WSN定向擴(kuò)散路由協(xié)議的改進(jìn)和實(shí)現(xiàn)研究

【摘 要】定向擴(kuò)散路由協(xié)議（DD，Direeted Diffusion）是一種以數(shù)據(jù)為中心的典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，通信過程中，其采用傳統(tǒng)的泛洪方式，會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)能量的大量開銷。本文提出一種根據(jù)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)輻射角度來發(fā)送興趣，相鄰節(jié)點(diǎn)只有在信號(hào)輻射角度范圍內(nèi)才能引起興趣擴(kuò)散，否則拒絕興趣擴(kuò)散，以此降低網(wǎng)絡(luò)能量消耗。改進(jìn)后的定向擴(kuò)散路由協(xié)議，通過仿真結(jié)果分析，與傳統(tǒng)的定向擴(kuò)散協(xié)議相比較，能縮小參與興趣擴(kuò)散的節(jié)點(diǎn)數(shù)目，縮小興趣報(bào)文泛洪范圍，減少了網(wǎng)絡(luò)能量開銷，延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

【關(guān)鍵詞】無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；定向擴(kuò)散；路由協(xié)議；梯度

1.引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN，wireless sensor networks）是由大量成本低、功耗小以及自組織的無線傳感器節(jié)點(diǎn)所構(gòu)成，能夠?qū)ν饨绛h(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、監(jiān)測(cè)。在智能家居、工農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)、國防工業(yè)、生物醫(yī)療等領(lǐng)域均有較寬廣的應(yīng)用前景[1]。WSN路由協(xié)議的發(fā)展經(jīng)歷了從傳統(tǒng)的需求機(jī)制下的路由協(xié)議到數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的路由協(xié)議兩個(gè)階段，發(fā)展出洪泛、謠傳、定向擴(kuò)散等多種不同類型的路由協(xié)議。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在處理數(shù)據(jù)和通信上均受到能量限制，與傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議不同，網(wǎng)絡(luò)能量由節(jié)點(diǎn)自身電池供應(yīng)。因此實(shí)現(xiàn)能量的有效利用是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計(jì)首先需要考慮的目標(biāo)[2]。本文在定向擴(kuò)散路由協(xié)議的基礎(chǔ)上，提出了一種基于節(jié)點(diǎn)的輻射角度來建立興趣擴(kuò)散，進(jìn)而建立梯度機(jī)制，重點(diǎn)討論了在節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，節(jié)點(diǎn)在移動(dòng)情況下，如何與其相鄰節(jié)點(diǎn)交換信息，進(jìn)行梯度的自我調(diào)整。分析仿真結(jié)果，該改進(jìn)算法能夠很好地節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能量消耗。

2.WSN路由協(xié)議研究分析

WSN路由協(xié)議作為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，在現(xiàn)階段已經(jīng)出現(xiàn)了多種經(jīng)典的路由協(xié)議。其中，SPIN（Sensor Protocol For Information Via Negotiation）路由協(xié)議是一種原始的無線通信路由協(xié)議，它主要是對(duì)泛洪協(xié)議的改進(jìn)，是一種以數(shù)據(jù)為中心的自適應(yīng)路由協(xié)議，通過節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)商機(jī)制和資源自適應(yīng)機(jī)制，解決Flooding協(xié)議和Gossiping協(xié)議的內(nèi)爆和重疊現(xiàn)象。節(jié)點(diǎn)在傳送數(shù)據(jù)前通過協(xié)商，以減少網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。節(jié)點(diǎn)只廣播其他節(jié)點(diǎn)所沒有的數(shù)據(jù)以減少冗余數(shù)據(jù)，從而有效減少能量消耗[3]。LEACH（Low-Energy Adaptive Clustering Hier-archy）路由協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)周期性地隨機(jī)選取簇頭，其他的非簇頭節(jié)點(diǎn)則以鄰近的原則加入簇中，形成虛擬簇。簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)將收集到的信息發(fā)送給簇頭，再由簇頭轉(zhuǎn)發(fā)給路由節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)中的信息傳輸任務(wù)平均分配給各個(gè)節(jié)點(diǎn)，以此延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期。但是簇首的能量消耗大，為了避免某些節(jié)點(diǎn)過早死亡，需要定期更換簇頭[4]。DD（Direeted Diffusion）路由協(xié)議是一種以數(shù)據(jù)為中心的、基于查詢的路由算法，路由節(jié)點(diǎn)周期性地通過泛洪的方式廣播一種稱為“興趣”的數(shù)據(jù)包，以便讓網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)知道它需要收集什么樣的信息?！芭d趣”在網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)散中也經(jīng)歷了多個(gè)路由路徑，采集到和“興趣”相關(guān)的數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)則通過“興趣”擴(kuò)散階段建立的路徑將“興趣”數(shù)據(jù)傳送到傳感器節(jié)點(diǎn)。由于DD路由協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞矫姹容^復(fù)雜，因此現(xiàn)階段也有將分簇思想引入到DD協(xié)議中，以此來抑制泛洪的傳播。定向擴(kuò)散路由協(xié)議中的梯度指的是相鄰節(jié)點(diǎn)跳數(shù)的差值，它是相鄰節(jié)點(diǎn)間鏈路的梯度值。在進(jìn)行路由轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)候選取與該節(jié)點(diǎn)相連接的最大梯度所對(duì)應(yīng)的路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)[5]。

