基于兩層結(jié)構(gòu)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)Mesh路由協(xié)議

王宏飛，李大霖，牟榮增，閻躍鵬

(中國(guó)科學(xué)院微電子研究所昆山分所，江蘇昆山215347)

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor network，WSN)是一種低速率、低功耗、短距離傳輸?shù)臒o(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò).與有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)相比，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臒o(wú)線(xiàn)信號(hào)易于受到干擾，因此在環(huán)境復(fù)雜的戶(hù)外以及室內(nèi)等環(huán)境中，無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)逆溌焚|(zhì)量頻繁變化;此外，WSN還具有節(jié)點(diǎn)能量、計(jì)算和存儲(chǔ)資源有限的特點(diǎn)［1］.無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)可以按照3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形成多跳的低速率網(wǎng)絡(luò)，分別為星型(star)拓?fù)?、?shù)型(tree)拓?fù)浜途W(wǎng)狀(mesh)拓?fù)?相比于星型和樹(shù)型拓?fù)?，網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有較廣的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，較大的網(wǎng)絡(luò)吞吐量以及較高的數(shù)據(jù)傳輸可靠性［2-3］，因此無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越多地使用網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).路由算法是無(wú)線(xiàn)mesh傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)，目前的路由算法大多來(lái)自于成熟的Ad hoc網(wǎng)絡(luò).AODV(Ad hoc on demand distance vector)是最常用的一種［4］，已經(jīng)在無(wú)線(xiàn)mesh網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.11s中得到了成功的應(yīng)用［5］.在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中，通用標(biāo)準(zhǔn) ZigBee也使用了AODVjr路由算法，對(duì)AODV算法進(jìn)行了改進(jìn)，保持其原始功能，但考慮到節(jié)能、應(yīng)用方便性等因素，簡(jiǎn)化了AODV的一些特點(diǎn)［6］.但AODVjr算法存在兩個(gè)根本性的問(wèn)題:一方面依賴(lài)于路徑對(duì)稱(chēng)性，在鏈路質(zhì)量變化頻繁的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中，非對(duì)稱(chēng)路徑的大量存在會(huì)導(dǎo)致路由建立以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的失?。?-9］;另一方面AODVjr算法僅依靠一次路由管理幀的洪泛建立路由，因此路由管理幀的丟失會(huì)影響節(jié)點(diǎn)的路由選擇.DSR(dynamic source routing protocol)是另外一種常用于移動(dòng)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議［10-11］，該協(xié)議中源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包需要包含轉(zhuǎn)發(fā)路徑上經(jīng)過(guò)的所有節(jié)點(diǎn)，不適用于節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)資源有限的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò).IEEE標(biāo)準(zhǔn)組于2009年提出了適用于低速mesh結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.5，在MAC(media access control)層實(shí)現(xiàn)了路由功能［12］，但其中單播路由仍然依靠鄰居關(guān)系和父子關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，并未完全實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間的mesh路由.

文中提出一種基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的mesh路由算法，節(jié)點(diǎn)周期性洪泛一種管理幀，通過(guò)單向傳遞，便可以根據(jù)這種管理幀在其他節(jié)點(diǎn)的投遞成功率來(lái)確定最優(yōu)路徑，消除了路由管理幀丟失以及非對(duì)稱(chēng)路徑對(duì)于路由建立的影響.為了降低網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的資源消耗，還在mesh網(wǎng)絡(luò)下增加星型結(jié)構(gòu)的子網(wǎng).在星型子網(wǎng)下，簇頭外的其他節(jié)點(diǎn)只能與簇頭進(jìn)行通信，不需要參加mesh路由，并且由簇頭代替自己完成路由功能.

1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h2>

網(wǎng)絡(luò)中存在2種節(jié)點(diǎn):路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn).它們按照?qǐng)D1所示組成網(wǎng)狀和星型上下兩層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).

