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[導(dǎo)讀]0 引言 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)目前處于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域的前沿,并有可能發(fā)展成為一個新的巨大經(jīng)濟(jì)規(guī)模的高科技市場。如今,由美國軍方資助的學(xué)術(shù)研究機(jī)構(gòu)、跨國公司和全球最大的IT供應(yīng)商們均已將傳感器網(wǎng)絡(luò)列入研發(fā)

0 引言
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)目前處于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域的前沿,并有可能發(fā)展成為一個新的巨大經(jīng)濟(jì)規(guī)模的高科技市場。如今,由美國軍方資助的學(xué)術(shù)研究機(jī)構(gòu)、跨國公司和全球最大的IT供應(yīng)商們均已將傳感器網(wǎng)絡(luò)列入研發(fā)計(jì)劃并積極開展。隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的深入研究和廣泛應(yīng)用,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將逐漸深入到人類生活的各個領(lǐng)域。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能交通中應(yīng)用的有著巨大前景,在道路交通中,傳感網(wǎng)又有其特殊的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/strong>結(jié)構(gòu),帶狀的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本文結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn),研究適合帶狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的易實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。

1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及路由分析
現(xiàn)有的路由技術(shù)的局限性使其不能直接用于傳感器網(wǎng)絡(luò),而針對移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的組網(wǎng)和通信協(xié)議一般也不適合于傳感器網(wǎng)絡(luò)。其重要原因之一是其擴(kuò)展性的要求不同,移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)相對節(jié)點(diǎn)的移動性來講,擴(kuò)展性問題并不十分突出;而傳感器網(wǎng)絡(luò)要求支持大規(guī)模網(wǎng)絡(luò),節(jié)點(diǎn)的移動性較弱甚至沒有,主要問題變?yōu)槿绾窝娱L網(wǎng)絡(luò)的生存時間。這決定了兩種網(wǎng)絡(luò)有不同的優(yōu)化目標(biāo)。因此,有必要針對交通示范工程中交通信息數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)忍攸c(diǎn),研究傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議,重點(diǎn)解決提高擴(kuò)展性、低功耗、適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化等問題。

帶狀拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò),如圖1,網(wǎng)絡(luò)呈樹型鏈狀結(jié)構(gòu),借用分級網(wǎng)絡(luò)[1]的概念,將網(wǎng)絡(luò)分為兩層,底層是傳感器節(jié)點(diǎn)采集環(huán)境參數(shù),高層是網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點(diǎn),或是本地區(qū)小網(wǎng)絡(luò)的管理中心,匯聚本地區(qū)的信息經(jīng)數(shù)據(jù)融合后傳至更高層的網(wǎng)絡(luò)。由于帶狀網(wǎng)絡(luò)的特殊性,按地理位置將底層網(wǎng)絡(luò)分為多個簇,合理的簇結(jié)構(gòu)是按鏈的方向分簇,并不指定簇頭,所以底層網(wǎng)絡(luò)也可稱為無簇頭的分級網(wǎng)絡(luò)。正常情況下,不同簇間節(jié)點(diǎn)互不通信,所有節(jié)點(diǎn)的采集信息經(jīng)本簇節(jié)點(diǎn)傳送至上層網(wǎng)絡(luò)。

                             

                                 圖1 帶狀結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

如圖1中,將底層分為M、N、P三個簇,簇內(nèi)成員數(shù)可以在帶狀區(qū)域任意擴(kuò)展。上層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)B可以高速移動[2]。
這樣一個帶狀結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò),路由建立與維護(hù)都有其特殊性。由于底層節(jié)點(diǎn)無需移動,或在某一范圍緩慢移動,其目的是將采集的信息傳至上層移動的節(jié)點(diǎn)。所以底層網(wǎng)絡(luò)路由采用表驅(qū)動方式。由上層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)來建立整個網(wǎng)絡(luò)的路由,但維護(hù)路由的任務(wù)卻由本地節(jié)點(diǎn)來完成。

2 帶狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)路由協(xié)議

2.1 路由建立
路由建立過程的思想是,由上層節(jié)點(diǎn)在全網(wǎng)范圍內(nèi)廣播路由請求數(shù)據(jù)包RREQ,底層節(jié)點(diǎn)收到RREQ后即更新鄰居鏈表,同時更新路由表,然后同樣以廣播的方式轉(zhuǎn)發(fā)RREQ,但只轉(zhuǎn)發(fā)同一簇內(nèi)的RREQ;本地節(jié)點(diǎn)在同一簇內(nèi)建立路由,但維護(hù)的鄰居鏈表包括整個網(wǎng)絡(luò)的鄰居信息,以記錄網(wǎng)絡(luò)的連通性。

