端嘉盈

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司電子計(jì)算技術(shù)研究所,北京 100081)

1 概述

路由選擇算法是網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)的一個(gè)主要任務(wù)，負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)從源節(jié)點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)，它的主要功能是尋找源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)間的優(yōu)化路徑并將數(shù)據(jù)沿著優(yōu)化路徑正確轉(zhuǎn)發(fā)[1-2]。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不同使其受到能量消耗的制約，并且只能獲取到局部拓?fù)湫畔ⅲ虼?，無(wú)線傳感器的路由協(xié)議需考慮節(jié)點(diǎn)能量消耗以及網(wǎng)絡(luò)能耗均衡的問(wèn)題。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)為了節(jié)省通信能量，通常采用多跳的通信模式，因此節(jié)點(diǎn)如何在只能獲取到局部拓?fù)湫畔⒑唾Y源有限的情況下實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單高效的路由機(jī)制，是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的一個(gè)基本問(wèn)題[3-5]。

隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣泛使用，以線性拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越多的使用在河流、道路、管道、高壓電線等線性對(duì)象的監(jiān)測(cè)中。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量有限，因此針對(duì)線性拓?fù)涞臒o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量消耗的研究很有意義，傳統(tǒng)的路由協(xié)議可以在一定程度上解決能耗均衡的問(wèn)題，但是，傳感器具有很強(qiáng)的應(yīng)用相關(guān)性，不同應(yīng)用中的路由協(xié)議差別很大，沒有通用的路由協(xié)議，需要針對(duì)每一個(gè)具體應(yīng)用的需求，設(shè)計(jì)與之適應(yīng)的特定路由機(jī)制[6-8]。王偉研究了長(zhǎng)距離帶狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了一種長(zhǎng)距離帶狀網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的分簇路由協(xié)議[9]。Abraham O提出了一種基于基站控制的簇頭輪換的QoS路由協(xié)議(QBCDCP)[10]。PEAS算法是一種通過(guò)維持必要的工作節(jié)點(diǎn)，關(guān)閉冗余節(jié)點(diǎn)的方法維持網(wǎng)絡(luò)具有長(zhǎng)生命周期的節(jié)能的WSN路由算法[11，12]。潘必平提出了采用粒子群算法優(yōu)化的分簇路由算法，用于解決線性無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中路由路徑較為單一，熱區(qū)明顯等問(wèn)題[13]。王楠針對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置事先確定的線性路由問(wèn)題，提出一種等距離分組多跳路由協(xié)議[14]。

鐵路沿線監(jiān)測(cè)區(qū)域呈狹長(zhǎng)帶狀特點(diǎn)，為了對(duì)其環(huán)境情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，需將傳感器線性部署在鐵路沿線，因此，鐵路沿線無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是典型的線性無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，若套用現(xiàn)有的路由協(xié)議存在一個(gè)普遍的問(wèn)題就是缺乏對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域環(huán)境條件的適應(yīng)性。針對(duì)鐵路沿線的線性無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的具體應(yīng)用場(chǎng)景，設(shè)計(jì)出一種適應(yīng)于鐵路沿線線性拓?fù)錈o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基于信息分級(jí)的能耗均衡路由協(xié)議。

2 鐵路沿線無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分析

2.1 鐵路沿線無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)基本設(shè)計(jì)

隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展成熟，為鐵路沿線的基礎(chǔ)設(shè)施、設(shè)備和自然環(huán)境全天候的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供了技術(shù)保障。鐵路沿線需要監(jiān)測(cè)的對(duì)象種類繁多，傳感器的安裝位置由監(jiān)測(cè)對(duì)象的特點(diǎn)決定，大體成線性分布在鐵路沿線。為了將這些傳感器采集的信息匯總到路局中心，根據(jù)實(shí)際情況可知，在鐵路沿線每隔固定距離設(shè)置有GSM-R機(jī)房，機(jī)房?jī)?nèi)有鐵路有線專網(wǎng)，只需采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將傳感器采集的信息匯聚到機(jī)房便可發(fā)送至路局中心。由于傳感器節(jié)點(diǎn)布置分散，有的傳感器距離機(jī)房較遠(yuǎn)，若所有傳感器都與機(jī)房之間各自布置中繼節(jié)點(diǎn)直接通信，會(huì)造成節(jié)點(diǎn)布置繁多、成本高和通信信道互相干擾的問(wèn)題。因此，本文設(shè)計(jì)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由傳感器節(jié)點(diǎn)、軌邊匯聚節(jié)點(diǎn)、基站匯聚節(jié)點(diǎn)以及中繼節(jié)點(diǎn)組成，如圖1所示。各類傳感器節(jié)點(diǎn)將采集的信息通過(guò)無(wú)線方式發(fā)送至軌邊匯聚節(jié)點(diǎn)，再由軌邊匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)中繼節(jié)點(diǎn)多跳傳輸至機(jī)房匯聚節(jié)點(diǎn)，最后由機(jī)房匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)鐵路專網(wǎng)將這些信息發(fā)送至路局中心。路局中心下達(dá)的查詢命令通過(guò)同樣的方式反向發(fā)送給傳感器節(jié)點(diǎn)[15]。

圖1 鐵路沿線WSN節(jié)點(diǎn)布置示意

由圖1可知，軌邊匯聚節(jié)點(diǎn)將鐵路沿線分為若干個(gè)分區(qū)，為了避免“能量空洞”問(wèn)題，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期，同一分區(qū)內(nèi)的中繼節(jié)點(diǎn)均勻布置，不同分區(qū)間的中繼節(jié)點(diǎn)非均勻布置，距離機(jī)房匯聚節(jié)點(diǎn)越近的分區(qū)內(nèi)的中繼節(jié)點(diǎn)布置越密集[16]。

建立的鐵路沿線無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)滿足以下條件或假設(shè)：

①網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)被分配有唯一的ID，所有節(jié)點(diǎn)都參加和轉(zhuǎn)發(fā)給定的數(shù)據(jù)；

②中繼節(jié)點(diǎn)的初始能量是固定的，處理能力、存儲(chǔ)空間和節(jié)點(diǎn)能量是有限的；

③節(jié)點(diǎn)布置之后，節(jié)點(diǎn)的地理位置固定；

④節(jié)點(diǎn)可以測(cè)量需要的參數(shù)，比如通信可靠性和當(dāng)前剩余能量；

⑤通過(guò)數(shù)據(jù)融合后數(shù)據(jù)包的大小相同；

⑥節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率只能滿足相鄰節(jié)點(diǎn)之間以及相隔一個(gè)的節(jié)點(diǎn)之間通信，再遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)之間無(wú)法直接通信；

2.2 鐵路沿線無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分析

根據(jù)鐵路沿線無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)原型可知，每個(gè)軌邊匯聚節(jié)點(diǎn)需要匯聚周圍不同的感知節(jié)點(diǎn)的信息，這些感知節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的對(duì)象不同，監(jiān)測(cè)對(duì)象所處的狀態(tài)不同，包含不同信息的數(shù)據(jù)包的重要程度會(huì)有較大的差異，在進(jìn)行數(shù)據(jù)包傳輸?shù)倪^(guò)程中，要使重要的信息能夠快速地、高效地發(fā)送至路局中心。因此，有必要針對(duì)該問(wèn)題設(shè)計(jì)線性無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，通過(guò)中繼節(jié)點(diǎn)將軌邊匯聚節(jié)點(diǎn)匯聚的數(shù)據(jù)包按照信息的重要程度依次傳輸至機(jī)房匯聚節(jié)點(diǎn)處，同時(shí)，由于中繼節(jié)點(diǎn)的能量有限，該路由協(xié)議必須均衡使用有限的能量，使網(wǎng)絡(luò)的生命周期最長(zhǎng)。該線性網(wǎng)絡(luò)可以簡(jiǎn)化如圖2所示。

