無線傳感器網(wǎng)絡不相交多路徑路由容錯纏繞系統(tǒng)設計

徐忠根+蔣琳

摘 要： 傳統(tǒng)網(wǎng)絡的容錯系統(tǒng)未全面分析網(wǎng)絡特征，處理多路徑纏繞問題時，存在耗能高以及波動大等問題。因此，設計無線傳感器網(wǎng)絡不相交多路徑路由容錯纏繞系統(tǒng)，其采用基于HSV色彩空間分離的節(jié)點不相交多路徑路由算法建立源節(jié)點到目標節(jié)點的不相交多路徑。系統(tǒng)將色彩平面劃分成A類型和B類型，并分別進行路徑選擇分析，實現(xiàn)不相交多路徑路由的容錯處理。系統(tǒng)通過動態(tài)時間間隔的鏈路RSSI檢索方案檢索動態(tài)節(jié)點，調整多路徑纏繞，解決節(jié)點路徑纏繞問題。實驗結果說明，所設計系統(tǒng)可顯著增強數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性以及網(wǎng)絡吞吐量，確保網(wǎng)絡能耗最小。

關鍵詞： 無線傳感網(wǎng)絡； 不相交多路徑； 容錯； 纏繞

中圖分類號： TN711?34； TP393 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）13?0164?04

Abstract： Since the network characteristics of the traditional fault?tolerant system havent been analyzed fully， which has the problems of high energy consumption and large fluctuation while dealing with the problem of multipath winding， a disjoint multipath routing fault?tolerant winging system for wireless sensor network was designed. The node disjoint multipath routing algorithm based on HSV color space separation is used to establish the disjoint multipath from the source node to the target node. The color plane is divided into A?type and B?type by means of the system， for which the path selection analysis is carried out respectively to realize the fault?tolerant treatment of the disjoint multipath routing. The link RSSI retrieval scheme of dynamic time interval is used to retrieve the dynamic nodes of the system. The multipath winding is adjusted to solve the problem of node path winding. The experimental results show that the designed system can enhance the data transmission stability and network throughput significantly， and ensure the minimal network energy consumption.

Keywords： wireless sensor network； disjoint multipath； fault tolerance； winding

0 引 言

無線傳感器網(wǎng)絡受到惡劣環(huán)境、能量約束等因素的干擾，會出現(xiàn)節(jié)點損壞以及通信鏈路斷裂的問題，導致數(shù)據(jù)傳輸效率大幅度降低[1]。因此，無線傳感器網(wǎng)絡的容錯性能對增強網(wǎng)絡性能具有重要作用。網(wǎng)絡節(jié)點移動過程中會出現(xiàn)纏繞問題，導致網(wǎng)絡通信路徑斷裂，數(shù)據(jù)傳輸效率大大降低[2]。而無線傳感器網(wǎng)絡容錯纏繞系統(tǒng)可確保網(wǎng)絡出現(xiàn)纏繞問題后，對傳輸數(shù)據(jù)進行恢復，增強網(wǎng)絡穩(wěn)定性。

1 無線傳感器網(wǎng)絡不相交多路徑路由容錯纏繞

系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)路由選擇設計

系統(tǒng)采用基于HSV色彩空間分離的不相交多路徑路由算法，通過HSV色彩空間模型，面向各鏈路塑造數(shù)值化的三元組，確保各條鏈路處于不同的色彩平面，獲取源節(jié)點到目標節(jié)點間的不相交多路徑[3]，也就是系統(tǒng)的路由。

設置無線傳感器網(wǎng)絡，包括一個基站節(jié)點和排列在特定領域的傳感器節(jié)點。傳感器節(jié)點采用多條路徑向sink節(jié)點傳輸信息，節(jié)點存在動態(tài)性，網(wǎng)絡存在大幅度的波動，出現(xiàn)纏繞現(xiàn)象[4]。HSV色彩空間模型包括H（色調）、S（飽和度）以及V（亮度）分量，如圖1所示。

