沈 威，許 娜

(1.中國科學院研究生院，北京 100049；2.北京控制工程研究所，北京 100190)

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，路由協(xié)議負責將數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點。路由的關(guān)鍵是要尋找源節(jié)點到目的節(jié)點間通信延遲較小的路徑，提高整個網(wǎng)絡(luò)的利用率，避免通信擁塞并均衡網(wǎng)絡(luò)流量。傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由機制經(jīng)常與數(shù)據(jù)融合技術(shù)一起應(yīng)用，通過減少通信量來節(jié)省能量。WIA-PA工業(yè)無線標準規(guī)定[2]：設(shè)備在加入網(wǎng)絡(luò)后，各個路由設(shè)備通過發(fā)送信標幀來分配通信資源。信標幀中含有路由設(shè)備自身的超幀結(jié)構(gòu)信息。超幀是一種用來組織網(wǎng)絡(luò)通信時間分配的邏輯結(jié)構(gòu)。超幀機制要求通信設(shè)備之間的時間精確同步，而時間信息的傳播依賴于網(wǎng)絡(luò)的路由。路由的實現(xiàn)離不開網(wǎng)絡(luò)管理者對通信資源的分配，通信資源的分配效率將直接影響網(wǎng)絡(luò)各方面的性能。

1相關(guān)研究

1.1無線網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議

隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)許多專門針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議。根據(jù)應(yīng)用目標的不同，這些路由協(xié)議大致可分為四種類型：能量感知路由協(xié)議、基于查詢的路由協(xié)議、地理位置路由協(xié)議和可靠路由協(xié)議。

能量感知路由主要是根據(jù)節(jié)點的可用能量(剩余能量)或傳輸路徑上的能量需求，選擇數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。為了均衡消耗整個網(wǎng)絡(luò)的能量，SHAH R C.等人提出了一種能量多路徑路由機制[3]。其核心思想是在源節(jié)點和目的節(jié)點之間建立多條路徑，根據(jù)路徑上節(jié)點的通信能耗以及節(jié)點的剩余能量，給每條路徑設(shè)置一個被選擇的概率，將通信能耗分散到多條路徑上，延長網(wǎng)絡(luò)的壽命。

定向擴散是一種基于查詢的以數(shù)據(jù)為中心的路由機制[4]。匯聚節(jié)點根據(jù)應(yīng)用需求，廣播興趣消息啟動路由建立過程。中間節(jié)點通過興趣表建立從數(shù)據(jù)源到匯聚節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸梯度，自動形成數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩鄺l路徑。在這多條路徑中，使用路徑加強機制生成一條優(yōu)化的數(shù)據(jù)傳輸路徑?；诓樵兊穆酚蓞f(xié)議還有適用于數(shù)據(jù)傳輸量較小的傳感器網(wǎng)絡(luò)的謠傳路由等。

在某些應(yīng)用中，節(jié)點需要獲取它的位置信息，如森林防火。地理位置路由假設(shè)節(jié)點已知自己的地理位置信息，以及目的節(jié)點或目的區(qū)域的地理位置，并依據(jù)這些地理信息選擇路由。相關(guān)研究包括：GEAR(Geographical and EnergyAwareRouting)機 制[5]、GEM(Graph Embedding)路由[6]和邊界定位地理路由[7]等。還有些應(yīng)用對數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃杂休^高要求，因此可靠路由協(xié)議是路由協(xié)議研究的一個重要方向。例如基于不相交路徑的多路徑路由機制，在這種機制中由于各個路徑被設(shè)置成不同的優(yōu)先級，當主路徑失效時，次優(yōu)路徑將成為新的主路徑。

1.2無線網(wǎng)絡(luò)的通信資源分配算法

由于無線通信設(shè)備的信道有限，并且信息傳播存在干擾，通信資源的分配效率對網(wǎng)絡(luò)的性能影響很大。近年來出現(xiàn)了許多無線通信技術(shù)，用于提高無線網(wǎng)絡(luò)的通信能力。

