分布式環(huán)境下基于周期喚醒計算度量值的路由機制研究

李坤

【摘要】眾所周知，無線傳感網(wǎng)經(jīng)常被布置在資源有限的分布式環(huán)境中，網(wǎng)內(nèi)通信需要精確分配能耗，因此需要一種低功耗低延遲的自適應路由機制。由于跟傳統(tǒng)單播路由機制相比，機會路由（Opportunistic Routing）機制具有更低的網(wǎng)絡鏈路損耗，更能適應此類網(wǎng)絡的空間和時間特征，因而被廣泛使用。然而，無線傳感器網(wǎng)絡的特點就是高占空率，即傳感器節(jié)點會頻繁地進入休眠模式，以確保長期的使用壽命。因此必須假設傳感器節(jié)點始終能被喚醒，以便監(jiān)聽網(wǎng)絡中的傳輸信號，這使得現(xiàn)有的機會路由機制實用型較弱。本文提出了一種更為實用的無線傳感器網(wǎng)絡機會主義路由方案。采用了一種新的機會路由度量值，提高了網(wǎng)絡中單個數(shù)據(jù)包從源點到目的地的成功率，減少了無線傳感器網(wǎng)絡中端到端延遲。

【關鍵詞】無線傳感器網(wǎng)絡;機會路由;低功耗;自適應

引言

無線傳感網(wǎng)絡是由很多低功耗的傳感器節(jié)點所組成。節(jié)點一般具有感知、計算、通信能力。現(xiàn)階段的研究對象多數(shù)是靜止狀態(tài)的無線傳感網(wǎng)，如在安全防火、實物監(jiān)控等等這樣的應用環(huán)境中，比較穩(wěn)定，傳感器網(wǎng)絡基本沒有很大的拓撲變化。因此便于運用且網(wǎng)絡效率較高，而在有的應用領域，如智能交通這樣的新興領域，其應用環(huán)境比較復雜。常常由于各種客觀因素，包括路況、天氣、人群遷徙等影響，網(wǎng)絡信道質(zhì)量通常較差。節(jié)點之間可能不經(jīng)常存在一條可達路徑。因此傳統(tǒng)的路由機制并非完全適用。

近年對于無線傳感網(wǎng)的研究現(xiàn)在正不斷的增長，機會路由的提出有效的改善了一些問題。比如，機會路由通過充分利用無線信道的廣播特性，可以大大提高無線多跳網(wǎng)絡的性能?，F(xiàn)在的路由機制，大多都是采用ETX 當路由判據(jù)，ETX的獲取需要周期性地發(fā)送探測包，路由的開銷很大，不利于解決資源限制的問題。其中，具有代表性的機會路由協(xié)議包括MORE[1]，SAOR[3]等，但是它們都有很多需要改善的環(huán)節(jié)，如MORE存在數(shù)據(jù)包傳輸效率不高，自適應度不足等問題。傳統(tǒng)的路由模式是在端到端數(shù)據(jù)包傳送過程中，先建立一條端到端的節(jié)點序列，然后在每次分組轉發(fā)時，在已經(jīng)下一跳的節(jié)點中，開始執(zhí)行鏈路層數(shù)據(jù)的轉發(fā)。因此一旦傳送過程有分組丟失或者出現(xiàn)差錯，那么就要重新啟動鏈路層開始從頭再傳。由此可見，在鏈路質(zhì)量和穩(wěn)定性較差的環(huán)境下，頻繁的鏈路層數(shù)據(jù)重傳將消耗大量的網(wǎng)絡資源。所以盡管確定性路由方式邏輯簡單，但未能充分考慮無線信道的廣播特性、時變特性和干擾不規(guī)則性。無線信道的廣播特性使得一次分組轉發(fā)可能被多個節(jié)點收到，且接收概率各不相同。無線鏈路的時變特性導致網(wǎng)絡中鏈路的狀態(tài)隨時間變化而變化。路由協(xié)議設計過程中如果沒有對信道廣播和丟失特性進行充分考慮，必將導致大量網(wǎng)絡資源被浪費。

1.無線傳感器網(wǎng)絡所需的網(wǎng)絡協(xié)議

在無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）中，典型的數(shù)據(jù)包到達目的地的轉發(fā)過程一般分為兩個步驟：第一，使用路由協(xié)議來確定下一跳節(jié)點的路由度量值，通常計算的依據(jù)包括鏈路質(zhì)量評估以及關于由相鄰節(jié)點提供的路由進展狀況;第二，MAC協(xié)議喚醒預期中的下一跳節(jié)點并成功的接收分組。

