王宏飛，李大霖，牟榮增，閻躍鵬

(中國科學(xué)院微電子研究所昆山分所，江蘇昆山215347)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor network，WSN)是一種低速率、低功耗、短距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)絡(luò).與有線網(wǎng)絡(luò)相比，無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臒o線信號易于受到干擾，因此在環(huán)境復(fù)雜的戶外以及室內(nèi)等環(huán)境中，無線傳輸?shù)逆溌焚|(zhì)量頻繁變化;此外，WSN還具有節(jié)點能量、計算和存儲資源有限的特點［1］.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點可以按照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)?、樹?tree)拓?fù)浜途W(wǎng)狀(mesh)拓?fù)?相比于星型和樹型拓?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］，因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)越來越多地使用網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).路由算法是無線mesh傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)，目前的路由算法大多來自于成熟的Ad hoc網(wǎng)絡(luò).AODV(Ad hoc on demand distance vector)是最常用的一種［4］，已經(jīng)在無線mesh網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.11s中得到了成功的應(yīng)用［5］.在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，通用標(biāo)準(zhǔn) ZigBee也使用了AODVjr路由算法，對AODV算法進行了改進，保持其原始功能，但考慮到節(jié)能、應(yīng)用方便性等因素，簡化了AODV的一些特點［6］.但AODVjr算法存在兩個根本性的問題:一方面依賴于路徑對稱性，在鏈路質(zhì)量變化頻繁的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，非對稱路徑的大量存在會導(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影響節(jié)點的路由選擇.DSR(dynamic source routing protocol)是另外一種常用于移動Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議［10-11］，該協(xié)議中源節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包需要包含轉(zhuǎn)發(fā)路徑上經(jīng)過的所有節(jié)點，不適用于節(jié)點存儲資源有限的無線傳感器網(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)系進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，并未完全實現(xiàn)節(jié)點之間的mesh路由.

文中提出一種基于統(tǒng)計學(xué)的mesh路由算法，節(jié)點周期性洪泛一種管理幀，通過單向傳遞，便可以根據(jù)這種管理幀在其他節(jié)點的投遞成功率來確定最優(yōu)路徑，消除了路由管理幀丟失以及非對稱路徑對于路由建立的影響.為了降低網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的資源消耗，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)點只能與簇頭進行通信，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:路由節(jié)點和終端節(jié)點.它們按照圖1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)，每個子網(wǎng)均為星型網(wǎng)絡(luò)，由一個路由節(jié)點和若干終端節(jié)點組成:路由節(jié)點作為子網(wǎng)的管理者，稱為簇頭，負(fù)責(zé)子網(wǎng)的維護以及與本子網(wǎng)內(nèi)節(jié)點相關(guān)數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)發(fā);終端節(jié)點均為簇頭的子節(jié)點，只能與簇頭進行通信，對于計算能力及存儲等資源的要求較低.路由節(jié)點在上層形成一個mesh網(wǎng)絡(luò)，此網(wǎng)絡(luò)通過路由節(jié)點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)點所在子網(wǎng)的簇頭.

網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點均擁有一個16 bit的物理地址，作為節(jié)點間相互區(qū)分的唯一標(biāo)識;每個子網(wǎng)將本子網(wǎng)的簇頭節(jié)點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.另外每個節(jié)點同時被分配一個32 bit的擴展地址，用來指示應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸過程中的最初源節(jié)點(srcAddr)以及最終目的節(jié)點(dstAddr);擴展地址的高16 bit為節(jié)點所在子網(wǎng)的地址(subAddr)，低16 bit為節(jié)點的物理地址(leftAddr).

2 星型子網(wǎng)

星型子網(wǎng)的建立、管理與維護均由簇頭負(fù)責(zé).一個路由節(jié)點啟動后便建立一個子網(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)點啟動后在一段時間內(nèi)監(jiān)聽周圍簇頭節(jié)點廣播的子網(wǎng)信息，從中選擇合適的子網(wǎng)并通過與相應(yīng)簇頭節(jié)點的信息交互加入網(wǎng)絡(luò)，與簇頭節(jié)點形成父子關(guān)系.

子網(wǎng)內(nèi)父子關(guān)系的維護采用基于生存周期的被動維護機制:當(dāng)節(jié)點收到來自于父節(jié)點或子節(jié)點的幀時便更新相應(yīng)的生存周期;如果在生存周期內(nèi)無法收到相應(yīng)節(jié)點的幀，便斷掉相應(yīng)的父子關(guān)系.