圖2 線性無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)示意

圖2中，節(jié)點(diǎn)A表示軌邊匯聚節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)B表示機(jī)房匯聚節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)A與B之間布置了n個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，由于傳感器節(jié)點(diǎn)與軌邊匯聚節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸不是本文的研究重點(diǎn)，因此傳感器節(jié)點(diǎn)在圖中不體現(xiàn)。

受限于節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，只能滿足相鄰節(jié)點(diǎn)之間以及相隔一個(gè)的節(jié)點(diǎn)之間通信，再遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)之間無(wú)法直接通信。因此，數(shù)據(jù)包在線性網(wǎng)絡(luò)的傳輸中，僅存在兩種轉(zhuǎn)發(fā)方式，即數(shù)據(jù)包由第Li個(gè)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)到第Li+1個(gè)節(jié)點(diǎn)的過(guò)程，稱之為單跳轉(zhuǎn)發(fā)方式；數(shù)據(jù)包由第Li個(gè)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)到第Li+2個(gè)節(jié)點(diǎn)的過(guò)程，稱之為雙跳轉(zhuǎn)發(fā)方式。

傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)包具有不同的重要程度，當(dāng)這些數(shù)據(jù)包到達(dá)軌邊匯聚節(jié)點(diǎn)時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行設(shè)定。為了降低優(yōu)先級(jí)高的數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)延，提高優(yōu)先級(jí)高的數(shù)據(jù)包傳輸?shù)目煽啃?，文中通過(guò)減少優(yōu)先級(jí)高的數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)和減少優(yōu)先級(jí)高的數(shù)據(jù)包在軌邊匯聚節(jié)點(diǎn)的排隊(duì)時(shí)延兩種方式實(shí)現(xiàn)，分別建立數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)模型和數(shù)據(jù)包排隊(duì)模型。

3 路由模型建立

3.1 數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)模型

數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)模型由兩部分組成，一部分是數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級(jí)劃分，以及根據(jù)該數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級(jí)計(jì)算其在傳輸過(guò)程中使用的兩種轉(zhuǎn)發(fā)方式的次數(shù)；另一部分是以能耗均衡為前提，以網(wǎng)絡(luò)壽命最長(zhǎng)為目標(biāo)，根據(jù)中繼節(jié)點(diǎn)的初始能量，計(jì)算每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)可以使用的兩種轉(zhuǎn)發(fā)方式的初始次數(shù)。

(1)數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級(jí)及轉(zhuǎn)發(fā)方式

優(yōu)先級(jí)最高的數(shù)據(jù)包應(yīng)盡可能多地使用雙跳的方式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，雖然消耗了較多的能量，但是可以使數(shù)據(jù)包更快更可靠地發(fā)送至機(jī)房匯聚節(jié)點(diǎn)；優(yōu)先級(jí)低的數(shù)據(jù)包應(yīng)采用單跳的方式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，以減少網(wǎng)絡(luò)的能耗。

線性網(wǎng)絡(luò)中共有n個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級(jí)共分為K+1個(gè)優(yōu)先級(jí)，從0級(jí)到K級(jí)，其中K級(jí)為最高優(yōu)先級(jí)，0級(jí)為最低優(yōu)先級(jí)。

(1)

在對(duì)最高優(yōu)先級(jí)K級(jí)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行傳輸時(shí)，采用最多的雙跳方式轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)包，則最高優(yōu)先級(jí)K的數(shù)據(jù)包的雙跳方式轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)為

(2)

最高優(yōu)先級(jí)K的數(shù)據(jù)包的總轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)為

NK=n+1-MK

(3)

優(yōu)先級(jí)k的數(shù)據(jù)包的雙跳方式轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)為

Mk=MK-k+1

(4)