圖1 兩層結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

下層網(wǎng)絡(luò)包含若干子網(wǎng)，每個(gè)子網(wǎng)均為星型網(wǎng)絡(luò)，由一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)和若干終端節(jié)點(diǎn)組成:路由節(jié)點(diǎn)作為子網(wǎng)的管理者，稱(chēng)為簇頭，負(fù)責(zé)子網(wǎng)的維護(hù)以及與本子網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)發(fā);終端節(jié)點(diǎn)均為簇頭的子節(jié)點(diǎn)，只能與簇頭進(jìn)行通信，對(duì)于計(jì)算能力及存儲(chǔ)等資源的要求較低.路由節(jié)點(diǎn)在上層形成一個(gè)mesh網(wǎng)絡(luò)，此網(wǎng)絡(luò)通過(guò)路由節(jié)點(diǎn)之間建立的路由路徑將各子網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點(diǎn)所在子網(wǎng)的簇頭.

網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)均擁有一個(gè)16 bit的物理地址，作為節(jié)點(diǎn)間相互區(qū)分的唯一標(biāo)識(shí);每個(gè)子網(wǎng)將本子網(wǎng)的簇頭節(jié)點(diǎn)的物理地址作為子網(wǎng)地址，是子網(wǎng)間相互區(qū)分的標(biāo)識(shí).另外每個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)被分配一個(gè)32 bit的擴(kuò)展地址，用來(lái)指示應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的最初源節(jié)點(diǎn)(srcAddr)以及最終目的節(jié)點(diǎn)(dstAddr);擴(kuò)展地址的高16 bit為節(jié)點(diǎn)所在子網(wǎng)的地址(subAddr)，低16 bit為節(jié)點(diǎn)的物理地址(leftAddr).

2 星型子網(wǎng)

星型子網(wǎng)的建立、管理與維護(hù)均由簇頭負(fù)責(zé).一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)后便建立一個(gè)子網(wǎng)，并作為子網(wǎng)的簇頭周期性廣播一種包含子網(wǎng)信息的信標(biāo)幀.終端節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)后在一段時(shí)間內(nèi)監(jiān)聽(tīng)周?chē)仡^節(jié)點(diǎn)廣播的子網(wǎng)信息，從中選擇合適的子網(wǎng)并通過(guò)與相應(yīng)簇頭節(jié)點(diǎn)的信息交互加入網(wǎng)絡(luò)，與簇頭節(jié)點(diǎn)形成父子關(guān)系.

子網(wǎng)內(nèi)父子關(guān)系的維護(hù)采用基于生存周期的被動(dòng)維護(hù)機(jī)制:當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到來(lái)自于父節(jié)點(diǎn)或子節(jié)點(diǎn)的幀時(shí)便更新相應(yīng)的生存周期;如果在生存周期內(nèi)無(wú)法收到相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的幀，便斷掉相應(yīng)的父子關(guān)系.

簇頭節(jié)點(diǎn)還負(fù)責(zé)發(fā)送與接收本子網(wǎng)所有數(shù)據(jù)幀.終端節(jié)點(diǎn)將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀交給簇頭，由其代為尋找到目的節(jié)點(diǎn)的路由路徑并進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā);另外簇頭還會(huì)接收發(fā)送給本子網(wǎng)內(nèi)終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)幀，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)發(fā)給目的終端節(jié)點(diǎn).

與路由節(jié)點(diǎn)相比，終端節(jié)點(diǎn)只能與簇頭進(jìn)行通信，不需要參與路由建立、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)以及子網(wǎng)管理等功能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有效地降低了資源消耗.

3 Mesh路由

簇頭路由節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)多跳通信形成一個(gè)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，作為骨干通信網(wǎng)絡(luò).每個(gè)路由節(jié)點(diǎn)均建立并維護(hù)到其他路由節(jié)點(diǎn)的路由路徑，并將數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)子網(wǎng)的簇頭路由節(jié)點(diǎn).路由節(jié)點(diǎn)之間路由路徑的建立與維護(hù)通過(guò)信標(biāo)幀在全網(wǎng)中的洪泛來(lái)完成.