3.定向擴(kuò)散算法的理論評(píng)價(jià)

3.1 泛洪數(shù)據(jù)傳輸

Flooding是一種傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，如圖1所示。節(jié)點(diǎn)S希望發(fā)送數(shù)據(jù)到節(jié)點(diǎn)R，使用泛洪數(shù)據(jù)傳輸，則節(jié)點(diǎn)S首先通過將它的數(shù)據(jù)副本傳送給他的鄰近節(jié)點(diǎn)，鄰近節(jié)點(diǎn)又將數(shù)據(jù)傳輸給它們的鄰居節(jié)點(diǎn)（S除外）。如此繼續(xù)，直到數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥繕?biāo)節(jié)點(diǎn)R為止或者該數(shù)據(jù)的生命周期為零[6]。

圖1 泛洪數(shù)據(jù)傳輸示意圖

在泛洪數(shù)據(jù)傳輸范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)源將所有的時(shí)間發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)。如果第二層次的節(jié)點(diǎn)傳送能力不比泛洪數(shù)據(jù)傳送好的話，則定向傳送方法不適宜運(yùn)用于WSN中。在分析評(píng)價(jià)中，DD協(xié)議的能量消耗為每個(gè)數(shù)據(jù)源到全部接受者發(fā)出和接收過程消耗能量之和。該方式比組播和定向擴(kuò)散消耗的能量都要高。

3.2 組播

在WSN數(shù)據(jù)組播中，每個(gè)數(shù)據(jù)源沿著最短的多路徑傳送到它的目標(biāo)接收者。如果不考慮構(gòu)造樹型的耗費(fèi)，組播是最好的方式，對(duì)于組播而言，數(shù)據(jù)傳送的費(fèi)用由它每個(gè)數(shù)據(jù)源的具體最短路徑樹中連接數(shù)的2倍決定。在簡(jiǎn)單的方格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)接受者來說，也有許多最短的路徑[7]。如果采用從接收者到發(fā)送者的對(duì)角線距離，則是最短路徑；如果選擇水平的連接，這個(gè)路徑規(guī)章被重復(fù)，直到到達(dá)數(shù)據(jù)源。因此，組播方式中最短路徑選擇中則不包括垂直的連接[8]。

3.3 定向擴(kuò)散

定向擴(kuò)散的方式和組播方式相類似，假定擴(kuò)散的局部算法建造的樹是每個(gè)數(shù)據(jù)源發(fā)出的最短路徑的樹的“集合”。即擴(kuò)散的最短路徑是在組播中按照相同的規(guī)定來選擇最短的路徑。雖選用相同的路徑選擇方案，但定向擴(kuò)散的數(shù)據(jù)源也會(huì)發(fā)出相同的目標(biāo)定位估計(jì)，考慮到擴(kuò)散能抑制重復(fù)的應(yīng)用，擴(kuò)散中傳送的數(shù)據(jù)的消耗是所有最短樹集合路徑的2倍[9]。

3.4 對(duì)比

通過對(duì)3中傳播方式耗費(fèi)能量的比較，可知泛洪數(shù)據(jù)傳送的能耗比組播方式高好幾倍，但是組播方式的能耗比定向擴(kuò)散的耗費(fèi)高。

4.定向擴(kuò)散路由協(xié)議的改進(jìn)及仿真實(shí)現(xiàn)

4.1 定向擴(kuò)散路由協(xié)議的改進(jìn)算法

在進(jìn)行定向擴(kuò)散路由協(xié)議的改進(jìn)算法前，假設(shè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有如下性質(zhì)：

（1）網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)都是（下轉(zhuǎn)封三）（上接第64頁）處于靜止?fàn)顟B(tài)的。

（2）網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)都具有一個(gè)射頻發(fā)射角，該角度大小由網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)密度確定，節(jié)點(diǎn)密度越大，射頻發(fā)射角度也越大。