簇頭節(jié)點還負(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)點的路由路徑并進行轉(zhuǎn)發(fā);另外簇頭還會接收發(fā)送給本子網(wǎng)內(nèi)終端節(jié)點的數(shù)據(jù)幀，并進一步轉(zhuǎn)發(fā)給目的終端節(jié)點.

與路由節(jié)點相比，終端節(jié)點只能與簇頭進行通信，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)簡單，有效地降低了資源消耗.

3 Mesh路由

簇頭路由節(jié)點之間通過多跳通信形成一個網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，作為骨干通信網(wǎng)絡(luò).每個路由節(jié)點均建立并維護到其他路由節(jié)點的路由路徑，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.路由節(jié)點之間路由路徑的建立與維護通過信標(biāo)幀在全網(wǎng)中的洪泛來完成.

3.1 信標(biāo)幀

路由節(jié)點周期性廣播的信標(biāo)幀(beaconFrame)在網(wǎng)絡(luò)中具有兩個功能:一方面在星型網(wǎng)絡(luò)中幫助簇頭節(jié)點管理并維護子網(wǎng);另一方面可以作為路由管理幀，在mesh網(wǎng)絡(luò)中通過洪泛過程協(xié)助路由節(jié)點形成并維護有效的路由路徑.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)幀洪泛過程中單跳通信的物理地址信息;序列號(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)點封裝并在洪泛過程中保持不變，可以避免重復(fù)和過時處理;已加入終端節(jié)點個數(shù)表示該路由節(jié)點所在子網(wǎng)內(nèi)的終端節(jié)點個數(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)點的子網(wǎng)地址;上次發(fā)送子網(wǎng)地址(lastAddr)存儲了信標(biāo)幀在洪泛過程中上一跳路由節(jié)點的子網(wǎng)地址;TTL(time to lives)表征信標(biāo)幀在洪泛過程中的生存時間;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)幀中洪泛過程中不斷地被中間節(jié)點更新Tq域.當(dāng)其通過某條路徑到達某一節(jié)點時，接收節(jié)點便可以計算出通過該路徑到達信標(biāo)幀源節(jié)點的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)點到一跳內(nèi)可通信的鄰居節(jié)點(neighborNode)的信標(biāo)幀投遞成功率，是路徑Tq值的計算基礎(chǔ).本文協(xié)議通過統(tǒng)計兩類信標(biāo)幀的投遞成功率計算單跳Tq:當(dāng)幀中發(fā)送地址(sendAddr)與源子網(wǎng)地址(originAddr)相同時，此幀來自鄰居節(jié)點，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，此幀由本節(jié)點產(chǎn)生并被鄰居節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)回來的信標(biāo)幀，其接收成功率為回路投遞概率Eq;則本節(jié)點到鄰居節(jié)點的信標(biāo)幀投遞概率Tq=Eq/Rq，即為單跳Tq.

3.2.2 窗口機制

本文協(xié)議采用滑動窗口機制更準(zhǔn)確地估算信標(biāo)幀的投遞成功率.滑動窗口在每次接收到最新的信標(biāo)幀后進行更新;長度為N，記錄了最新的N個序列號對應(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)量除以窗口長度即可計算出信標(biāo)幀的投遞成功率.

圖2 Tq計算窗口機制

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)通過比較路徑總Tq來決定最優(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的計算圖.

圖3 路徑Tq的計算

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

當(dāng)路由節(jié)點收到某一源節(jié)點的信標(biāo)幀后，將幀中的Tq值與到發(fā)送節(jié)點的Tq值相乘，計算出通過此次傳播路徑本節(jié)點到源節(jié)點的Tq值，進而與路由表中已經(jīng)存在的Tq值進行比較得出最優(yōu)路徑.

3.3 路由建立

路由節(jié)點之間路由路徑的建立通過信標(biāo)幀的洪泛來完成，建立過程僅依靠信標(biāo)幀的單向傳輸.路由節(jié)點會周期性生成并廣播信標(biāo)幀，當(dāng)某個路由節(jié)點收到一個信標(biāo)幀(beaconFrame)后，會進行如下步驟處理:

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)點并由鄰居節(jié)點發(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)點并由鄰居節(jié)點發(fā)送，則更新反向投遞概率Rq，然后轉(zhuǎn)入步驟5).