3.1 信標(biāo)幀

路由節(jié)點(diǎn)周期性廣播的信標(biāo)幀(beaconFrame)在網(wǎng)絡(luò)中具有兩個(gè)功能:一方面在星型網(wǎng)絡(luò)中幫助簇頭節(jié)點(diǎn)管理并維護(hù)子網(wǎng);另一方面可以作為路由管理幀，在mesh網(wǎng)絡(luò)中通過(guò)洪泛過(guò)程協(xié)助路由節(jié)點(diǎn)形成并維護(hù)有效的路由路徑.信標(biāo)幀包含如下有效管理信息:接收地址(recAddr)和發(fā)送地址(sendAddr)是信標(biāo)幀洪泛過(guò)程中單跳通信的物理地址信息;序列號(hào)(frameSeq)代表信標(biāo)幀的新舊程度，由產(chǎn)生信標(biāo)幀的路由節(jié)點(diǎn)封裝并在洪泛過(guò)程中保持不變，可以避免重復(fù)和過(guò)時(shí)處理;已加入終端節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)表示該路由節(jié)點(diǎn)所在子網(wǎng)內(nèi)的終端節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，用于星型子網(wǎng)的管理，可以限制子網(wǎng)規(guī)模;源子網(wǎng)地址(originAddr)為生成信標(biāo)幀的路由節(jié)點(diǎn)的子網(wǎng)地址;上次發(fā)送子網(wǎng)地址(lastAddr)存儲(chǔ)了信標(biāo)幀在洪泛過(guò)程中上一跳路由節(jié)點(diǎn)的子網(wǎng)地址;TTL(time to lives)表征信標(biāo)幀在洪泛過(guò)程中的生存時(shí)間;Tq(transmit quality)為信標(biāo)幀在某條路徑上的投遞成功率，為表征路由路徑質(zhì)量的量值，用作路由判據(jù).

3.2 路由判據(jù)

本文協(xié)議將信標(biāo)幀在某條路徑上的投遞成功率(Tq)作為路由判據(jù):較大的路由判據(jù)代表較優(yōu)的路由路徑.信標(biāo)幀中洪泛過(guò)程中不斷地被中間節(jié)點(diǎn)更新Tq域.當(dāng)其通過(guò)某條路徑到達(dá)某一節(jié)點(diǎn)時(shí)，接收節(jié)點(diǎn)便可以計(jì)算出通過(guò)該路徑到達(dá)信標(biāo)幀源節(jié)點(diǎn)的Tq值，并從多條路徑中選擇最優(yōu)路徑.

3.2.1 單跳Tq

單跳Tq指本節(jié)點(diǎn)到一跳內(nèi)可通信的鄰居節(jié)點(diǎn)(neighborNode)的信標(biāo)幀投遞成功率，是路徑Tq值的計(jì)算基礎(chǔ).本文協(xié)議通過(guò)統(tǒng)計(jì)兩類(lèi)信標(biāo)幀的投遞成功率計(jì)算單跳Tq:當(dāng)幀中發(fā)送地址(sendAddr)與源子網(wǎng)地址(originAddr)相同時(shí)，此幀來(lái)自鄰居節(jié)點(diǎn)，其接收成功率為反向投遞概率Rq;當(dāng)幀中上次發(fā)送地址(lastAddr)以及源子網(wǎng)地址(originAddr)均與本地子網(wǎng)地址(localSubAddr)相同時(shí)，此幀由本節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生并被鄰居節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)回來(lái)的信標(biāo)幀，其接收成功率為回路投遞概率Eq;則本節(jié)點(diǎn)到鄰居節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)幀投遞概率Tq=Eq/Rq，即為單跳Tq.

3.2.2 窗口機(jī)制

本文協(xié)議采用滑動(dòng)窗口機(jī)制更準(zhǔn)確地估算信標(biāo)幀的投遞成功率.滑動(dòng)窗口在每次接收到最新的信標(biāo)幀后進(jìn)行更新;長(zhǎng)度為N，記錄了最新的N個(gè)序列號(hào)對(duì)應(yīng)的信標(biāo)幀的接收情況，如圖2所示:1表示該幀已被成功接收，0表示未被成功接收，窗口中1的數(shù)量除以窗口長(zhǎng)度即可計(jì)算出信標(biāo)幀的投遞成功率.