借用AODV路由協(xié)議中RREQ包格式,定義協(xié)議RREQ格式如表1[3,4]。

                          

其中,包類型:用于標(biāo)明該數(shù)據(jù)包是RREQ包,廣播包;源地址:發(fā)起RREQ的節(jié)點(diǎn)地址,應(yīng)為上層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的地址;跳數(shù):源節(jié)點(diǎn)到接收到RREQ包的節(jié)點(diǎn)經(jīng)過的跳段數(shù);廣播ID:由源節(jié)點(diǎn)維護(hù)的序列號,用于唯一標(biāo)識RREQ包。

                           

其中,目的節(jié)點(diǎn):記錄目的節(jié)點(diǎn)地址,應(yīng)為上層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的地址;路由狀態(tài):路由是否有效標(biāo)志;下一跳:本地節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的下一跳節(jié)點(diǎn)地址;路由過期時間:路由不再有效的時間點(diǎn)。
按照建立路由過程中不同節(jié)點(diǎn)的作用,路由建立過程如下:
1)上層移動節(jié)點(diǎn):向全網(wǎng)廣播RREQ用于建立路由;接收各個簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)攜帶信息的數(shù)據(jù)包。如圖1中節(jié)點(diǎn)B。由廣播ID和源地址序列對唯一標(biāo)識RREQ,用于判斷處理是否收到重復(fù)的RREQ包
2)可以和移動節(jié)點(diǎn)直接通信的節(jié)點(diǎn):接收到RREQ后,首先更新鄰居鏈表,然后將本地路由表里的下一跳寫下B,更新路由表。如圖1中,M3、N3、P3此時和B直接相連,分別是三個簇內(nèi)其它節(jié)點(diǎn)接入上層節(jié)點(diǎn)的出口。

圖2 本地節(jié)點(diǎn)建立路由流程

3)底層網(wǎng)絡(luò)中其它節(jié)點(diǎn):M3、N3、P3接到B的RREQ,更新路由表后同樣以廣播的方式轉(zhuǎn)發(fā)RREQ,此時不同簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)會互相收到轉(zhuǎn)發(fā)的RREQ,利用此信息更新本地節(jié)點(diǎn)的鄰居鏈表。例如圖1中,N4收到N3轉(zhuǎn)發(fā)的RREQ,同時也可能收到M3、P3轉(zhuǎn)發(fā)的RREQ,N4利用此信息更新其鄰居鏈表。但N4用同一簇成員轉(zhuǎn)發(fā)的RREQ更新路由表,路由表中下一跳記錄為N3地址,然后丟掉接收到的其它同一RREQ包。同樣以廣播的方式再次轉(zhuǎn)發(fā)RREQ。這樣處理的好處是,在同一簇內(nèi)廣播RREQ,即建立了路由,記錄了本地節(jié)點(diǎn)的所有鄰居節(jié)點(diǎn),包括其它簇內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn),又有效的避免了RREQ在整個網(wǎng)絡(luò)中引起“廣播風(fēng)暴”的問題。其它節(jié)點(diǎn)均按同樣的方式處理,直到RREQ包達(dá)到最大的網(wǎng)絡(luò)半徑。
路由建立的過程見圖2的流程圖。

2.2 路由維護(hù)
在帶狀的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)里,同一簇內(nèi)鄰居節(jié)點(diǎn)有限,多數(shù)情況下只有左右兩個節(jié)點(diǎn)是其鄰居節(jié)點(diǎn),如果某一節(jié)點(diǎn)由于能量耗盡,簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)可能會斷開,將影響網(wǎng)絡(luò)的健壯性和可擴(kuò)展性,如圖3,節(jié)點(diǎn)N4由于某種原因不再具有傳感器節(jié)點(diǎn)的功能,N4以右的節(jié)點(diǎn)按先前發(fā)現(xiàn)的路由無法將數(shù)據(jù)傳送至目的節(jié)點(diǎn)B,因此必須采取某種措施以維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的連通性。節(jié)點(diǎn)同時擁有其它簇內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn),可以借助其它簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)續(xù)傳數(shù)據(jù)包。

圖3 網(wǎng)絡(luò)故障時路由的維護(hù)