碼分多址接入CDMA(Code Division Multiple Access)是在擴頻通信技術(shù)上發(fā)展起來的一種嶄新而成熟的無線通信技術(shù)。CDMA技術(shù)的原理是基于擴頻技術(shù)，即將需傳送的具有一定信號帶寬信息數(shù)據(jù)，用一個帶寬遠大于信號帶寬的高速偽隨機碼進行調(diào)制，使原數(shù)據(jù)信號的帶寬被擴展，再經(jīng)載波調(diào)制并發(fā)送出去。接收端使用完全相同的偽隨機碼，與接收的帶寬信號作相關(guān)處理，把寬帶信號換成原信息數(shù)據(jù)的窄帶信號即解擴，以實現(xiàn)信息通信。

在前期預(yù)實驗的基礎(chǔ)上，以綜合評價、破碎力、揮發(fā)性成分和含油量為指標，分別考察不同切片厚度（1、3、5、7 mm）、漂燙溫度（70、80、90、100 ℃）、漂燙時間（1、3、5、7 min）、浸漬液（添加0.1%的食鹽濃度和不添加食鹽）、冷凍時間（1、2、3、4 h）5個預(yù)處理單因素對馬鈴薯脆片產(chǎn)品品質(zhì)的影響。經(jīng)樣品預(yù)處理后進行真空油炸，真空油炸參數(shù)為：真空度0.098 MPa、油炸溫度（88±2）℃、時間32 min、離心脫油轉(zhuǎn)速400 r/min、時間6 min。

時分多址接入TDMA(Time Division Multiple Access)是把一個傳輸通道進行時間分割以傳送若干話路的信息，把N個話路設(shè)備接到一條公共的通道上，按一定的次序輪流地給各個設(shè)備分配一段使用通道的時間。當輪到某個設(shè)備時，這個設(shè)備與通道接通，執(zhí)行操作。與此同時，其他設(shè)備與通道的聯(lián)系均被切斷。待指定的使用時間間隔一到，則通過時分多路轉(zhuǎn)換開關(guān)把通道連接到下一個要連接的設(shè)備上去。

頻分多址接入FDMA(Frequency Division Multiple Access)是數(shù)據(jù)通信中的一種技術(shù)，即不同的用戶分配在時隙相同而頻率不同的信道上。按照這種技術(shù)，把在頻分多路傳輸系統(tǒng)中集中控制的頻段根據(jù)要求分配給用戶。同固定分配系統(tǒng)相比，頻分多址使通道容量可根據(jù)要求動態(tài)地進行交換。

2基于工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議

2.1家族譜系描述方法

家族譜系也稱“家譜”，是一種記載一個以血緣關(guān)系為主體的家族世系繁衍和重要人物事跡的特殊圖書體裁。世系圖是家譜的一個重要組成部分。家譜在立譜時，便確定了家族世系命名的輩分序列，而且事先標定字號、輩分。本文從網(wǎng)絡(luò)拓撲角度出發(fā)，借用家譜的術(shù)語和結(jié)構(gòu)關(guān)系進行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和路由協(xié)議的描述。

圖1所示為典型的樹型結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓撲。樹型結(jié)構(gòu)是一類重要的非線性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)中，有且僅有一個根(Root)，如A節(jié)點?；パa相交的有限集均稱為子樹。節(jié)點的子樹的根稱為該節(jié)點的孩子(Child)，該節(jié)點相應(yīng)地稱為孩子的雙親(Parent)。同一個雙親的孩子之間互稱為兄弟 (Sibling)。沒有孩子的節(jié)點的節(jié)點也被稱為葉子(Leaf)。這是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中對樹的定義。

圖1 典型的樹型結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓撲

本文根據(jù)家族譜系中的稱謂和關(guān)系，將其對應(yīng)到樹型結(jié)構(gòu)中的節(jié)點和節(jié)點之間的關(guān)系。使得對網(wǎng)絡(luò)拓撲和路由協(xié)議的描述更加清晰、方便、易于理解。