圖2 Tq計(jì)算窗口機(jī)制

3.2.3 路徑Tq

一條完整的路徑由若干條單跳鏈路組成，文中網(wǎng)絡(luò)通過(guò)比較路徑總Tq來(lái)決定最優(yōu)路由路徑.路徑Tq反映了從該路徑的一端到另一端的信標(biāo)幀投遞成功率，為各單跳Tq的乘積.圖3為路徑Tq的計(jì)算圖.

圖3 路徑Tq的計(jì)算

如圖3所示，源節(jié)點(diǎn)A1在產(chǎn)生信標(biāo)幀時(shí)初始化Tq1為255，Tqi(i＞1)為單跳鏈路Ai- ＞Ai-1的Tq，Tqi1為在A(yíng)i處計(jì)算所得的路徑AiA1的總Tq，則路徑AnA1的總Tq為

當(dāng)路由節(jié)點(diǎn)收到某一源節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)幀后，將幀中的Tq值與到發(fā)送節(jié)點(diǎn)的Tq值相乘，計(jì)算出通過(guò)此次傳播路徑本節(jié)點(diǎn)到源節(jié)點(diǎn)的Tq值，進(jìn)而與路由表中已經(jīng)存在的Tq值進(jìn)行比較得出最優(yōu)路徑.

3.3 路由建立

路由節(jié)點(diǎn)之間路由路徑的建立通過(guò)信標(biāo)幀的洪泛來(lái)完成，建立過(guò)程僅依靠信標(biāo)幀的單向傳輸.路由節(jié)點(diǎn)會(huì)周期性生成并廣播信標(biāo)幀，當(dāng)某個(gè)路由節(jié)點(diǎn)收到一個(gè)信標(biāo)幀(beaconFrame)后，會(huì)進(jìn)行如下步驟處理:

1)如果發(fā)送地址(sendAddr)為廣播地址(broadAddr)或本地物理地址(localAddr)，則丟棄該幀，否則轉(zhuǎn)入步驟2).

2)如果源子網(wǎng)地址(originAddr)為廣播地址，則丟棄該幀，否則轉(zhuǎn)入步驟3).

3)如果此幀源自本節(jié)點(diǎn)并由鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送，則更新回路投遞概率Eq，然后丟棄該幀.

4)如果此幀源自鄰居節(jié)點(diǎn)并由鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送，則更新反向投遞概率Rq，然后轉(zhuǎn)入步驟5).

5)計(jì)算路徑Tq值并更新路由表(routeTable)相關(guān)表項(xiàng)，然后轉(zhuǎn)入步驟6).

6)如果幀中TTL值為0，則丟棄該幀，否則更新信標(biāo)幀中相應(yīng)域并繼續(xù)廣播.

以下為路由建立算法的偽碼描述:

3.4 路由轉(zhuǎn)發(fā)

當(dāng)路由節(jié)點(diǎn)收到一個(gè)數(shù)據(jù)幀(dataFrame)時(shí)，會(huì)進(jìn)行如下處理:

1)提取最終目的節(jié)點(diǎn)(dstAddr)擴(kuò)展地址中的高16 bit子網(wǎng)地址(dstSubAddr)，然后轉(zhuǎn)入步驟2);

2)如果目的子網(wǎng)地址為本地子網(wǎng)地址(local-SubAddr)，即本數(shù)據(jù)幀發(fā)給本子網(wǎng)，則轉(zhuǎn)入步驟3)，否則轉(zhuǎn)入步驟4);

