無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究

李鑒庭　劉小麗　蘆　濤　馮　媛

摘要：本文對無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)進行了研究，包括體系結(jié)構(gòu)、拓撲結(jié)構(gòu)以及路由算法，重點分析了路由算法，拓撲結(jié)構(gòu)及其與普通傳感器網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別。最后，針對無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點提出了未來的研究方向。

關(guān)鍵詞：無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)；路由算法；拓撲結(jié)構(gòu)

中圖法分類號：TP393文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044(2008)01-10ppp-0c

Research on wireless underground sensors network

LI Jian-ting, LIU Xiao-li, LU Tao, FENG Yuan

(School of communication engineering, Xidian University, Xi'an Shanxi 710071, China)

Abstract: In this paper, wireless underground sensor networks (WUSN) are studied, including architecture, topology and routing algorithm. Focus on routing algorithm, topological structure and the distinction between terrestrial motes. In the end, some research assumptions aiming at the characteristics of WUSN are brought forward.

Key words: wireless underground sensor networks; routing algorithm; topology

無線通信技術(shù)、數(shù)字信號處理以及傳感器技術(shù)的高速發(fā)展和日益成熟，為以信息獲取、信息處理和傳輸為基礎(chǔ)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）提供了有力的技術(shù)支持。WSN以其低功耗，低成本，小體積等特點受到了廣泛關(guān)注。而無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)（WUSN）更以其在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域、基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)控、物體定位和安全領(lǐng)域[1] [2]等方面所表現(xiàn)出的巨大應(yīng)用前景而得到了日益重視。

1 WUSN的關(guān)鍵技術(shù)

圖1 WUSN協(xié)議棧

WUSN的應(yīng)用環(huán)境不同于地上的WSN，一般埋藏在地下的傳感器節(jié)點是靜止的。因此WUSN的協(xié)議棧（如圖1）與WSN相比，缺少了移動管理平臺。WUSN的應(yīng)用環(huán)境決定了補充節(jié)點能量的代價是非常高的，所以WUSN協(xié)議棧必須使得傳感器節(jié)點按能量有效的方式協(xié)同工作。

物理層提供簡單但健壯的信號調(diào)制和無線收發(fā)技術(shù)[3]。電磁波（EM Waves）在土壤中傳播，比在地上環(huán)境傳播衰減更劇烈，因此WUSN中電磁波的傳播過程中將有嚴(yán)重的衰減。低頻率的電磁比高頻率的電磁波傳播更加有效，但是頻率低意味著天線要更長（d=10λ）。

數(shù)據(jù)鏈路層負責(zé)數(shù)據(jù)成幀、幀檢測、媒體訪問和差錯控制[3]?，F(xiàn)有的WSN的MAC協(xié)議對減少能量損失的研究主要有四個方面：監(jiān)聽，沖突，包丟失以及串音。WSN主要是減少監(jiān)聽時間，盡量讓節(jié)點進入睡眠狀態(tài)來達到節(jié)約能量的目的。在WUSN中，信號傳輸所消耗的能量代價將遠遠大于WSN，WUSN更加注重信號傳輸次數(shù)的減少。由于沖突將導(dǎo)致信號的重新傳輸，所以WUSN的MAC協(xié)議應(yīng)該盡可能的減少沖突。

網(wǎng)絡(luò)層負責(zé)路由生成與選擇[3]。地上WSN路由通常平等的選擇所有的傳感器是否被用于從原節(jié)點到匯聚節(jié)點的路徑，然而在WUSN中，因為用于發(fā)射WUSN中兩傳感器通信所需能量的無線設(shè)備差別很大，而且地下的通信環(huán)境是復(fù)雜多變，路由選擇要考慮更多的參數(shù)作為依據(jù)。例如在地下與地上的WSN混合結(jié)構(gòu)中，就應(yīng)該盡可能的使用地上節(jié)點進行相對低代價的通信。