在本文中，我們改進這個有單播特征的路由機制。我們在一個以實時追蹤方式來確定占空率的無線傳感網(wǎng)絡中以機會性的方式傳輸數(shù)據(jù)包。在此傳輸過程中：當一個數(shù)據(jù)包被第一個被喚醒的相鄰節(jié)點成功地接收，會提供下一步的路由轉發(fā)指令以便前往目的地。這樣，相較于傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡單播路由，可以顯著提高能源利用效率，降低端到端的時延，提高無線鏈路的動態(tài)自適應能力。低功耗網(wǎng)絡需要高度動態(tài)的鏈接方式。鏈接狀況估計需要借助無線傳感器網(wǎng)絡的路由協(xié)議來限制轉發(fā)請求，這樣可以保持請求鏈接的高可靠性，借此保證穩(wěn)定的網(wǎng)絡拓撲。我們的周期喚醒計算度量值法可以使我們利用所有的自然相鄰節(jié)點，包括處于穩(wěn)定或不穩(wěn)定的鏈接中的各種節(jié)點，來進行數(shù)據(jù)包轉發(fā)。因此，可以顯著改善能源效率方面關于延遲，和動態(tài)鏈接問題。最初，發(fā)展機會路由的目的是為了提高無線網(wǎng)格多跳網(wǎng)絡的吞吐量。但事實上，在無線網(wǎng)格多跳網(wǎng)絡中，保持對網(wǎng)絡中信息監(jiān)聽的成本很低。而傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點高占空率，限制了機會路由機制的信息監(jiān)聽能力。傳感器網(wǎng)絡應用需求更應該是高能源利用率和低延遲，而不是僅僅是高吞吐量，尤其是當未來的技術發(fā)展解決了硬件限制之后。

2.機會主義路由工作機理

我們對于無線傳感器網(wǎng)絡及其應用經(jīng)常存在著特殊要求，如低功率消耗和低資源消耗，這使得我們必須做出改進傳統(tǒng)的無線網(wǎng)格多跳網(wǎng)絡。改進的部分主要包括以下問題。

首先是平衡能源效率與吞吐量性能度量，發(fā)展機會主義路由的目的是為了提高網(wǎng)絡的吞吐量。因為現(xiàn)階段的應用需要傳感器網(wǎng)絡長效運行而不是處理海量數(shù)據(jù)。其次，無線傳感器網(wǎng)絡中為保證傳感器節(jié)點保持很高的網(wǎng)絡生存時間。節(jié)點大部分時間處于休眠待激活狀態(tài)，既關閉監(jiān)聽。這就限制了空間復用，而空間復用是機會路由機制的主要優(yōu)點之一。轉發(fā)路徑的復雜度對機會路由機制的性能影響巨大，一般情況下，機會路由機制依賴于一致性協(xié)議來確定接收節(jié)點之間的唯一路徑。例如，數(shù)據(jù)包的轉發(fā)在SAOR 機制中由優(yōu)先級列表來控制。但由于數(shù)據(jù)包的大小差異，此方法并不總是合適。相應的，進行時間片輪轉的方式也有一定的局限性。

因此，在機會路由機制的改進過程中，通過計算并比較周期喚醒計算度量值，延遲下一跳的節(jié)點選擇，直到數(shù)據(jù)包被接收，非常適合與分布式和高動態(tài)鏈接的無線傳感器網(wǎng)絡。

3.周期喚醒計算度量值的方法

在異步傳輸模式的低功耗監(jiān)聽體系里，存在這樣的過程，發(fā)送方傳送數(shù)據(jù)包流，直到接收方被喚醒并接收數(shù)據(jù)包流（請參閱圖1）。在機會主義機制中，存在一個關鍵點：（一）（a）被喚醒的第一個節(jié)點，（b）接收數(shù)據(jù)包，和（c）提供路由策略，接收和轉發(fā)數(shù)據(jù)包（請參閱圖2）。例如，在圖2中，一個節(jié)點A可直達節(jié)點C或間接直接通過一個不可靠的鏈接通過節(jié)點B，傳統(tǒng)的路由忽略了不可靠的鏈接A→C并依賴于A→B→C轉發(fā)。使用周期喚醒計算度量值的方法優(yōu)化了這一過程，增加了A→C到路由過程，如果A→C是暫時可用并且C先于B被喚醒，利用如圖3和圖4所示的轉發(fā)。降低了功耗和延遲。

圖1

圖2

圖3

圖4

4.結論

本文分析了傳統(tǒng)機會路由機制下的無線傳感器網(wǎng)絡的不足，針對降低占空比的要求，提出了一種用于分布式環(huán)境下基于周期喚醒計算度量值的路由機制。在數(shù)據(jù)包通過被首次喚醒的傳感器節(jié)點時，節(jié)點成功地接收數(shù)據(jù)包，并檢測到它提供的路由進度進行節(jié)點轉發(fā)。利用所有可能進行下一跳的相鄰節(jié)點，相比于單播路由顯著減少延遲和能量消耗，提高了自適應能力。分布式周期喚醒計算度量值的方法可以提高工作周期利用率并降低延遲，當然這也取決于網(wǎng)絡的密度。選擇延遲轉發(fā)使得該方法比傳統(tǒng)的單播路由收發(fā)數(shù)據(jù)包速度更快。

參考文獻

[1]S.Biswas and R.Morris.ExOR：Opportunistic Multi-Hop Routing for Wireless Networks[C].//SIGCOMM.，2005.

[2]H.Dubois-Ferriere and M.Vetterli.Leastcost OpportunisticRouting[C].//45th Proceedings of the Allerton Conference on Communication，Control and Computing，2007.

[3]聶骕.WSN中的自適應機會路由[J].科技視界，2014，7（12）：16-30.