嚴(yán)錫君，劉旭東

(河海大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，南京 211000)

0 引 言

隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用，線型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和星型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為常見的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，已在農(nóng)田監(jiān)測(cè)等工程中得到廣泛的應(yīng)用[1,2]。結(jié)合線型和星型結(jié)構(gòu)的多鏈型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有通信方式簡單、數(shù)據(jù)傳輸鏈路少、路由相對(duì)固定等特點(diǎn)，已得到國內(nèi)外學(xué)者的研究，具有廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展空間。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的性能決定了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能，已從跨層協(xié)議發(fā)展到無分層協(xié)議。目前眾多學(xué)者研究的無分層協(xié)議，是一種適用于多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的通用協(xié)議，協(xié)議較為復(fù)雜，將這些協(xié)議應(yīng)用于實(shí)際網(wǎng)絡(luò)，會(huì)產(chǎn)生不必要的能耗和時(shí)延。

因此，我們針對(duì)農(nóng)田檢測(cè)的實(shí)際應(yīng)用，提出一種多鏈型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無分層設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)從協(xié)議棧到功能模塊的轉(zhuǎn)變，將原來各層單獨(dú)實(shí)現(xiàn)的功能在一個(gè)整體框架里進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化[3]，并可以進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，減少數(shù)據(jù)計(jì)算和信息通信，根據(jù)不同的需求，對(duì)各功能模塊進(jìn)行優(yōu)化，以提高網(wǎng)絡(luò)整體性能。

1 多鏈型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無分層協(xié)議RBP

針對(duì)多鏈型網(wǎng)絡(luò)無分層多跳路由、能耗和信息不均衡的特點(diǎn)，采用以下網(wǎng)絡(luò)模型：

(1)采用多鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)進(jìn)行部署網(wǎng)絡(luò)，均衡節(jié)點(diǎn)能耗。

(2)匯聚節(jié)點(diǎn)位置固定，且能量不限。

(3)傳感器節(jié)點(diǎn)的初始能量相同，可沿本鏈或鄰鏈多跳路由，且發(fā)射功率可調(diào)。

1.1 協(xié)議描述

網(wǎng)絡(luò)由多條鏈組成，每條鏈上傳感器之間通過多跳的方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)，為了避免最后一跳與匯聚節(jié)點(diǎn)的通信沖突，鏈與鏈之間在不同的時(shí)隙向匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。在某一條鏈路出現(xiàn)故障時(shí)，匯聚節(jié)點(diǎn)在調(diào)度周期向傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令幀，傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的命令幀建立新的鏈路。匯聚節(jié)點(diǎn)采用粗粒度時(shí)間同步的方法對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行時(shí)間同步[4]，傳感器節(jié)點(diǎn)采用周期性睡眠和監(jiān)聽機(jī)制，在屬于自己的時(shí)隙內(nèi)醒來、定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，在上一跳節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙內(nèi)接收數(shù)據(jù)，其他時(shí)間處于睡眠狀態(tài)。RBP網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)節(jié)點(diǎn)部署構(gòu)如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署結(jié)構(gòu)圖

在協(xié)議中，整個(gè)系統(tǒng)被分為若干個(gè)模塊，每個(gè)功能模塊有一個(gè)頭信息，包括功率、距離、節(jié)點(diǎn)狀態(tài)、剩余能量等信息，這些信息均被封裝在一個(gè)數(shù)據(jù)包內(nèi)，所有的模塊均可對(duì)其進(jìn)行訪問，因此模塊和模塊之間實(shí)現(xiàn)了信息共享[5,6]，完全打破了傳統(tǒng)的層的概念，真正實(shí)現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無層協(xié)議的設(shè)計(jì)。

1.2 幀格式定義

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信、節(jié)點(diǎn)同步和新節(jié)點(diǎn)加入等功能，首先定義3種數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)：命令幀，數(shù)據(jù)幀和確認(rèn)幀。

1.2.1 命令幀

由sink節(jié)點(diǎn)發(fā)送，包括信標(biāo)幀、時(shí)隙重分配(SRF)幀、鏈路調(diào)度(LSF)幀。

(1)信標(biāo)幀。信標(biāo)幀是sink節(jié)點(diǎn)一個(gè)發(fā)送/接收周期的開始，sink節(jié)點(diǎn)通過廣播信標(biāo)幀實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)接收到信標(biāo)幀的時(shí)間，進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。信標(biāo)幀包括同步信標(biāo)幀、數(shù)據(jù)信標(biāo)幀和令牌信標(biāo)幀三類，同步信標(biāo)幀用于初始化階段全網(wǎng)的時(shí)間同步，數(shù)據(jù)信標(biāo)幀用于傳感器節(jié)點(diǎn)向匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，令牌信標(biāo)幀用于發(fā)送數(shù)據(jù)的兩個(gè)傳感器之間的同步。