傳輸層負責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制，是保證通信服務(wù)質(zhì)量的重要部分[3]。設(shè)計傳輸層要節(jié)約有限的節(jié)點資源并且提高網(wǎng)絡(luò)的效率。數(shù)據(jù)流的傳輸控制要在有限的緩存區(qū)內(nèi)完成數(shù)據(jù)的傳送，擁塞控制要保證數(shù)據(jù)的流量不要超過傳感器網(wǎng)絡(luò)能容納的范圍。在WUSN中，由于通信速率較低及地下信道的高失真率意味著更需要傳輸層來保證通信質(zhì)量。距離地上的匯聚節(jié)點越近的節(jié)點，通信量很大，最容易造成擁塞，設(shè)計的時候可以采用速率分層的思想，距離匯聚節(jié)點近的節(jié)點的通信速率較高。

2 WUSN的拓撲結(jié)構(gòu)及控制

WUSN與地上無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的最大區(qū)別在于通信媒質(zhì)的不同。地下通信信道的建模不僅僅要考慮到電磁波在地下的傳播特性，還要考慮到其他眾多因素的影響，比如，多徑效應(yīng)、土壤的組成成分、水分的含量以及節(jié)點被布設(shè)的深度等[4]。這就使得WUSN并不能簡單地將WSN移植到地下。

2.1 拓撲結(jié)構(gòu)的設(shè)置

網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)各種協(xié)議的基礎(chǔ)，一個好的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅要考慮到具體

的應(yīng)用，還應(yīng)使得網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實現(xiàn)更為簡單、可靠、有效。在無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)中，除匯聚點外，絕大多數(shù)傳感器節(jié)點都被布設(shè)在地下，它們不易更換且能源有限，而匯聚節(jié)點根據(jù)需要可以被安排在地上。這就使得無線地下傳感器網(wǎng)路的拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計要充分考慮到網(wǎng)絡(luò)的可靠性和功率損耗。

一種拓撲設(shè)計方案（如圖2）是在地面上只布設(shè)匯聚節(jié)點，地下所有節(jié)點最終將數(shù)據(jù)傳輸至地上的匯聚節(jié)點。這樣做可以使得整個網(wǎng)絡(luò)的隱蔽性比較好。另一種拓撲設(shè)計方案（如圖3）在地面上除了布設(shè)有匯聚節(jié)點外，還布設(shè)一定數(shù)量的中繼節(jié)點。因為無線信號比起土壤介質(zhì)更適合在空氣介質(zhì)中傳播有更少的衰減。這種混合結(jié)構(gòu)允許數(shù)據(jù)經(jīng)過有限的幾跳后被傳輸?shù)降厣系闹欣^節(jié)點，再由中繼節(jié)點傳送到匯聚節(jié)點。另外，如果需要能源替換或補充的話，對地上節(jié)點進行操作將更為方便。這種混合拓撲結(jié)構(gòu)的缺點在于它的隱蔽性并沒有前面介紹的嚴(yán)格的地下拓撲結(jié)構(gòu)好。在以上兩種方案中，位于地下的傳感器節(jié)點可以被設(shè)置在相同的深度，也可以被設(shè)置在不同的深度，甚至可以將節(jié)點分層設(shè)置。傳感器節(jié)點被埋設(shè)的深度取決于具體的應(yīng)用。

圖2地下拓撲

圖3混合拓撲

另外，位于同一平面中的節(jié)點可以布設(shè)成規(guī)則的形狀，也可以隨機布設(shè)。規(guī)則的拓撲適合小范圍應(yīng)用，但這種拓撲為接下來的路由算法設(shè)計提供了方便。隨機布設(shè)的拓撲適合大范圍應(yīng)用，但這種拓撲使得路由算法的實現(xiàn)變得很復(fù)雜。

2.2 網(wǎng)絡(luò)拓撲控制

拓撲控制目的是要組建一個優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)節(jié)能、保證網(wǎng)絡(luò)的覆蓋和連通質(zhì)量、提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性等目的。由于WUSN所處的地下環(huán)境復(fù)雜，并且節(jié)點的能量是有限的，這就使得在WSN中存在的拓撲控制問題在WUSN中也要考慮。

