【摘 要】定向擴散路由協(xié)議（DD，Direeted Diffusion）是一種以數(shù)據(jù)為中心的典型的無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議，通信過程中，其采用傳統(tǒng)的泛洪方式，會導致網(wǎng)絡能量的大量開銷。本文提出一種根據(jù)節(jié)點的信號輻射角度來發(fā)送興趣，相鄰節(jié)點只有在信號輻射角度范圍內才能引起興趣擴散，否則拒絕興趣擴散，以此降低網(wǎng)絡能量消耗。改進后的定向擴散路由協(xié)議，通過仿真結果分析，與傳統(tǒng)的定向擴散協(xié)議相比較，能縮小參與興趣擴散的節(jié)點數(shù)目，縮小興趣報文泛洪范圍，減少了網(wǎng)絡能量開銷，延長整個網(wǎng)絡的生命周期。

【關鍵詞】無線傳感器網(wǎng)絡；定向擴散；路由協(xié)議；梯度

1.引言

無線傳感器網(wǎng)絡（WSN，wireless sensor networks）是由大量成本低、功耗小以及自組織的無線傳感器節(jié)點所構成，能夠對外界環(huán)境信息進行實時采集、監(jiān)測。在智能家居、工農業(yè)環(huán)境監(jiān)測、國防工業(yè)、生物醫(yī)療等領域均有較寬廣的應用前景[1]。WSN路由協(xié)議的發(fā)展經(jīng)歷了從傳統(tǒng)的需求機制下的路由協(xié)議到數(shù)據(jù)驅動的路由協(xié)議兩個階段，發(fā)展出洪泛、謠傳、定向擴散等多種不同類型的路由協(xié)議。無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點在處理數(shù)據(jù)和通信上均受到能量限制，與傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡路由協(xié)議不同，網(wǎng)絡能量由節(jié)點自身電池供應。因此實現(xiàn)能量的有效利用是無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議設計首先需要考慮的目標[2]。本文在定向擴散路由協(xié)議的基礎上，提出了一種基于節(jié)點的輻射角度來建立興趣擴散，進而建立梯度機制，重點討論了在節(jié)點穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)時，節(jié)點在移動情況下，如何與其相鄰節(jié)點交換信息，進行梯度的自我調整。分析仿真結果，該改進算法能夠很好地節(jié)省網(wǎng)絡能量消耗。

2.WSN路由協(xié)議研究分析

WSN路由協(xié)議作為當前研究的熱點，在現(xiàn)階段已經(jīng)出現(xiàn)了多種經(jīng)典的路由協(xié)議。其中，SPIN（Sensor Protocol For Information Via Negotiation）路由協(xié)議是一種原始的無線通信路由協(xié)議，它主要是對泛洪協(xié)議的改進，是一種以數(shù)據(jù)為中心的自適應路由協(xié)議，通過節(jié)點之間的協(xié)商機制和資源自適應機制，解決Flooding協(xié)議和Gossiping協(xié)議的內爆和重疊現(xiàn)象。節(jié)點在傳送數(shù)據(jù)前通過協(xié)商，以減少網(wǎng)絡中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。節(jié)點只廣播其他節(jié)點所沒有的數(shù)據(jù)以減少冗余數(shù)據(jù)，從而有效減少能量消耗[3]。LEACH（Low-Energy Adaptive Clustering Hier-archy）路由協(xié)議是網(wǎng)絡周期性地隨機選取簇頭，其他的非簇頭節(jié)點則以鄰近的原則加入簇中，形成虛擬簇。簇內節(jié)點將收集到的信息發(fā)送給簇頭，再由簇頭轉發(fā)給路由節(jié)點，網(wǎng)絡中的信息傳輸任務平均分配給各個節(jié)點，以此延長網(wǎng)絡生命周期。但是簇首的能量消耗大，為了避免某些節(jié)點過早死亡，需要定期更換簇頭[4]。DD（Direeted Diffusion）路由協(xié)議是一種以數(shù)據(jù)為中心的、基于查詢的路由算法，路由節(jié)點周期性地通過泛洪的方式廣播一種稱為“興趣”的數(shù)據(jù)包，以便讓網(wǎng)絡中節(jié)點知道它需要收集什么樣的信息?！芭d趣”在網(wǎng)絡擴散中也經(jīng)歷了多個路由路徑，采集到和“興趣”相關的數(shù)據(jù)的節(jié)點則通過“興趣”擴散階段建立的路徑將“興趣”數(shù)據(jù)傳送到傳感器節(jié)點。由于DD路由協(xié)議在網(wǎng)絡拓撲方面比較復雜，因此現(xiàn)階段也有將分簇思想引入到DD協(xié)議中，以此來抑制泛洪的傳播。定向擴散路由協(xié)議中的梯度指的是相鄰節(jié)點跳數(shù)的差值，它是相鄰節(jié)點間鏈路的梯度值。在進行路由轉發(fā)時候選取與該節(jié)點相連接的最大梯度所對應的路徑進行數(shù)據(jù)轉發(fā)[5]。