(2)SRF幀。當(dāng)新節(jié)點(diǎn)加入鏈路時(shí)，為了避免鏈與鏈之間出現(xiàn)新的沖突，匯聚節(jié)點(diǎn)需要給每條鏈上新加入的節(jié)點(diǎn)發(fā)送SRF幀，節(jié)點(diǎn)在收到該幀后，根據(jù)鏈號(hào)和節(jié)點(diǎn)id取出相應(yīng)的時(shí)隙，以保證鏈路上數(shù)據(jù)能在正確的時(shí)隙開始傳輸。

(3)LSF幀。當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，匯聚節(jié)點(diǎn)首先獲取該節(jié)點(diǎn)的鏈號(hào)和節(jié)點(diǎn)id，然后針對(duì)故障鏈和鄰鏈，發(fā)送新的調(diào)度幀。

1.2.2 數(shù)據(jù)幀

數(shù)據(jù)幀由傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送，經(jīng)前繼節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)幀分為數(shù)據(jù)發(fā)送(DSF)幀和新數(shù)據(jù)標(biāo)志(NDF)幀兩類。

(1)DSF幀。一幀完整的DSF幀包括幀類型、數(shù)據(jù)類型、節(jié)點(diǎn)地址、承載的數(shù)據(jù)。

(2)NDF幀。用于標(biāo)記當(dāng)前節(jié)點(diǎn)有無新數(shù)據(jù)，傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)NDF幀的數(shù)據(jù)標(biāo)志位獲取傳送的數(shù)據(jù)包數(shù)，最終確定需要的時(shí)隙長度。

1.2.3 確認(rèn)幀

當(dāng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)時(shí)，匯聚節(jié)點(diǎn)做出的應(yīng)答信息。根據(jù)數(shù)據(jù)類型，它分為正常數(shù)據(jù)確認(rèn)幀、低電警告確認(rèn)幀以及新節(jié)點(diǎn)加入確認(rèn)幀。

1.3 匯聚節(jié)點(diǎn)同步與調(diào)度

匯聚節(jié)點(diǎn)工作主要分為匯聚節(jié)點(diǎn)調(diào)度周期和傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步周期。當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)在規(guī)定的時(shí)刻未收到來自某傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)出的“心跳包”時(shí)，則認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)死亡，并獲取該節(jié)點(diǎn)的位置信息。當(dāng)出現(xiàn)以下情況時(shí)，匯聚節(jié)點(diǎn)需要在調(diào)度周期內(nèi)進(jìn)行調(diào)度：

(1)當(dāng)檢測(cè)到傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，匯聚節(jié)點(diǎn)在此周期內(nèi)通過發(fā)送命令幀對(duì)故障節(jié)點(diǎn)的后繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)度，保證鏈路能夠恢復(fù)數(shù)據(jù)傳輸；

(2)對(duì)上一周期已經(jīng)調(diào)度過的后繼節(jié)點(diǎn)，在此調(diào)度周期內(nèi)，匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送新的命令幀，使之加入到鄰鏈，使左右鄰鏈輪流承擔(dān)故障鏈的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡；

(3)當(dāng)有新節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)時(shí)，匯聚節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)送SRF幀對(duì)時(shí)隙進(jìn)行重新分配。

如果在調(diào)度周期內(nèi)，傳感器節(jié)點(diǎn)在偵聽一段時(shí)間后，沒有收到任何命令幀，直接進(jìn)入休眠狀態(tài)。

當(dāng)出現(xiàn)以下情況時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)入時(shí)間同步周期：

(1)建立網(wǎng)絡(luò)時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)等待接收信標(biāo)幀，進(jìn)行全網(wǎng)時(shí)間同步；

(2)新節(jié)點(diǎn)加入時(shí)需要進(jìn)行時(shí)間同步；

(3)當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)有新的數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，匯聚節(jié)點(diǎn)必須先對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步。