優(yōu)先級(jí)k的數(shù)據(jù)包的總轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)為

Nk=n+1-Mk

(5)

優(yōu)先級(jí)0的數(shù)據(jù)包的雙跳方式轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)為

M0=0

(6)

優(yōu)先級(jí)0的數(shù)據(jù)包的總轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)為

N0=n+1

(7)

因此，優(yōu)先級(jí)的級(jí)數(shù)和該優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)包所需要的雙跳的跳數(shù)在數(shù)值上一致。

(2)中繼節(jié)點(diǎn)的兩種轉(zhuǎn)發(fā)方式的初始次數(shù)

線性無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸消耗的能量滿足典型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量耗費(fèi)模型[17]。

(8)

ERx=l×Eelec

(9)

式(8)表示發(fā)射l比特?cái)?shù)據(jù)損耗能量ETx的計(jì)算公式，包括兩部分：發(fā)射電路損耗和功率放大損耗。Eelec為發(fā)射電路的損耗能量，功率放大損耗則根據(jù)發(fā)送者和接收者之間的距離不同采用不同的模型：當(dāng)d

設(shè)中繼節(jié)點(diǎn)之間的距離為d，第Li個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包到第Li+1個(gè)節(jié)點(diǎn)消耗的能量為s，第Li個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包到第Li+2個(gè)節(jié)點(diǎn)消耗的能量為S，第Li個(gè)節(jié)點(diǎn)接收一個(gè)數(shù)據(jù)包消耗的能量為r，中繼節(jié)點(diǎn)初始能量為E，網(wǎng)絡(luò)全生命周期內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包總數(shù)量為Q。pi為第Li個(gè)節(jié)點(diǎn)可以使用的單跳轉(zhuǎn)發(fā)方式的次數(shù)；qi為第Li個(gè)節(jié)點(diǎn)可以使用的雙跳轉(zhuǎn)發(fā)方式的次數(shù)。因此，節(jié)點(diǎn)應(yīng)該滿足能量約束條件，如式(10)所示。

(10)

信息從軌邊匯聚節(jié)點(diǎn)傳輸至機(jī)房匯聚節(jié)點(diǎn)的過(guò)程中，每?jī)蓚€(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)之間流過(guò)的數(shù)據(jù)包的總數(shù)，都等于軌邊匯聚節(jié)點(diǎn)總共發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)，也等于機(jī)房匯聚節(jié)點(diǎn)總共接收的數(shù)據(jù)包數(shù)，將該原則定義為流量守恒原則。根據(jù)該原則，可知每個(gè)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包數(shù)應(yīng)滿足流量守恒約束條件如式(11)所示。

(11)

(12)

為了使網(wǎng)絡(luò)的使用壽命最長(zhǎng)，采用網(wǎng)絡(luò)在全生命周期內(nèi)總共發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)量為網(wǎng)絡(luò)壽命的衡量指標(biāo)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)壽命最長(zhǎng)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包總數(shù)量最多，則模型的目標(biāo)函數(shù)為

(13)

當(dāng)Q為最大值時(shí)，求得

(14)

根據(jù)該模型可知，當(dāng)?shù)贚i個(gè)節(jié)點(diǎn)的兩種轉(zhuǎn)發(fā)方式的次數(shù)滿足式(14)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)壽命最長(zhǎng)。

3.2 數(shù)據(jù)包排隊(duì)模型

數(shù)據(jù)包從軌邊匯聚節(jié)點(diǎn)傳輸至機(jī)房匯聚節(jié)點(diǎn)的總傳輸時(shí)延，包括數(shù)據(jù)包在軌邊匯聚節(jié)點(diǎn)處的排隊(duì)時(shí)延、處理時(shí)延及其在其他節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延。