3)提取最終目的節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展地址中的低16 bit地址(dstLeftAddr)，如果等于本地物理地址(local-Addr)，即本數(shù)據(jù)幀發(fā)給自己，則接收并做相應(yīng)處理;否則將檢查子節(jié)點(diǎn)表(childTable)，如果目的節(jié)點(diǎn)在子節(jié)點(diǎn)表中則將其轉(zhuǎn)發(fā)給本子網(wǎng)內(nèi)相應(yīng)的終端節(jié)點(diǎn)，否則將其丟棄;

4)檢查路由表，如果目的子網(wǎng)地址不在路由表中，則轉(zhuǎn)入步驟5);否則將該數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)路由表項(xiàng)中的下一跳地址(nextHopAddr);

5)檢查鄰居表，如果目的子網(wǎng)地址不在鄰居表中，則丟棄該幀;否則如果相應(yīng)鄰居表項(xiàng)中Tq值為0，則丟棄該幀，否則將該數(shù)據(jù)幀直接發(fā)送給鄰居節(jié)點(diǎn).

以下為路由轉(zhuǎn)發(fā)算法的偽碼描述:

4 性能分析

文中搭建了實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境并通過(guò)測(cè)試對(duì)本文協(xié)議與ZigBee協(xié)議棧進(jìn)行性能對(duì)比分析.測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的硬件平臺(tái)為自主設(shè)計(jì)的基于Freescale無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)芯片MC13213的無(wú)線(xiàn)傳輸模塊，其可調(diào)發(fā)射功率范圍為-28.7 ～3.4 dBm，接收靈敏度為 -92 dBm［13］;軟件部分本文協(xié)議基于ucos-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，ZigBee采用Freescale提供的ZigBee協(xié)議棧代碼.

測(cè)試地點(diǎn)為寫(xiě)字樓室內(nèi)辦公區(qū)域，大小為50 m×50 m，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D4所示:共有21個(gè)路由節(jié)點(diǎn)分布在測(cè)試環(huán)境中，傳輸不同類(lèi)型應(yīng)用數(shù)據(jù)的兩種終端各4個(gè)，也平均分布在測(cè)試環(huán)境中.

圖4 性能測(cè)試節(jié)點(diǎn)分布圖

4.1 對(duì)于對(duì)稱(chēng)路徑依賴(lài)性的對(duì)比

本部分測(cè)試比較兩種協(xié)議在非對(duì)稱(chēng)路徑上數(shù)據(jù)投遞成功率.如圖4所示，在測(cè)試過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)中的路由節(jié)點(diǎn)隨機(jī)動(dòng)態(tài)地調(diào)整發(fā)射功率，以此模擬鏈路的非對(duì)稱(chēng)性.分別在兩種協(xié)議下終端節(jié)點(diǎn)Ⅰ-4以1 kb·s-1的速率向路由節(jié)點(diǎn)T發(fā)送應(yīng)用數(shù)據(jù)，其他節(jié)點(diǎn)不發(fā)送任何應(yīng)用數(shù)據(jù)，測(cè)試時(shí)間為4 h，并在T點(diǎn)以10 min為單位統(tǒng)計(jì)丟包率，最終統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5示.

圖5 對(duì)稱(chēng)路徑依賴(lài)性

由圖5可見(jiàn)，在存在非對(duì)稱(chēng)路徑的環(huán)境中，文中提出的協(xié)議相比于ZigBee協(xié)議有著穩(wěn)定且較低的丟包率.這是由于ZigBee協(xié)議路由的建立需要路由請(qǐng)求幀和路由回復(fù)幀兩種路由管理幀在所選路徑上的回路傳輸，非對(duì)稱(chēng)路徑可能會(huì)導(dǎo)致路由回復(fù)幀在反向路徑上的丟失，從而造成路由建立失敗;本文協(xié)議路由建立的過(guò)程僅基于路由管理幀的單向傳輸，所以對(duì)于對(duì)稱(chēng)路徑的依賴(lài)比ZigBee協(xié)議低.