采用粗粒度時(shí)間同步的方法進(jìn)行時(shí)間同步：匯聚節(jié)點(diǎn)廣播同步信標(biāo)幀，傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的信標(biāo)幀的時(shí)刻進(jìn)行對(duì)時(shí)。假設(shè)每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)部時(shí)鐘為，即傳感器節(jié)點(diǎn)每隔時(shí)間周期性的醒來接收信標(biāo)幀，整個(gè)同步周期為Tsyc，若某個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)在第一次醒來接收到信標(biāo)幀的時(shí)間為周期T′內(nèi)的時(shí)刻t1，如果傳感器節(jié)點(diǎn)第二次醒來在t1時(shí)刻正常接收到信標(biāo)幀，則在下次周期內(nèi)接收信標(biāo)幀的時(shí)間為仍為t。否則在下個(gè)周期T′內(nèi)接收信標(biāo)幀的時(shí)刻為t-Δt(Δt表示一個(gè)較小的時(shí)間間隔)；網(wǎng)內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)通過周期性的醒來接收信標(biāo)幀進(jìn)行若干次的時(shí)間調(diào)整，最終達(dá)到時(shí)間同步的狀態(tài)。時(shí)間同步過程如圖2所示。

圖2 時(shí)間同步過程圖

2 協(xié)議實(shí)現(xiàn)

2.1 傳感節(jié)點(diǎn)

網(wǎng)絡(luò)建立后，網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)初始化，包括功率控制信息表、周期性偵聽和睡眠時(shí)間、數(shù)據(jù)采集速率等。然后傳感器節(jié)點(diǎn)開始數(shù)據(jù)采集，采集完后進(jìn)入休眠狀態(tài)，通過定時(shí)喚醒在某一時(shí)刻同時(shí)醒來，進(jìn)入周期性的偵聽狀態(tài)，等待接收來自匯聚節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)幀。傳感器節(jié)點(diǎn)具體工作流程如下。

(1)網(wǎng)絡(luò)初始化后，全網(wǎng)需要進(jìn)行一次時(shí)間同步，所有傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)設(shè)定的內(nèi)部時(shí)鐘周期性的醒來接收信標(biāo)幀，如果某個(gè)時(shí)刻醒來沒有接收到信標(biāo)幀，在下次周期內(nèi)則進(jìn)行相應(yīng)的時(shí)間調(diào)整；

(2)全網(wǎng)時(shí)間同步后，傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)入偵聽階段，從末端節(jié)點(diǎn)開始轉(zhuǎn)發(fā)NDF數(shù)據(jù)幀，如果傳感器節(jié)點(diǎn)有新數(shù)據(jù)產(chǎn)生，則將NDF中相應(yīng)的數(shù)據(jù)標(biāo)志置1；在NDF幀轉(zhuǎn)發(fā)過程中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)數(shù)據(jù)標(biāo)志位計(jì)算在自己的時(shí)隙內(nèi)需要傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)間。

(3)NDF轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)束后，根據(jù)時(shí)隙部署，節(jié)點(diǎn)在相應(yīng)的時(shí)隙內(nèi)醒來，等待接收來自匯聚節(jié)點(diǎn)的NDS信標(biāo)幀，在接收到信標(biāo)幀后，處于偵聽狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步，并在延時(shí)一定時(shí)間后開始數(shù)據(jù)發(fā)送，如果節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)標(biāo)志位為1，則進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后向下一跳節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，直至匯聚節(jié)點(diǎn)。

(4)第一次數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，傳感器節(jié)點(diǎn)直接進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下一輪周期的到來。在下一輪周期的開始，傳感器節(jié)點(diǎn)醒來首先進(jìn)入調(diào)度周期，偵聽來自匯聚節(jié)點(diǎn)的命令幀，如果傳感器節(jié)點(diǎn)收到CLSF命令幀，則說明該鏈路出現(xiàn)故障，傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的CLSF幀的鏈號(hào)建立臨時(shí)代理鏈路，恢復(fù)數(shù)據(jù)傳輸；如果傳感器節(jié)點(diǎn)收到NLSF命令幀，則說明鄰路故障，傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)通過接收到的NLSF幀的鄰鏈號(hào)來調(diào)度數(shù)據(jù)傳輸，避免數(shù)據(jù)沖突；如果傳感器節(jié)點(diǎn)收到SRF命令幀，則說明有新節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)，傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的SRF命令幀對(duì)時(shí)隙進(jìn)行重分配；

(5)調(diào)度周期結(jié)束后，如果需要時(shí)間同步，傳感器節(jié)點(diǎn)則等待接收信標(biāo)幀，進(jìn)行時(shí)間同步，然后從末端節(jié)點(diǎn)開始轉(zhuǎn)發(fā)NDF數(shù)據(jù)幀，最后根據(jù)部署的時(shí)隙進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，如此循環(huán)下去，直到網(wǎng)絡(luò)生命周期結(jié)束。傳感器節(jié)點(diǎn)的具體工作流程如圖3所示。

圖3 傳感器節(jié)點(diǎn)工作流程圖

2.2 匯聚節(jié)點(diǎn)