軌邊匯聚節(jié)點(diǎn)可以接收來(lái)自多個(gè)數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)，都通過(guò)中繼網(wǎng)絡(luò)傳輸至機(jī)房匯聚節(jié)點(diǎn)。由于很多數(shù)據(jù)可能同時(shí)到達(dá)軌邊匯聚節(jié)點(diǎn)，因此在軌邊匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)置一個(gè)緩沖隊(duì)列，設(shè)為NQ0，NQ1，NQ3，…NQK，其中NQK為優(yōu)先級(jí)為k的數(shù)據(jù)包的隊(duì)列，隊(duì)列總長(zhǎng)度為

(15)

為了減小優(yōu)先級(jí)高的數(shù)據(jù)包的排隊(duì)時(shí)延，采用非強(qiáng)占優(yōu)先權(quán)M/M/1排隊(duì)系統(tǒng)：假定系統(tǒng)中有兩類顧客，第一類顧客較第二類顧客具有非強(qiáng)占優(yōu)先權(quán)是指，隊(duì)列中的第一類顧客優(yōu)先插隊(duì)排在第二類顧客隊(duì)伍前面先接受服務(wù)，若第一類顧客到達(dá)時(shí)第二類顧客正在接受服務(wù)，第一類顧客只好等待，直到第二類顧客被服務(wù)完畢，才可以接受服務(wù)員(臺(tái))服務(wù)[18]。

采用該策略，軌邊匯聚節(jié)點(diǎn)對(duì)所有數(shù)據(jù)包根據(jù)優(yōu)先級(jí)排序，將優(yōu)先級(jí)高的數(shù)據(jù)包排在隊(duì)頭，優(yōu)先級(jí)低的數(shù)據(jù)包排在隊(duì)尾，優(yōu)先級(jí)低的數(shù)據(jù)包只能在優(yōu)先級(jí)高的數(shù)據(jù)包傳輸完成后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，優(yōu)先級(jí)低的數(shù)據(jù)包在傳輸?shù)倪^(guò)程中不會(huì)因?yàn)閮?yōu)先級(jí)高的數(shù)據(jù)包的到來(lái)而停止傳輸。

軌邊匯聚節(jié)點(diǎn)非強(qiáng)占優(yōu)先權(quán)M/M/1排隊(duì)系統(tǒng)假設(shè)如下[19]：

①軌邊匯聚節(jié)點(diǎn)接收來(lái)自多個(gè)數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)包，傳感器網(wǎng)絡(luò)采用CSMA/CA協(xié)議，不會(huì)發(fā)生兩個(gè)數(shù)據(jù)包同時(shí)到達(dá)軌邊匯聚節(jié)點(diǎn)的情況；

②數(shù)據(jù)包分為K+1個(gè)等級(jí)，第K級(jí)享有最高優(yōu)先權(quán)，第K-1級(jí)享有次優(yōu)先權(quán)，…，第0級(jí)享有最低優(yōu)先權(quán)：

④軌邊匯聚節(jié)點(diǎn)為每一級(jí)別的數(shù)據(jù)包服務(wù)的時(shí)間均服從參數(shù)為μ負(fù)指數(shù)分布，平均服務(wù)時(shí)間為1/μ，平均服務(wù)率為μ；

⑤Tk為第k級(jí)數(shù)據(jù)包所需的服務(wù)時(shí)間，1≤k≤K；

⑥T為系統(tǒng)的服務(wù)時(shí)間。

那么

(16)

由于第0級(jí)至第K級(jí)數(shù)據(jù)包均是相互獨(dú)立的Poisson流，因此，在任何時(shí)刻到達(dá)軌邊匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包屬于第k級(jí)1≤k≤K的概率為λk/λ。系統(tǒng)的平均服務(wù)時(shí)間為

(17)

(18)