依據(jù)該HSV色彩模型，系統(tǒng)對無線傳感器網(wǎng)絡中的鏈路塑造數(shù)值化的三元組采用鏈路著色，確保網(wǎng)絡對應不同的色彩平面。其中的取值區(qū)域集是R（紅）、Y（黃）、G（綠）、B（藍），的取值區(qū)間是[0，1]，的取值區(qū)間是[0，1]。按照鏈路的情況，隨機設置一條鏈路的不同元組分量取值為：

式中：用于描述鏈路的RSSI；和分別用于描述RSSI的最高值和最低值；用于描述鏈路距sink節(jié)點的最低跳數(shù)；用于描述網(wǎng)絡最高跳數(shù)；表示鏈路至sink節(jié)點的距離；表示鏈路的信號強度。

HSV色彩空間模型內，值不變，則越高色彩飽和度越大，值越低色彩量度越低，顏色越深。則無線傳感器鏈路RSSI值越大，表明顏色越純，鏈路至sink節(jié)點距離越短，顏色越深。不同色彩平面能夠映射相同節(jié)點是出節(jié)點或入節(jié)點的差異鏈路，將源節(jié)點到目標節(jié)點的多路徑進行準確劃分[5]。網(wǎng)絡拓撲結構到色彩平面的映射過程如圖2所示。

圖2（a）表示拓撲結構里有6條鏈路，也是系統(tǒng)路由，所有鏈路的數(shù)值化元組用圖2（b）表示。其中鏈路以及的色調是R，鏈路以及的色調是G。在色彩模型相應的圓錐形坐標系里，6條鏈路映射至以及兩個色彩平面的6個點，用圖2（c）描述。

在色彩平面區(qū)域內，將出節(jié)點看成節(jié)點的起始鏈路，順著顏色加深的方向，從源節(jié)點到sink節(jié)點獲取路徑該6個色彩平面可塑造6條路徑。

1.2 系統(tǒng)路由容錯纏繞處理的實現(xiàn)

1.2.1 無線傳感器網(wǎng)絡鏈路著色

系統(tǒng)對1.1小節(jié)獲取的多路徑實施著色，將鏈路映射到各色彩平面中。實施著色過程中，要求相同節(jié)點向sink節(jié)點的鏈路著統(tǒng)一色調，具體過程為：

（1） 對將sink節(jié)點當成入節(jié)點的鏈路設置相應的色調，基于RSSI值將鏈路從高到低進行布置，再為各鏈路設置6種基本色調，循環(huán)運行，直至全部鏈路都劃分到指派色調。再基于式（1）～式（3）塑造三元組，其中用于描述設置色調過程，RSSI用于描述鏈路質量。向各鏈路設置一個HA消息，并向其他節(jié)點傳輸該消息，該消息中有鏈路出節(jié)點、入節(jié)點以及三元組。

（2） 為收集到HA消息的鏈路建立三元組，其取值為用于描述消息中的三元組飽和度分量，表示消中顏色三元組的色調分量[6]。最后變成一個RHA消息反饋給sink節(jié)點，其中存在鏈路出節(jié)點、入節(jié)點以及三元組信息。向目前全部節(jié)點為入節(jié)點的鏈路塑造三元組，其中，和值同過程（2）一致，而向各條鏈路集成一個HA消息，并將該消息傳輸給其他節(jié)點。