目前，在WSN中，拓撲控制主要有功率控制和睡眠調(diào)度兩個主要研究方向[5]。功率控制是指為傳感器節(jié)點選擇合適的發(fā)射功率；睡眠調(diào)度，是指控制傳感器節(jié)點在工作狀態(tài)和睡眠狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。另外，文獻[4]指出，地下信道對信號造成的路徑損耗以及通信的誤比特率與節(jié)點的工作頻率和土壤中水分的含量有很大的相關(guān)性。這使得WUSN不僅要考慮功率控制問題，而且要求WUSN中的節(jié)點能動態(tài)的改變工作頻率以適應(yīng)土壤中水分含量的變化。

3 路由算法分析

在WUSN中，由于節(jié)點能量有限并且維護代價大，因此需要盡量節(jié)省能量，均衡網(wǎng)絡(luò)負載，以便保證網(wǎng)絡(luò)的連通性和延長網(wǎng)絡(luò)運行壽命，設(shè)計能量高效、實用的路由算法是目前WUSN研究的核心課題。目前針對地上WSN已提出了許多路由協(xié)議，按網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可分為三類：基于平面的路由協(xié)議，基于分簇的層次路由協(xié)議和基于地理位置的路由協(xié)議。下面結(jié)合WUSN具體應(yīng)用及其網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計的獨特挑戰(zhàn)分析已有的WSN路由方案。

3.1 基于平面的路由協(xié)議

在以數(shù)據(jù)為中心的平面路由中，通常由匯聚節(jié)點（sink）向某個區(qū)域發(fā)送查詢消息并等待從選定區(qū)域的節(jié)點傳回來的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的傳輸通過多個中間節(jié)點的多跳路由協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)完成。Estrin等人提出的Directed Diffusion [6]是以數(shù)據(jù)為中心路由算法的一個里程碑。該算法采用查詢-響應(yīng)操作模式，匯聚節(jié)點(sink)廣播查詢消息(Interest) ，查詢消息經(jīng)擴散到達滿足查詢條件的節(jié)點(sources) ，該擴散過程兼顧建立探測性質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)gradients，一旦sources有可用數(shù)據(jù)便通過reinforced路徑發(fā)回給sink。中間節(jié)點見機融合interest，聚合、關(guān)聯(lián)或緩存數(shù)據(jù)。后來很多算法都是基于DD或者根據(jù)相似思想提出來的,如Rumor routing，energy-Aware Routing等。

平面路由因其不存在特殊節(jié)點魯棒性較好；采用融合機制減輕熱點節(jié)點負載，提高了能量有效性；考慮節(jié)點剩余能量，維護多條可傳輸路徑來均衡網(wǎng)絡(luò)負載，使得WSN生命周期有所延長。其缺點是缺乏可擴展性，限制了網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模。平面路由中，節(jié)點所處區(qū)域近似看成平面，而在與具體運用領(lǐng)域密切相關(guān)WUSN中，不同的運用需求決定了節(jié)點分布的不同。在檢測地表壓力，觀測地面生物等應(yīng)用中，須把節(jié)點分布在淺層地表；在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)ν寥栏黜椫笜?biāo)（諸如濕度，溫度，鹽堿度）進行檢測時，節(jié)點的傳感范圍應(yīng)覆蓋特定區(qū)域的整個立體空間，即不同深度的數(shù)值都應(yīng)該被檢測到?；趥鞲芯W(wǎng)絡(luò)的一次建設(shè)性和生存周期的有限性，單一目的的檢測不滿足經(jīng)濟要求，所以有必要重點分析檢測區(qū)域的立體性。

3.2 基于分簇的層次路由協(xié)議

在基于分簇的層次路由協(xié)議中，網(wǎng)絡(luò)通常被劃分為簇(cluster)，每個簇由一個簇首節(jié)點(cluster head)和多個簇成員節(jié)點(cluster member)組成（如圖4）。簇成員負責(zé)數(shù)據(jù)的采集、預(yù)處理和與簇首通信，簇首負責(zé)管理、協(xié)調(diào)簇成員節(jié)點之間的工作，并對接收到的數(shù)據(jù)進行融合，然后傳給基站(Base Station)。LEACH[7]協(xié)議是經(jīng)典的層次式路由協(xié)議，此后很多算法如PEGASIS，APTEEN等都是基于LEACH改進的。LEACH協(xié)議通過提出兩層的分簇機制，引入周期性隨機變化的簇首對簇成員發(fā)來的數(shù)據(jù)進行有損壓縮，再轉(zhuǎn)發(fā)給BS，從而達到減少和均衡能量消耗，最大延長網(wǎng)絡(luò)壽命的目的。這種簇首選擇機制將網(wǎng)絡(luò)分層，有利于分布式算法的應(yīng)用，可對系統(tǒng)變化做出快速反應(yīng)，提高了節(jié)點間通信的有效性，具有較好的可擴展性。