當(dāng)有優(yōu)先權(quán)級(jí)別高的數(shù)據(jù)包到達(dá)軌邊匯聚節(jié)點(diǎn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)軌邊匯聚節(jié)點(diǎn)正在處理其他數(shù)據(jù)包，則該數(shù)據(jù)包不能強(qiáng)占軌邊匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行服務(wù)，而只能排在比其優(yōu)先級(jí)別低的數(shù)據(jù)包前排隊(duì)等待[20-21]。

第K級(jí)數(shù)據(jù)包的平均排隊(duì)等待時(shí)間為

(19)

第f級(jí)數(shù)據(jù)包的平均排隊(duì)等待時(shí)間為

(20)

因此，第K級(jí)數(shù)據(jù)包的總傳輸時(shí)延為

(21)

τ為其他節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延。

第f級(jí)數(shù)據(jù)包的總傳輸時(shí)延為

(22)

4 路由協(xié)議

本文設(shè)計(jì)的線性無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議分為路由建立、數(shù)據(jù)包優(yōu)先級(jí)排序和數(shù)據(jù)傳輸3個(gè)步驟。

4.1 路由建立

在初始路由建立階段，由軌邊匯聚節(jié)點(diǎn)根據(jù)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)模型求解所有節(jié)點(diǎn)的單跳轉(zhuǎn)發(fā)方式的初始次數(shù)(pi)和雙跳轉(zhuǎn)發(fā)方式的初始次數(shù)(qi)，并通過(guò)廣播的方式分發(fā)給所有節(jié)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)的路由表信息僅包括該節(jié)點(diǎn)的兩種轉(zhuǎn)發(fā)方式的可用次數(shù)。

4.2 數(shù)據(jù)包優(yōu)先級(jí)排序

當(dāng)數(shù)據(jù)包傳輸至軌邊匯聚節(jié)點(diǎn)時(shí)，軌邊匯聚節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)包根據(jù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行排序，根據(jù)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)模型計(jì)算數(shù)據(jù)包在傳輸?shù)倪^(guò)程中需要進(jìn)行的雙跳方式的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)Mk，并記錄在數(shù)據(jù)包中。再根據(jù)數(shù)據(jù)包排隊(duì)模型在軌邊匯聚節(jié)點(diǎn)采用非強(qiáng)制優(yōu)先權(quán)排隊(duì)系統(tǒng)依次發(fā)送數(shù)據(jù)包。

4.3 數(shù)據(jù)包傳輸

在數(shù)據(jù)包傳輸?shù)倪^(guò)程中，第Li個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)包后，若數(shù)據(jù)包需要進(jìn)行的雙跳方式的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)Mk>0，且第Li個(gè)節(jié)點(diǎn)可以使用的雙跳方式的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)qi≥1，則使用雙跳方式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，同時(shí)數(shù)據(jù)包需要進(jìn)行的雙跳方式的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)Mk-1，將該節(jié)點(diǎn)的可以使用的雙跳方式的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)qi值也減小1。若數(shù)據(jù)包需要進(jìn)行的雙跳方式的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)Mk>0，但節(jié)點(diǎn)可以使用的雙跳方式的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)qi值為0，則使用單跳方式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，該數(shù)據(jù)包內(nèi)需要進(jìn)行的雙跳方式的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)Mk不變。若數(shù)據(jù)包需要進(jìn)行的雙跳方式的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)Mk=0，則使用單跳的方式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)包傳輸過(guò)程流程如圖3所示。這種由節(jié)點(diǎn)自主選擇數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)方式的過(guò)程稱之為“智能轉(zhuǎn)發(fā)”。

圖3 數(shù)據(jù)包傳輸過(guò)程流程

5 仿真與分析

5.1 仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境

選用網(wǎng)絡(luò)仿真工具NS2[22]對(duì)本文設(shè)計(jì)的路由協(xié)議進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析評(píng)估。

(23)

仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

5.2 仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析

對(duì)具有5個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的線性無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真100次，可以得到網(wǎng)絡(luò)中優(yōu)先級(jí)分別為0、1、2、3四種優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包分別發(fā)送的數(shù)量，如圖4所示。