鑒于帶狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特殊性,數(shù)據(jù)報文在找到目的節(jié)點(diǎn)的方向(即路由)后,如“接力”的方式依次往下傳,所以不采用端到端的應(yīng)答方式,而采用點(diǎn)到點(diǎn)的應(yīng)答,這樣節(jié)點(diǎn)能夠知道下一節(jié)點(diǎn)的狀態(tài),發(fā)送數(shù)據(jù)包時,如果不能收到下一跳節(jié)點(diǎn)的應(yīng)答包,則重復(fù)發(fā)送一次,仍然沒有應(yīng)答情況下,即認(rèn)為下一跳發(fā)生故障,立刻從鄰居鏈表中選擇其它簇內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn),由此簇節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)傳送數(shù)據(jù)包。

在圖3中,N5以右的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至N5后,由于N5沒有收到N4的應(yīng)答, N5需要從鄰居鏈表中選擇其一作為下一跳,如果有簇內(nèi)其它鄰居節(jié)點(diǎn)(如N3也是N5鄰居),優(yōu)先選擇(注意避免路由環(huán)),如果沒有,選擇其它簇內(nèi)鄰居,圖中N5選擇M5,N5將數(shù)據(jù)包成功的交給簇M內(nèi)的成員,由簇M負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點(diǎn)。此時N5路由表下一跳字段更改為M5,路由過期時間為鄰居節(jié)點(diǎn)M5的過期時間,直至N5再次收到同簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的RREQ更新路由。同時N5將N4的故障信息及時通知上層網(wǎng)絡(luò)。
路由維護(hù)的過程見圖4流程圖。

圖4 本地節(jié)點(diǎn)維護(hù)路由流程

3 帶狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在道路交通中的應(yīng)用與實(shí)踐
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離可靠的數(shù)據(jù)傳輸。傳感器節(jié)點(diǎn)自組成網(wǎng),快速形成相對穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。道路交通中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是帶狀網(wǎng)絡(luò)的典型應(yīng)用。在道路交通中,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有以下功能:傳感數(shù)據(jù)迅速可靠地傳輸?shù)接脩艚K端;拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨上層節(jié)點(diǎn)位置而變化;網(wǎng)絡(luò)關(guān)斷或增加某個節(jié)點(diǎn),網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)變化強(qiáng);節(jié)點(diǎn)唯一編號,在上層部分匯總傳感信息;根據(jù)上層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)收到的信息在用戶終端復(fù)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化過程;
例如,沿道路兩旁布下傳感器節(jié)點(diǎn),采集路面信息等,上層網(wǎng)絡(luò)可以是相互獨(dú)立的快速移動的汽車節(jié)點(diǎn),汽車可以根據(jù)需要接收底層網(wǎng)絡(luò)傳來的信息,這樣汽車可以及時準(zhǔn)確的知道前后路面的狀況。汽車可以將信息通過更高層的網(wǎng)絡(luò)傳到交通控制空心。

項(xiàng)目中,射頻芯片選擇CC1100,頻率選擇433MHz,最大有效射程調(diào)為150米左右。處理器選擇LPC2210,操作系統(tǒng)移植代碼公開的μC/OSⅡ.同時,由于項(xiàng)目的特殊應(yīng)用環(huán)境,來自汽車的噪聲影響嚴(yán)重,必須嚴(yán)格控制數(shù)據(jù)包的正確性。應(yīng)用實(shí)踐表明,本方案路由協(xié)議簡單容易實(shí)現(xiàn)且路由開銷小。

4 總結(jié)
針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)帶狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特殊性,提出分級網(wǎng)絡(luò)管理的方法,底層網(wǎng)絡(luò)采用無簇頭的分簇結(jié)構(gòu),這樣對網(wǎng)絡(luò)的路由建立與維護(hù)都容易實(shí)現(xiàn)。對帶狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究,極大推動傳感網(wǎng)在道路交通中的應(yīng)用。改變目前道路信息采集手段單一的技術(shù)手段。通過傳感網(wǎng)采集的多元交通信息的數(shù)據(jù)融合處理,提高道路交通信息的準(zhǔn)確性、可靠性。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn),針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在道路交通中的應(yīng)用,根據(jù)其特殊的帶狀拓?fù)?/strong>結(jié)構(gòu),將網(wǎng)絡(luò)分為兩級,提出無簇頭的易實(shí)現(xiàn)的分簇路由協(xié)議,即由上層移動節(jié)點(diǎn)建立路由、底層節(jié)點(diǎn)維護(hù)路由的機(jī)制。該路由協(xié)議在道路交通應(yīng)用中表明,易實(shí)現(xiàn),開銷小,容易維護(hù)。

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