Root節(jié)點稱為根節(jié)點，也叫祖先節(jié)點。以圖1為例，與根節(jié)點直接相連的孩子節(jié)點統(tǒng)稱為“第 1代”(B、C、D節(jié)點)，“第 1代”的孩子節(jié)點統(tǒng)稱為“第 2代”(E、F、H、I、J節(jié)點)，以此類推。根節(jié)點也稱為“第 0代”。節(jié)點的子樹的根稱為該節(jié)點“兒子”，相應(yīng)地，該節(jié)點稱為兒子的“父親”。例如：A節(jié)點是B節(jié)點的父親，B節(jié)點是 A節(jié)點的兒子。同一個父親的兒子之間互為“親兄弟”，親兄弟有排行順序，稱為“家內(nèi)排行”。父親節(jié)點位于同一代的節(jié)點之間互為“堂兄弟”。例如：F節(jié)點和H節(jié)點互為堂兄弟。堂兄弟有排行順序，稱為“族內(nèi)排行”。節(jié)點與上一代的節(jié)點(除了自己的父親節(jié)點以外)構(gòu)成“叔侄”關(guān)系。例如：C節(jié)點為F節(jié)點的叔父，F(xiàn)節(jié)點為C節(jié)點的子侄。

2.2拓撲結(jié)構(gòu)的建立與路由協(xié)議

網(wǎng)絡(luò)建立之初，當網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器上電后，根節(jié)點廣播發(fā)出“子嗣發(fā)現(xiàn)”數(shù)據(jù)包，其中包含發(fā)送節(jié)點的層變量(level=0)和節(jié)點ID。根節(jié)點的鄰居節(jié)點接收到根節(jié)點發(fā)出的“子嗣發(fā)現(xiàn)”數(shù)據(jù)包后，將自己的層變量設(shè)置為1(level=1)，即確定自己為“第1代”中的一員；同時，“第 1代”需要向父節(jié)點發(fā)送一個“父子關(guān)系確認”數(shù)據(jù)包(包含節(jié)點自身ID)，發(fā)送時間根據(jù)節(jié)點ID適當延遲，以避免碰撞。然后，“第1代”的節(jié)點繼續(xù)廣播“子嗣發(fā)現(xiàn)”數(shù)據(jù)包。沒有確定層變量的節(jié)點在收到“第i代”節(jié)點的“子嗣發(fā)現(xiàn)”數(shù)據(jù)包后，記錄發(fā)送方的 ID，將自己的層變量設(shè)置為(i+1)，并回復(fù)“父子關(guān)系確認”數(shù)據(jù)包。這個過程蔓延下去，直到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有節(jié)點都被賦予一個層變量值，屬于家族樹中的某一代，擁有唯一的父節(jié)點和若干子節(jié)點。在家族樹的建立過程中，父節(jié)點在收到所有子節(jié)點發(fā)來的確認報文后，需要廣播一個“長幼順序”數(shù)據(jù)包，其中包含所有子節(jié)點的排列順序。子節(jié)點收到“長幼順序”數(shù)據(jù)包后，記錄自己的在兄弟中的排行，也就是“家內(nèi)排行”。數(shù)據(jù)包的交互過程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)包的交互過程

由于網(wǎng)絡(luò)的樹型結(jié)構(gòu)需要通過數(shù)據(jù)報文被不斷傳播，本協(xié)議還設(shè)計了一種具有針對性的樹型結(jié)構(gòu)線性存儲方式。該存儲方式結(jié)構(gòu)清晰，所占空間較小，便于節(jié)點設(shè)備在本地存儲自己的子樹結(jié)構(gòu)，以及將自己的子樹結(jié)構(gòu)以數(shù)據(jù)報文的形式發(fā)送出去。其數(shù)據(jù)格式如圖3所示，數(shù)據(jù)舉例部分依據(jù)圖1的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，根節(jié)點的ID為13，其余節(jié)點的ID以字母順序編號。當一個子節(jié)點接收到其所有子節(jié)點發(fā)送的“子樹報告”數(shù)據(jù)包后，它應(yīng)組織一個包含自己所有子樹的“子樹報告”數(shù)據(jù)包發(fā)送給父節(jié)點。

圖3 樹型結(jié)構(gòu)線性存儲報文格式

3基于工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的通信資源分配算法

3.1信道與時隙的分配原則

由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信特點，不同設(shè)備在相互通信時存在干擾。要想同時通信，相鄰層之間不可分配相同的信道。對于信道的分配，可以設(shè)置n層作為一個信道重復(fù)周期。假設(shè)n=3，如圖4所示，Root節(jié)點與第1代通信使用ch1信道，第1代與第2代通信使用ch2信道，第2代與第3代通信使用ch3信道，第3代與第4代通信可以重復(fù)使用ch1信道，如此循環(huán)。

圖4 信道分配實例

由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點一般只裝備一套射頻裝置，所以節(jié)點之間進行單播通信時需要分時。