圖4 不同優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包的發(fā)送數(shù)量

將文中提出的該路由協(xié)議稱為方式Ⅰ，與以下兩種數(shù)據(jù)傳輸方式進(jìn)行對(duì)比。

方式Ⅱ：軌邊匯聚節(jié)點(diǎn)處的排隊(duì)方式不采用非強(qiáng)制優(yōu)先權(quán)排隊(duì)系統(tǒng)，而采用“先到先服務(wù)”排隊(duì)系統(tǒng)。

方式Ⅲ：不考慮數(shù)據(jù)包劃分優(yōu)先級(jí)，也不采用智能轉(zhuǎn)發(fā)的方式，所有的數(shù)據(jù)包均依次逐跳進(jìn)行傳輸。

經(jīng)過(guò)100次仿真實(shí)驗(yàn)可知，這3種數(shù)據(jù)傳輸方式下的線性無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包總數(shù)量，如圖5所示。其中，方式Ⅰ和方式Ⅱ的傳輸數(shù)據(jù)包總數(shù)量大致相同，則這兩種方式的網(wǎng)絡(luò)壽命大致相同，方式Ⅲ傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包總數(shù)量較少，則該方式下網(wǎng)絡(luò)壽命略小。

圖5 數(shù)據(jù)包傳輸數(shù)量對(duì)比

針對(duì)具有5個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行100次仿真，可以得到方式Ⅰ和方式Ⅱ兩種傳輸方式下，網(wǎng)絡(luò)中優(yōu)先級(jí)分別為0、1、2、3四種優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)延。通過(guò)仿真得到兩種傳輸方式的時(shí)延對(duì)比，如圖6所示。

圖6 傳輸包傳輸時(shí)延對(duì)比

由圖6可知，通過(guò)采用文中非強(qiáng)制優(yōu)先權(quán)排隊(duì)系統(tǒng)的方法，雖然優(yōu)先級(jí)較低的數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)延有所增加，但是優(yōu)先級(jí)最高的數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)延得到了有效的降低，提高了優(yōu)先級(jí)別較高的數(shù)據(jù)包傳輸?shù)募皶r(shí)性。

采用該方式是使數(shù)據(jù)包的排隊(duì)時(shí)延分?jǐn)傇诓煌瑑?yōu)先級(jí)別的數(shù)據(jù)包上，使得WK

6 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)鐵路沿線無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種適應(yīng)于鐵路沿線線性拓?fù)錈o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議。協(xié)議提出了根據(jù)傳感器采集的信息的重要程度對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序，對(duì)不同優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)包采用不同的轉(zhuǎn)發(fā)方式，使得優(yōu)先級(jí)高的信息可以得到快速、高效的轉(zhuǎn)發(fā)。建立了數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)模型和數(shù)據(jù)包排隊(duì)模型，采用減少優(yōu)先級(jí)高的數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)和減少優(yōu)先級(jí)高的數(shù)據(jù)包在軌邊匯聚節(jié)點(diǎn)的排隊(duì)時(shí)延兩種方式，減少優(yōu)先級(jí)高的數(shù)據(jù)包的總傳輸時(shí)延。以網(wǎng)絡(luò)全生命周期內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包總數(shù)量為網(wǎng)絡(luò)壽命的衡量指標(biāo)，均衡使用節(jié)點(diǎn)能量，使網(wǎng)絡(luò)壽命最長(zhǎng)。

仿真實(shí)驗(yàn)表明：采用該路由協(xié)議可以均衡使用網(wǎng)絡(luò)能量，同時(shí)使得優(yōu)先級(jí)高的數(shù)據(jù)包具有較小的傳輸時(shí)延。在以后的研究中，在此路由協(xié)議的基礎(chǔ)上，應(yīng)考慮節(jié)點(diǎn)的故障問(wèn)題，可采用增加備用節(jié)點(diǎn)的方式。