5)計算路徑Tq值并更新路由表(routeTable)相關(guān)表項，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)點收到一個數(shù)據(jù)幀(dataFrame)時，會進行如下處理:

1)提取最終目的節(jié)點(dstAddr)擴展地址中的高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)點擴展地址中的低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)點表(childTable)，如果目的節(jié)點在子節(jié)點表中則將其轉(zhuǎn)發(fā)給本子網(wǎng)內(nèi)相應(yīng)的終端節(jié)點，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.

以下為路由轉(zhuǎn)發(fā)算法的偽碼描述:

4 性能分析

文中搭建了實際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境并通過測試對本文協(xié)議與ZigBee協(xié)議棧進行性能對比分析.測試網(wǎng)絡(luò)的硬件平臺為自主設(shè)計的基于Freescale無線傳感器網(wǎng)絡(luò)芯片MC13213的無線傳輸模塊，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操作系統(tǒng)實現(xiàn)，ZigBee采用Freescale提供的ZigBee協(xié)議棧代碼.

測試地點為寫字樓室內(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個路由節(jié)點分布在測試環(huán)境中，傳輸不同類型應(yīng)用數(shù)據(jù)的兩種終端各4個，也平均分布在測試環(huán)境中.

圖4 性能測試節(jié)點分布圖

4.1 對于對稱路徑依賴性的對比

本部分測試比較兩種協(xié)議在非對稱路徑上數(shù)據(jù)投遞成功率.如圖4所示，在測試過程中，網(wǎng)絡(luò)中的路由節(jié)點隨機動態(tài)地調(diào)整發(fā)射功率，以此模擬鏈路的非對稱性.分別在兩種協(xié)議下終端節(jié)點Ⅰ-4以1 kb·s-1的速率向路由節(jié)點T發(fā)送應(yīng)用數(shù)據(jù)，其他節(jié)點不發(fā)送任何應(yīng)用數(shù)據(jù)，測試時間為4 h，并在T點以10 min為單位統(tǒng)計丟包率，最終統(tǒng)計結(jié)果如圖5示.

圖5 對稱路徑依賴性

由圖5可見，在存在非對稱路徑的環(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，非對稱路徑可能會導(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)議路由建立的過程僅基于路由管理幀的單向傳輸，所以對于對稱路徑的依賴比ZigBee協(xié)議低.

4.2 對于路由管理幀投遞效率依賴性的對比

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

圖6 路由管理幀投遞成功率依賴性對比

由圖6可見相比ZigBee協(xié)議，本文協(xié)議對路由管理幀的丟失有更好的容忍度.這是因為ZigBee協(xié)議僅依靠一次路由管理幀的洪泛過程建立路由，因此路由管理幀的丟失會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)投遞成功率對比

測試時在兩種協(xié)議下所有Ⅰ類終端節(jié)點和所有Ⅱ類終端節(jié)點在相同的負(fù)載下分別向G點和L點發(fā)送應(yīng)用數(shù)據(jù)，每組測試中負(fù)載不同，時間均為4 h，最后統(tǒng)計G點和L點的應(yīng)用數(shù)據(jù)丟包率，統(tǒng)計結(jié)果如圖7-8所示.

圖7 Ⅰ類終端G點處丟包率對比

圖8 Ⅱ類終端L點處丟包率對比

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，而且優(yōu)勢會隨著負(fù)載的提高而擴大.這是因為終端負(fù)載的提高會相應(yīng)地增大網(wǎng)絡(luò)中存在的數(shù)據(jù)量，從而增大沒有傳輸可靠性的路由管理幀的丟失概率.本文協(xié)議對于管理幀丟失可以容忍的特性減輕了這方面的影響，而依賴于路由管理幀投遞成功率的ZigBee協(xié)議會受到嚴(yán)重的影響.對比圖7-8還可以看出本文協(xié)議相對于ZigBee協(xié)議在G點處比在L點處的整體優(yōu)勢大，這可能是由于G點附近環(huán)境較為復(fù)雜，會出現(xiàn)大量的非對稱路徑導(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)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)mesh路由算法，從根本上解決了ZigBee中AODVjr路由算法對對稱路徑以及路由管理幀投遞成功率依賴性強的問題，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)點間管理幀的交互，降低了路由算法對路徑對稱性的依賴.

2)將一段時間內(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路由建立的影響.

3)實際測試表明在鏈路質(zhì)量頻繁變化的無線傳感器網(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.未來可以重點研究此協(xié)議對于含有移動節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的適應(yīng)能力.

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