界值時，使用自由空間模型;如果接收、發(fā)送器之間的距離大于某個臨界值，則使用雙路徑模型。模型類型直接決定了節(jié)點間的傳輸功率，傳輸功率就是接收的閾值Pr-thresh和發(fā)送、接送器之間距離d的函數(shù)。 　　由于不同類型節(jié)點之間，不同距離通信采用不同的傳輸模型，因此NBLEP路由協(xié)議完美實現(xiàn)了低功耗、分層次的性能。而多路由維護、協(xié)商機制則體現(xiàn)在報文結(jié)構(gòu)的設計中。圖2顯示了一個回合傳輸?shù)臅r間圖，包括簇形成階段和數(shù)據(jù)傳輸階段，簇形成階段較短，數(shù)據(jù)傳輸階段用時很長，在數(shù)據(jù)傳輸階段中簇內(nèi)普通節(jié)點向簇頭節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)，簇頭節(jié)點進行數(shù)據(jù)處理后，再向Sink節(jié)點傳輸。 　　4.2 仿真結(jié)果分析 　　對于無線傳感器網(wǎng)絡，目前并沒有統(tǒng)一的標準來評測不同的路由協(xié)議，根據(jù)實際情況，作者使用以下兩個參數(shù)對NBLEP路由協(xié)議進行評測： 　　Sink節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)包總量：該參數(shù)表明了Sink節(jié)點在運行過程中所接收到的由簇頭節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包的總數(shù)。 　　存活節(jié)點數(shù)：這個參數(shù)表明了隨著時間的推移，仍然存活的節(jié)點的總數(shù)，是體現(xiàn)路由協(xié)議是否屬于能源有效性協(xié)議的一個重要指標。 　　此處以其中一次測試的結(jié)果為例來進行說明： 　　由圖3可以看出，隨著時間推移，由于能源的消耗，節(jié)點逐漸死去。其中0秒-2100秒期間，作者采用集中式成簇算法;1200秒-2100秒期間，大量節(jié)點能源耗盡而死，在2100秒時，存活節(jié)點只剩余30個（占節(jié)點總數(shù)的30%），因此2100秒-3600秒，作者開始轉(zhuǎn)而采用分布式成簇算法;采用該算法后，節(jié)點死亡速度大大減緩，說明分布式成簇算法有效地延長了整個網(wǎng)絡的生命周期。 　　再由圖4可以看出，在0秒-2100秒期間，作者采用集中式成簇算法;由于Sink節(jié)點清楚的了解全局拓撲，形成了有效的簇類，所以Sink節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)包迅速增長。2100秒以后，從圖3可知，由于節(jié)點大量死亡，開始轉(zhuǎn)而采用分布式成簇算法，節(jié)點之間自己選舉產(chǎn)生的簇類不如Sink節(jié)點產(chǎn)生的簇類有效，再加上節(jié)點繼續(xù)死亡，Sink節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)包增長相對緩慢。 　　由上述仿真結(jié)果可以證實NBLEP路由協(xié)議使得整個網(wǎng)絡在較低的能耗水平下獲得較高的吞吐量，獲得較長的生命周期。 5 總結(jié) 　　無線傳感器網(wǎng)絡是一種新的信息獲取和處理技術，在特殊領域，它有著傳統(tǒng)技術不可比擬的優(yōu)勢，同時也必將開辟出不少新穎而有價值的商業(yè)應用。由于無線傳感器網(wǎng)絡是一門新興技術，國內(nèi)在這樣特殊領域所作的研究工作還較少，本文作者根據(jù)對目前較為成熟的幾類路由協(xié)議的分析借鑒，最后設計出一種層次型、基于協(xié)商機制、采用集中式與分布式相結(jié)合、維護多條路由、低功耗動態(tài)自適應的按需式路由協(xié)議——NBLEP路由協(xié)議。論文最后使用ns2平臺對NBLEP路由協(xié)議進行仿真測試，以證明NBLEP路由協(xié)議基本達到了設計要求。 參考文獻： 　　[1] 任豐原,黃海寧,林闖. 無線傳感器網(wǎng)絡. 軟件學報, Vol 14 No.7 2003 1281～1291 　　[2] 徐雷鳴 龐博 趙耀 ns與網(wǎng)絡模擬 北京：人民郵電出版社 2003年 158～174 　　[3]吳振綱，陳虎.PLC的人機接口與編程[J].微計算機信息，2005，8-1：21-23。 　　[4]L. 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