（3）每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有相同的感知能力。

算法具體描述如下：

假設(shè)興趣區(qū)域?yàn)榫匦?，其坐?biāo)為（ad1，bd1，ad3，bd3），于是，興趣區(qū)域中心點(diǎn)坐標(biāo)為：

ad=ad1+ad32，bd=bd1+bd32 （1）

Sink節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為（a0，b0），假定a0

od=bd-b0ad-a0 （2）

傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)節(jié)點(diǎn)密度、興趣區(qū)域大小計(jì)算自己的射頻發(fā)射角度：

α=2（γ-β），γ=arctgbd-b0ad-a0

（3）

β=arctgbd3-b0xd3-a0 （4）

并將（a0，b0）、（ad，bd）和α添加到興趣報(bào)文中，作為包含興趣分組的字段，接收到興趣報(bào)文的節(jié)點(diǎn)i（ai，bi）不直接對(duì)興趣進(jìn)行處理，而是先從興趣報(bào)文中提取出（ao，bo），（ad，bd），發(fā)射角度α等信息。先判斷自己是否在興趣區(qū)域內(nèi)，是的話則繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)興趣。若不是，則說明節(jié)點(diǎn)i是中間節(jié)點(diǎn)，然后處于b0和bd之間，若該條件成立，則說明節(jié)點(diǎn)i處于興趣泛洪的方向上；反之，則不轉(zhuǎn)發(fā)興趣。若節(jié)點(diǎn)i在興趣泛洪的方向上，再檢查自己是不是在傳感器節(jié)點(diǎn)的射頻發(fā)射角度范圍內(nèi)，即ai*tgβ

4.2 仿真結(jié)果及分析

仿真基于NS-2仿真平臺(tái)，仿真工作主要針對(duì)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)興趣報(bào)數(shù)目分析和節(jié)點(diǎn)能量開銷。在轉(zhuǎn)發(fā)興趣報(bào)文數(shù)目分析中，研究5種不同的傳感器分布環(huán)境，分別設(shè)定300，250，200，150，100，50個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)目情況下進(jìn)行仿真，節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在500m×500m的區(qū)域。假設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目為1，源節(jié)點(diǎn)數(shù)目為5，MAC層采用頻段為802.11，信道帶寬為1Mbit/s，數(shù)據(jù)分組大小為6byte，設(shè)置興趣重發(fā)時(shí)間間隔為50s。在能耗方面，由于網(wǎng)絡(luò)密度的不同，節(jié)點(diǎn)能耗也不同，將節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在600m*600m的區(qū)域，設(shè)定在300，250，200，150，100，50個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)目下的場(chǎng)景，持續(xù)時(shí)間為500s，一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和三個(gè)源節(jié)點(diǎn)，他們的最初能量為1200J，接收節(jié)點(diǎn)能量損耗為0.938J，發(fā)送節(jié)點(diǎn)能量損耗為0.678J。

圖2 數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖

如圖3所示，在相同的網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境下，采用改進(jìn)的定向擴(kuò)散路由算法DD-1，可以減少網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳播的興趣信息包數(shù)目，這與理論是相符合的[10]。也反映了該路由協(xié)議能量的有效性，對(duì)節(jié)點(diǎn)分布密集的網(wǎng)絡(luò)而言，改進(jìn)的定向擴(kuò)散路由協(xié)議性能較沒改進(jìn)的性能更加優(yōu)越。

圖3 不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的興趣報(bào)文數(shù)

如圖4所示：通過在不同節(jié)點(diǎn)數(shù)目環(huán)境下進(jìn)行模擬仿真，改進(jìn)的定向擴(kuò)散路由協(xié)議DD-1，能夠有效減少網(wǎng)絡(luò)的能量開銷。原因?yàn)槔蒙漕l角度的方法，使得不在正確方向上傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)不參與興趣的轉(zhuǎn)發(fā)。大大節(jié)省了節(jié)點(diǎn)的能量消耗，降低了節(jié)點(diǎn)的能量開銷，有助于延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

圖4 不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的節(jié)點(diǎn)能量開銷

5.結(jié)論

定向擴(kuò)散路由協(xié)議是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中以數(shù)據(jù)為中心的重要路由協(xié)議，采用傳統(tǒng)的泛洪算法對(duì)于網(wǎng)絡(luò)能量消耗較大[11]，本文在定向擴(kuò)散的基礎(chǔ)上，通過WSN節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生興趣后計(jì)算節(jié)點(diǎn)射頻角度的范圍，對(duì)興趣區(qū)域內(nèi)的報(bào)文數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。改進(jìn)后的路由算法隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大，改進(jìn)算法能夠很好節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能耗開銷。

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作者簡(jiǎn)介：鄭少雄（1990—），碩士，研究方向：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)信息化當(dāng)中的應(yīng)用。