4.2 對(duì)于路由管理幀投遞效率依賴(lài)性的對(duì)比

在本部分測(cè)試中，網(wǎng)絡(luò)中路由節(jié)點(diǎn)在接收到路由管理幀和數(shù)據(jù)幀時(shí)以0.1%的概率將幀丟棄不處理，以此測(cè)試兩種路由協(xié)議對(duì)于路由管理幀投遞失敗的容忍程度.測(cè)試時(shí)終端節(jié)點(diǎn)Ⅰ-4向路由節(jié)點(diǎn)B以1 kb·s-1的速率發(fā)送應(yīng)用數(shù)據(jù)，其他節(jié)點(diǎn)不發(fā)送任何應(yīng)用數(shù)據(jù)，測(cè)試時(shí)間為4 h，并在B點(diǎn)以10 min為單位統(tǒng)計(jì)丟包率，最終統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6示.

圖6 路由管理幀投遞成功率依賴(lài)性對(duì)比

由圖6可見(jiàn)相比ZigBee協(xié)議，本文協(xié)議對(duì)路由管理幀的丟失有更好的容忍度.這是因?yàn)閆igBee協(xié)議僅依靠一次路由管理幀的洪泛過(guò)程建立路由，因此路由管理幀的丟失會(huì)影響到可選路徑的數(shù)量或造成路由建立的失敗，也有可能將最優(yōu)路徑漏掉;而本文協(xié)議則統(tǒng)計(jì)了近期管理幀的投遞成功率，并以此為判據(jù)選擇最優(yōu)路由，所以路由建立不會(huì)受到某次路由管理幀丟失的影響.

4.3 網(wǎng)絡(luò)整體應(yīng)用數(shù)據(jù)投遞成功率對(duì)比

測(cè)試時(shí)在兩種協(xié)議下所有Ⅰ類(lèi)終端節(jié)點(diǎn)和所有Ⅱ類(lèi)終端節(jié)點(diǎn)在相同的負(fù)載下分別向G點(diǎn)和L點(diǎn)發(fā)送應(yīng)用數(shù)據(jù)，每組測(cè)試中負(fù)載不同，時(shí)間均為4 h，最后統(tǒng)計(jì)G點(diǎn)和L點(diǎn)的應(yīng)用數(shù)據(jù)丟包率，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖7-8所示.

圖7 Ⅰ類(lèi)終端G點(diǎn)處丟包率對(duì)比

圖8 Ⅱ類(lèi)終端L點(diǎn)處丟包率對(duì)比

由圖7-8可以看出在各種負(fù)載情況下本文協(xié)議的數(shù)據(jù)投遞成功率均比ZigBee協(xié)議有優(yōu)勢(shì)，而且優(yōu)勢(shì)會(huì)隨著負(fù)載的提高而擴(kuò)大.這是因?yàn)榻K端負(fù)載的提高會(huì)相應(yīng)地增大網(wǎng)絡(luò)中存在的數(shù)據(jù)量，從而增大沒(méi)有傳輸可靠性的路由管理幀的丟失概率.本文協(xié)議對(duì)于管理幀丟失可以容忍的特性減輕了這方面的影響，而依賴(lài)于路由管理幀投遞成功率的ZigBee協(xié)議會(huì)受到嚴(yán)重的影響.對(duì)比圖7-8還可以看出本文協(xié)議相對(duì)于ZigBee協(xié)議在G點(diǎn)處比在L點(diǎn)處的整體優(yōu)勢(shì)大，這可能是由于G點(diǎn)附近環(huán)境較為復(fù)雜，會(huì)出現(xiàn)大量的非對(duì)稱(chēng)路徑導(dǎo)致ZigBee協(xié)議整體丟包率增大.

5 結(jié)論

文中提出了一種基于兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)mesh路由算法，從根本上解決了ZigBee中AODVjr路由算法對(duì)對(duì)稱(chēng)路徑以及路由管理幀投遞成功率依賴(lài)性強(qiáng)的問(wèn)題，結(jié)論如下:

1)路由建立依靠管理幀的單向傳輸，不需要節(jié)點(diǎn)間管理幀的交互，降低了路由算法對(duì)路徑對(duì)稱(chēng)性的依賴(lài).