父節(jié)點可以向所有子節(jié)點發(fā)送廣播報文，例如：時間同步報文、數(shù)據(jù)查詢報文等。如果不同父節(jié)點發(fā)送的廣播報文覆蓋范圍重合，子節(jié)點在接收時就存在干擾，需要分時。如圖4所示，節(jié)點1的廣播范圍覆蓋節(jié)點4、5，節(jié)點2的廣播范圍覆蓋節(jié)點6，則節(jié)點5和節(jié)點 6不能同時接收父節(jié)點發(fā)送的廣播報文。在家族樹結(jié)構(gòu)中，需要分時通信的情況還包括：父節(jié)點相同的節(jié)點在與其父節(jié)點通信時，需要分時；存在干擾的堂兄弟節(jié)點在與其父節(jié)點通信時，需要分時。

3.2通信資源的分配算法

網(wǎng)絡(luò)可用圖 G=(V，E)來表示，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù) n=|V|，對e∈E，定義代價函數(shù) Cost(e)：E→R+，時延函數(shù) Delay(e)：E→R+。節(jié)點i加入網(wǎng)絡(luò)時，先通過父節(jié)點從網(wǎng)絡(luò)管理者處獲取 ID信息，啟動 Cal_Tree()過程，進行路由選擇和通信資源分配。偽代碼如下：

若同一代的節(jié)點發(fā)送廣播報文的覆蓋范圍都重合，并且堂兄弟節(jié)點在與其父節(jié)點通信時均存在干擾，以圖4的拓撲結(jié)構(gòu)為例，資源的分配結(jié)果如圖 5(a)所示；若同一代的節(jié)點發(fā)送廣播報文的覆蓋范圍都重合，而堂兄弟節(jié)點在與其父節(jié)點通信時均不存在干擾，以圖4的拓撲結(jié)構(gòu)為例，資源的分配結(jié)果如圖5(b)所示。

4仿真實驗及分析

仿真實驗在OMNet++平臺上進行，拓撲采用8×8的Mesh結(jié)構(gòu)，64個節(jié)點中包含一個網(wǎng)絡(luò)管理者，負責全網(wǎng)絡(luò)通信資源的分配。實驗節(jié)點以中科院自主設(shè)計的GAINS-2節(jié)點為原型，該節(jié)點與Mica2節(jié)點兼容。節(jié)點的微控制器采用Atmega128L，射頻芯片采用CC1000。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議用Visual C++開發(fā)，網(wǎng)絡(luò)拓撲由.ned文件生成。

在網(wǎng)絡(luò)正常監(jiān)控階段，當用戶端有查詢?nèi)蝿?wù)時，查詢報文將沿著網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)傳播。圖6為模擬系統(tǒng)隨機生成的網(wǎng)絡(luò)拓撲以及路由協(xié)議建立的樹型結(jié)構(gòu)。查詢?nèi)蝿?wù)一般具有周期性，沿網(wǎng)絡(luò)的梯度方向傳播。

網(wǎng)絡(luò)維護代價、平均加入時延和平均傳輸時延是衡量路由協(xié)議和通信資源分配算法性能的一個重要指標。仿真實驗結(jié)果如圖7所示，數(shù)據(jù)的傳輸時延與鏈路的質(zhì)量密切相關(guān)。

在仿真實驗中，保持監(jiān)控區(qū)域面積不變，改變網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的數(shù)目，為達到應(yīng)用要求，需要增加節(jié)點的射頻距離，則能耗代價與節(jié)點的數(shù)目密切相關(guān)。圖8為網(wǎng)絡(luò)能耗代價與節(jié)點數(shù)目之間的變化關(guān)系。

工業(yè)無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是無線網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域的一個新的研究方向。本文采用家族譜系的描述方法，提出了一種適用于復(fù)雜工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)測的工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由和通信資源分配算法。這種通信資源分配算法采用分層、分時、分頻相結(jié)合的通信策略，充分利用了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特性，能夠有效提高無線網(wǎng)絡(luò)的通信效率。由于工業(yè)無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的工作環(huán)境具有多樣性，因此，未來的一個重要任務(wù)就是提高路由和通信資源分配算法的適應(yīng)性和可靠性，克服外界環(huán)境變化造成的影響。

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