圖4LEACH結(jié)構(gòu)

與具體應(yīng)用領(lǐng)域密切相關(guān)的WUSN，有著與陸上WSN不同地理環(huán)境，在引用分簇思想時應(yīng)考慮如下幾點：

a)在網(wǎng)絡(luò)初始化階段，建立簇并產(chǎn)生簇首時，要考慮到地下的通信環(huán)境具有復(fù)雜多變性，如土壤密度和水含量等都將對傳播的信號產(chǎn)生嚴(yán)重的衰減。在簇首的選舉機制中，接近地表的節(jié)點應(yīng)以更大的概率成為簇首。頻繁輪換簇首需要額外的維護能量開銷，因此簇頭選舉機制不能頻繁啟動。

b)在WUSN不同應(yīng)用領(lǐng)域中，節(jié)點所處的環(huán)境差異顯著，即使在同一應(yīng)用中，由于地理結(jié)構(gòu)的復(fù)雜差異性，不同位置的節(jié)點所處環(huán)境也不盡相同。從文獻[4]的分析中可以看出，不同介質(zhì)的電介質(zhì)參數(shù)的差異，將導(dǎo)致信號衰減的不同，同時濕度因素對其影響顯著。在這種情況下，應(yīng)考慮到節(jié)點的差異化分布以及這種差異化分布所引起的簇大小和簇首分布的差異化。

c)對于深埋地下的傳感器節(jié)點，信號傳輸距離、采用頻率、土壤成分及單位體積水含量等對其都有嚴(yán)重的傳輸衰減[4]，因此數(shù)據(jù)傳輸是單跳還是多跳，需要根據(jù)不同情況加以區(qū)分和分析。

3.3 基于地理位置的路由協(xié)議

在這類路由協(xié)議中，節(jié)點需要知道自己的地理位置信息。通過位置信息可以計算兩特定節(jié)點間的距離，估計它們之間的能量消耗，根據(jù)這些信息進行局部最優(yōu)的路由選擇，從而使能量得到高效利用。地上WSN該類比較典型的算法有GEAR，TTDD等。地理路由協(xié)議對WUSN是否有用依賴于WUSN的部署情況。大多數(shù)情況下WUSN都是通過鑿孔或鉆孔部署每個傳感器的，詳細的位置信息可以在部署時記錄下來。這種情況下，地理路由協(xié)議將會很有用。WUSN也可能通過隨機散布傳感器然后用土掩埋的方式被部署，如修路或建房時，這種情況下，每個傳感器的位置信息都是未知的。

4 結(jié)論以及對WUSN未來研究工作的展望

WUSN是WSN研究領(lǐng)域的一個分支，文獻[4]研究了WUSN地下信道的特性，根據(jù)頻率找到最佳深度對應(yīng)最小衰減和最小的BER，當(dāng)埋深小于2m使用單徑傳輸模型，埋深大于2m使用多徑傳輸模型。提出了在300-400MHZ的頻帶上，節(jié)點距離小于5米，信道可以進行有效的通信。鑒于WUSN惡劣的地下環(huán)境和不同的應(yīng)用，如何減小信號的失真率，如何減小信號在地下環(huán)境的衰減，設(shè)計有利的拓撲結(jié)構(gòu)級能量高效的路由協(xié)議等都是我們未來WUSN研究工作的重點。

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作者簡介：李鑒庭（1986－），男，廣東省深圳市人，本科生，電子信息工程；劉小麗（1986－），女，四川安岳人，本科生，通信工程；盧濤，（1986－），男，本科生，河北石家莊人，通信工程；馮媛（1986－），女，陜西西安人，本科生，電子信息工程。