3.定向擴散算法的理論評價

3.1 泛洪數(shù)據(jù)傳輸

Flooding是一種傳統(tǒng)的網(wǎng)絡路由協(xié)議，如圖1所示。節(jié)點S希望發(fā)送數(shù)據(jù)到節(jié)點R，使用泛洪數(shù)據(jù)傳輸，則節(jié)點S首先通過將它的數(shù)據(jù)副本傳送給他的鄰近節(jié)點，鄰近節(jié)點又將數(shù)據(jù)傳輸給它們的鄰居節(jié)點（S除外）。如此繼續(xù)，直到數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥繕斯?jié)點R為止或者該數(shù)據(jù)的生命周期為零[6]。

圖1 泛洪數(shù)據(jù)傳輸示意圖

在泛洪數(shù)據(jù)傳輸范圍內，數(shù)據(jù)源將所有的時間發(fā)送給網(wǎng)絡內的每個節(jié)點。如果第二層次的節(jié)點傳送能力不比泛洪數(shù)據(jù)傳送好的話，則定向傳送方法不適宜運用于WSN中。在分析評價中，DD協(xié)議的能量消耗為每個數(shù)據(jù)源到全部接受者發(fā)出和接收過程消耗能量之和。該方式比組播和定向擴散消耗的能量都要高。

3.2 組播

在WSN數(shù)據(jù)組播中，每個數(shù)據(jù)源沿著最短的多路徑傳送到它的目標接收者。如果不考慮構造樹型的耗費，組播是最好的方式，對于組播而言，數(shù)據(jù)傳送的費用由它每個數(shù)據(jù)源的具體最短路徑樹中連接數(shù)的2倍決定。在簡單的方格拓撲結構中，對每個數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)接受者來說，也有許多最短的路徑[7]。如果采用從接收者到發(fā)送者的對角線距離，則是最短路徑；如果選擇水平的連接，這個路徑規(guī)章被重復，直到到達數(shù)據(jù)源。因此，組播方式中最短路徑選擇中則不包括垂直的連接[8]。

3.3 定向擴散

定向擴散的方式和組播方式相類似，假定擴散的局部算法建造的樹是每個數(shù)據(jù)源發(fā)出的最短路徑的樹的“集合”。即擴散的最短路徑是在組播中按照相同的規(guī)定來選擇最短的路徑。雖選用相同的路徑選擇方案，但定向擴散的數(shù)據(jù)源也會發(fā)出相同的目標定位估計，考慮到擴散能抑制重復的應用，擴散中傳送的數(shù)據(jù)的消耗是所有最短樹集合路徑的2倍[9]。

3.4 對比

通過對3中傳播方式耗費能量的比較，可知泛洪數(shù)據(jù)傳送的能耗比組播方式高好幾倍，但是組播方式的能耗比定向擴散的耗費高。

4.定向擴散路由協(xié)議的改進及仿真實現(xiàn)

4.1 定向擴散路由協(xié)議的改進算法

在進行定向擴散路由協(xié)議的改進算法前，假設無線傳感器網(wǎng)絡具有如下性質：

（1）網(wǎng)絡中各個節(jié)點都是（下轉封三）（上接第64頁）處于靜止狀態(tài)的。

（2）網(wǎng)絡中的傳感器節(jié)點發(fā)送信號都具有一個射頻發(fā)射角，該角度大小由網(wǎng)絡中節(jié)點密度確定，節(jié)點密度越大，射頻發(fā)射角度也越大。