（3） 采集其他節(jié)點的消息時，采集節(jié)點將該消息中的內容存儲到當前鏈路表。

（4） 如果網(wǎng)絡中的節(jié)點不再形成新HA消息，則終止算法。

上述過程將無線傳感器網(wǎng)絡中的各鏈路都映射到色彩空間的某個點值，對應于不同的色彩平面。

1.2.2 不相交多路徑路由容錯過程

為了增強系統(tǒng)對不相交多路徑路由的容錯能力，系統(tǒng)將色彩平面劃分成A類型和B類型，并分別進行路徑選擇分析，實現(xiàn)不相交多路徑路由的容錯處理。若將某節(jié)點變成出節(jié)點鏈路[7]，此鏈路在色彩平面里，則把此彩平面變成當前節(jié)點A類型的色彩平面，反之把它設為目標節(jié)點B類型的色彩平面。無線傳感器網(wǎng)絡中的源節(jié)點向sink節(jié)點輸送數(shù)據(jù)包的進程中，能使用多條不相交的傳送路徑輸送數(shù)據(jù)包，路由容錯進程如下：

（1） A類型色彩平面操作

把源節(jié)點當作出節(jié)點，且在A類型色彩平面的鏈路中當成源節(jié)點路徑的開始鏈路，在數(shù)據(jù)包首部存入色調，再向該鏈路入節(jié)點反饋數(shù)據(jù)包，向暫態(tài)鏈路集中融入該鏈路。

（2） B類型色彩平面操作

源節(jié)點發(fā)送REQ消息，檢索鄰居節(jié)點是否含有處于B類型色彩平面的鏈路，如果存在，則鄰居節(jié)點會反饋REP消息，源節(jié)點分析暫態(tài)鏈路集中是否包含REP消息中的鏈路，若包含，則將該鏈路當成開始鏈路，并向數(shù)據(jù)包首部融入色調信息，再向鏈路入節(jié)點反饋數(shù)據(jù)包，終止REP消息的采集[8]，將鏈路存儲在暫態(tài)鏈路集；否則，等待REP消息。直至不再獲取REP消息，以及全部REP消息的鏈路不屬于暫態(tài)鏈路集，則結束路徑選擇，同時將暫態(tài)鏈路集中的內容全部刪除。

為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)業(yè)務傳輸?shù)姆€(wěn)定性，在數(shù)據(jù)業(yè)務傳輸穩(wěn)定性強的情況下，采用飽和度優(yōu)先方案選擇后續(xù)鏈路；否則采用亮度優(yōu)先方案選擇后續(xù)鏈路。

1.2.3 調整不相交多路徑路由纏繞

系統(tǒng)通過動態(tài)時間間隔的鏈路RSSI檢索方案檢索動態(tài)節(jié)點，完成不相交多路徑纏繞的調整，提高網(wǎng)絡通信效率。具體過程為：

如果檢索節(jié)點驅動RSSI檢索事件[9]，則將RSSI檢索申請RDQ消息反饋給鄰居節(jié)點，鄰居節(jié)點塑造三元組，設置以及分別是鄰居節(jié)點的下屬HA消息的色調和亮度分量，鄰居節(jié)點將RSSI檢索響應REP消息反饋給檢索節(jié)點。檢索節(jié)點收集到REP信息后，經(jīng)過信息中的鏈路色彩三元組對目前鏈路列表實行整理。完成RSSI檢索后，若新融入的鏈路和過濾的鏈路數(shù)高于調整鏈路數(shù)，則說明檢索節(jié)點移向其他位置，否則說明檢索節(jié)點未變化。系統(tǒng)設置鏈路RSSI檢索的時間間隔是動態(tài)變化的，將時間間隔設置成高間隔以及短間隔先將節(jié)點鏈路RSSI檢索間隔設置成如果當前檢索結果是節(jié)點位置變化，則將檢索間隔降低一半；否則，將檢索間隔提高一半。最終確保動態(tài)變化高的節(jié)點檢索間隔降低；而動態(tài)變化低的節(jié)點檢索間隔增加。