2)將一段時(shí)間內(nèi)路由管理幀的丟包率作為路由判據(jù)，因此消除了某些管理幀丟失對(duì)路由建立的影響.

3)實(shí)際測(cè)試表明在鏈路質(zhì)量頻繁變化的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，相比ZigBee協(xié)議本文協(xié)議有著更高的數(shù)據(jù)傳輸可靠性.未來(lái)可以重點(diǎn)研究此協(xié)議對(duì)于含有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的適應(yīng)能力.

References)

［1］Sai Krishna T N，Garimella R M.Mesh multipath routing with leveling in route discovery:an efficient strategy in wireless sensor networks［C］∥Proceedings of2009 4th International Symposium on Wireless and Pervasive Computing.Melbourne，VIC，Australia:IEEE Computer Society，2009，doi:10.1109/ISWPC.2009.4800592.

［2］張榮標(biāo)，陳 婷，沈 卓，等.工業(yè)控制WSN匯聚節(jié)點(diǎn)可靠性分析［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，32(3):320-324.Zhang Rongbiao，Chen Ting，Shen Zhuo，et al.Reliability analysis of sink node in industrial control WSN［J］.Journal of Jiangsu University:Natural Science Edition，2011，32(3):320-324.(in Chinese)

［3］Hassan M N，Stewart R，Brito E，et al.Deployment and performance issues of an integrated wireless sensor network and wireless mesh campus network［C］∥Proceedings of2010 7th International Symposium on Communication Systems，Networks and Digital Signal Processing.Newcastle upon Tyne，United Kingdom:IEEE Computer Society，2010:890-895.

［4］Yang Hua，Li Zhiyuan.Simulation and analysis of a stability reverse AODV routing protocol［C］∥Proceedings of2012 2nd International Conference on Consumer Electronics，Communications and Networks.Three Gorges，China:IEEE Computer Society，2012:560-563.

［5］Bahr M.Proposed routing for IEEE 802.11s WLAN mesh networks［C］∥Proceedings of the2nd Annual International Workshop on Wireless Internet.Boston，MA，United States:Association for Computing Machinery，2006，doi:10.1145/1234161.1234166.

［6］Dong Yuejun，Dong Zhiyong，Zhang Shuqin，et al.Zig-Bee based energy efficient reliable routing in wireless sensor network:study and application［C］∥Proceedings of2011IEEE3rd International Conference on Communication Software and Networks.Xi'an，China:IEEE Computer Society，2011:464-467.

［7］易 歡.基于A(yíng)ODV的自組網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)及單向鏈路問(wèn)題分析［D］.北京:北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，2008.

［8］Jairath A，Khan W U.Modified AODV with Qos for asymmetric MANET［C］∥Proceedings of2010International Conference on Computational Intelligence and Communication Networks.Bhopal，India:IEEE Computer Society，2010:265-268.

［9］Xian Feng，Wang Jianzhi.An efficient ad hoc on-demand distance vector routing protocol［C］∥Proceedings of2010International Conference on Educational and Network Technology.Qinhuangdao，China:IEEE Computer Society，2010:453-458.

［10］Zhang Dongli，Jiao Wencheng，Zheng Jianling.Research and improvement of DSR protocol in Ad hoc network［C］∥Proceedings of2010 2nd International Conference on Industrial and Information Systems.Dalian，China:IEEE Computer Society，2010:242-244.

［11］Long Zhaohua，He Zheng.Optimization and implementation of DSR route protocol based on Ad hoc network［C］∥Proceedings of2007International Conference on Wireless Communications，Networking and Mobile Computing.Shanghai， China:IEEE Computer Society，2007:1508-1511.

［12］Lee Myung J，Zhang Rui，Zheng Jianliang，et al.IEEE 802.15.5 WPAN mesh standard-low rate part:meshing the wireless sensor networks［J］.IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2010，28(7):973-983.

［13］Freescale.MC13211/212/213/214 Reference Manual 2006［EB/OL］.http:∥www.freescale.com，2012-09-17.