（3）每個節(jié)點都有相同的感知能力。

算法具體描述如下：

假設興趣區(qū)域為矩形，其坐標為（ad1，bd1，ad3，bd3），于是，興趣區(qū)域中心點坐標為：

ad=ad1+ad32，bd=bd1+bd32 （1）

Sink節(jié)點坐標為（a0，b0），假定a0

od=bd-b0ad-a0 （2）

傳感器節(jié)點根據(jù)節(jié)點密度、興趣區(qū)域大小計算自己的射頻發(fā)射角度：

α=2（γ-β），γ=arctgbd-b0ad-a0

（3）

β=arctgbd3-b0xd3-a0 （4）

并將（a0，b0）、（ad，bd）和α添加到興趣報文中，作為包含興趣分組的字段，接收到興趣報文的節(jié)點i（ai，bi）不直接對興趣進行處理，而是先從興趣報文中提取出（ao，bo），（ad，bd），發(fā)射角度α等信息。先判斷自己是否在興趣區(qū)域內，是的話則繼續(xù)轉發(fā)興趣。若不是，則說明節(jié)點i是中間節(jié)點，然后處于b0和bd之間，若該條件成立，則說明節(jié)點i處于興趣泛洪的方向上；反之，則不轉發(fā)興趣。若節(jié)點i在興趣泛洪的方向上，再檢查自己是不是在傳感器節(jié)點的射頻發(fā)射角度范圍內，即ai*tgβ

4.2 仿真結果及分析

仿真基于NS-2仿真平臺，仿真工作主要針對節(jié)點轉發(fā)興趣報數(shù)目分析和節(jié)點能量開銷。在轉發(fā)興趣報文數(shù)目分析中，研究5種不同的傳感器分布環(huán)境，分別設定300，250，200，150，100，50個節(jié)點數(shù)目情況下進行仿真，節(jié)點隨機分布在500m×500m的區(qū)域。假設傳感器節(jié)點數(shù)目為1，源節(jié)點數(shù)目為5，MAC層采用頻段為802.11，信道帶寬為1Mbit/s，數(shù)據(jù)分組大小為6byte，設置興趣重發(fā)時間間隔為50s。在能耗方面，由于網(wǎng)絡密度的不同，節(jié)點能耗也不同，將節(jié)點隨機分布在600m*600m的區(qū)域，設定在300，250，200，150，100，50個節(jié)點數(shù)目下的場景，持續(xù)時間為500s，一個傳感器節(jié)點和三個源節(jié)點，他們的最初能量為1200J，接收節(jié)點能量損耗為0.938J，發(fā)送節(jié)點能量損耗為0.678J。

圖2 數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖

如圖3所示，在相同的網(wǎng)絡仿真環(huán)境下，采用改進的定向擴散路由算法DD-1，可以減少網(wǎng)絡內傳播的興趣信息包數(shù)目，這與理論是相符合的[10]。也反映了該路由協(xié)議能量的有效性，對節(jié)點分布密集的網(wǎng)絡而言，改進的定向擴散路由協(xié)議性能較沒改進的性能更加優(yōu)越。

圖3 不同網(wǎng)絡環(huán)境下的興趣報文數(shù)

如圖4所示：通過在不同節(jié)點數(shù)目環(huán)境下進行模擬仿真，改進的定向擴散路由協(xié)議DD-1，能夠有效減少網(wǎng)絡的能量開銷。原因為利用射頻角度的方法，使得不在正確方向上傳輸?shù)墓?jié)點不參與興趣的轉發(fā)。大大節(jié)省了節(jié)點的能量消耗，降低了節(jié)點的能量開銷，有助于延長整個網(wǎng)絡的生命周期。

圖4 不同網(wǎng)絡環(huán)境下的節(jié)點能量開銷

5.結論

定向擴散路由協(xié)議是無線傳感器網(wǎng)絡中以數(shù)據(jù)為中心的重要路由協(xié)議，采用傳統(tǒng)的泛洪算法對于網(wǎng)絡能量消耗較大[11]，本文在定向擴散的基礎上，通過WSN節(jié)點產(chǎn)生興趣后計算節(jié)點射頻角度的范圍，對興趣區(qū)域內的報文數(shù)進行轉發(fā)。改進后的路由算法隨著網(wǎng)絡規(guī)模的增大，改進算法能夠很好節(jié)省網(wǎng)絡能耗開銷。

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作者簡介：鄭少雄（1990—），碩士，研究方向：無線傳感器網(wǎng)絡在農業(yè)信息化當中的應用。