上述描述的鏈路RSSI檢索方案，不僅可檢測節(jié)點的位置變化情況[10]，并且還可對鏈路情況進行調整，實現(xiàn)不相交多路徑纏繞問題的調整。

2 仿真實驗分析

采用仿真實驗將本文方法同DCBM方法相對比，分析兩種方法的數(shù)據(jù)傳輸成功率、網(wǎng)絡吞吐量以及能量消耗。實驗仿真場景將全部節(jié)點任意安裝在500 m×500 m的范圍中，sink節(jié)點處于范圍的核心，將節(jié)點的發(fā)射功率傳輸距離設置成40 m，設置網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸速率為300 Kb/s，信道滯后為0.2 s。

2.1 數(shù)據(jù)傳輸成功率

本文方法和DCBM方法的數(shù)據(jù)傳輸成功率對比情況如圖3所示，其中圖3（a）用于描述單路徑傳輸下，節(jié)點最高移動效率隨著數(shù)據(jù)傳輸成功率的波動情況；圖3（b）用于描述節(jié)點在最高移動效率固定狀態(tài)中，通過多條路徑傳輸數(shù)據(jù)的成功率情況。分析圖3（a）可得，多路徑傳輸數(shù)據(jù)狀態(tài)下，在節(jié)點移動效率不斷提升時，兩種方法的數(shù)據(jù)傳輸成功率都降低，并且DCBM方法降低的幅度更大。本文方法在最高移動效率低于5 m/s的狀態(tài)下，單路徑數(shù)據(jù)傳輸成功率高于70%。分析圖3（b）可得，在節(jié)點最高移動效率為3 m/s的情況下，采用多路徑傳輸數(shù)據(jù)時，本文方法的數(shù)據(jù)傳輸成功率遠遠高于DCBM方法，如果路徑數(shù)量高于3，本文方法的數(shù)據(jù)傳輸成功率高于86%，主要是因為本文方法可對不相交多路徑纏繞問題進行調整，提高網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β省?/p>

2.2 網(wǎng)絡吞吐量

實驗檢測兩種方法下的網(wǎng)絡吞吐量，結果如圖4所示。實驗將sink節(jié)點在單位時間中采集的數(shù)據(jù)包量看成網(wǎng)絡吞吐量。所有節(jié)點間距0.22 s產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)包，經(jīng)過多個路徑向sink節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)包，sink節(jié)點對采集到的數(shù)據(jù)包量進行匯總。圖4（a）用于描述節(jié)點最高移動效率增加后，兩種方法的網(wǎng)絡吞吐量波動情況；圖4（b）用于描述節(jié)點數(shù)量的不斷提升后，兩種方法的網(wǎng)絡吞吐量波動情況。分析圖4可得，相對于DCBM方法，在節(jié)點動態(tài)變化狀態(tài)下，本文方法可獲取更高網(wǎng)絡吞吐量，關鍵是因為本文方法在多個不相交的路徑纏繞情況下，能獲得更高的輸送成功率，大大增加了網(wǎng)絡節(jié)點采集數(shù)據(jù)包量的成功率。

2.3 能量消耗

實驗對比分析了兩種方法對不相交路徑路由容錯纏繞調整過程的耗能情況，設置網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)量為300，最高移動效率是3 m/s，隨著sink節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)包量的增加，兩種方法的能耗如圖5所示。實驗采用網(wǎng)絡節(jié)點輸送1個數(shù)據(jù)包損耗2個單位能量，收集1個數(shù)據(jù)包耗費1個單位能量，節(jié)點間距1 s產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)包，并將該數(shù)據(jù)包傳輸給sink節(jié)點。從圖5中能夠看出，本文方法的能耗比DCBM方法低，本文方法能夠通過動態(tài)時間間隔對信息的傳輸頻率進行管理，最終使得網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包傳輸能耗降低。

3 結 論

本文設計并實現(xiàn)了一種無線傳感器網(wǎng)絡不相交多路徑路由容錯纏繞系統(tǒng)，其經(jīng)過對鏈路著色，達到不相交的多個路徑檢索及劃分，并根據(jù)RSSI檢索路徑的調整方案解決節(jié)點路徑纏繞問題。

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