匯聚節(jié)點(diǎn)在初始化后，首先發(fā)送信標(biāo)幀進(jìn)行全網(wǎng)時(shí)間同步，然后等待接收來自傳感器節(jié)點(diǎn)的NDF幀；收到NDF數(shù)據(jù)幀后，廣播NDS信標(biāo)幀，同步相鄰的兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，并在收到新數(shù)據(jù)后，向第一跳節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)確認(rèn)幀，同時(shí)，對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，上傳到管理節(jié)點(diǎn)。在開始下一個(gè)周期時(shí)，匯聚節(jié)點(diǎn)首先進(jìn)入調(diào)度周期，發(fā)送命令幀進(jìn)行調(diào)度。如果有節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，則向故障節(jié)點(diǎn)的后繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送CLSF幀，向故障鏈的鄰鏈發(fā)送NLSF幀，傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到的命令幀進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；如果有新節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)，匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送SRF幀，更新總時(shí)隙數(shù)，并進(jìn)行時(shí)隙重分配。調(diào)度周期結(jié)束后，進(jìn)入偵聽周期，該周期內(nèi)如果有新數(shù)據(jù)產(chǎn)生，匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送NDF信標(biāo)幀，進(jìn)行全網(wǎng)時(shí)間同步，然后再進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸通信階段，如此循環(huán)。匯聚節(jié)點(diǎn)工作流程如圖4所示。

圖4 匯聚節(jié)點(diǎn)為工作流程圖

3 仿 真

采用OMNET++仿真軟件[7]，對(duì)協(xié)議的性能進(jìn)行研究并與XLP進(jìn)行比較，仿真參數(shù)的初始值如表1所示。

表1 OMNET++仿真參數(shù)初始值

3.1 平均數(shù)據(jù)時(shí)延

數(shù)據(jù)時(shí)延是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。在鏈型網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)時(shí)延是隨著節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的增加而不斷累加的，因此節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)越多，平均時(shí)延越大，鏈上不同節(jié)點(diǎn)數(shù)的網(wǎng)絡(luò)平均時(shí)延如圖5所示。從圖5中可看出，與XLP協(xié)議相比，RBP協(xié)議的平均時(shí)延都小，且鏈上8個(gè)節(jié)點(diǎn)到13個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)延幾乎沒有變化，這是由于鏈與鏈之間時(shí)隙復(fù)用的結(jié)果。

圖5 不同節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的網(wǎng)絡(luò)平均時(shí)延圖

RBP協(xié)議的時(shí)延除了和節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)及監(jiān)測(cè)區(qū)域半徑有關(guān)，還和鏈的條數(shù)有關(guān)，不同鏈數(shù)的網(wǎng)絡(luò)平均時(shí)延如圖6所示。從圖6中可看出，RBP由于采用了時(shí)隙復(fù)用，因此隨著鏈的條數(shù)的增加，時(shí)延呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢(shì)，而XLP協(xié)議隨著鏈的條數(shù)的增加，時(shí)延線性迅速，因此RBP協(xié)議時(shí)延性能優(yōu)于XLP協(xié)議。

圖6 不同鏈數(shù)的網(wǎng)絡(luò)平均時(shí)延圖

3.2 網(wǎng)絡(luò)能耗

為了分析不同的網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)與網(wǎng)絡(luò)總能耗的關(guān)系，取δ=2，傳感器節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為1～7個(gè)，傳感器節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)增加，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的跳數(shù)增加，能耗也隨之增加。兩種協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相同，鏈上不同節(jié)點(diǎn)數(shù)的網(wǎng)絡(luò)能耗如圖7所示。

圖7 不同節(jié)點(diǎn)數(shù)的網(wǎng)絡(luò)能耗圖

最后，分析鏈的條數(shù)與網(wǎng)絡(luò)總能耗的關(guān)系，δ仍取0.2，監(jiān)測(cè)區(qū)域半徑為500 m，不同鏈數(shù)的網(wǎng)絡(luò)能耗如圖8所示。從圖8中可看出，RBP無層協(xié)議與XLP相比具有更小的能耗，提高了網(wǎng)絡(luò)的整體性能，延長了網(wǎng)絡(luò)生命周期。

4 結(jié) 語

根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗模型，通過改變傳感器節(jié)點(diǎn)的工作方式來降低節(jié)點(diǎn)的功耗，進(jìn)而對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)無線通信能耗模型的擴(kuò)展，在鏈型結(jié)構(gòu)模型下，分析并仿真實(shí)現(xiàn)了多數(shù)據(jù)源負(fù)載時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延和能耗。通過對(duì)比分析，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)配置時(shí)，提出能量高效可行的節(jié)點(diǎn)配置機(jī)制。在進(jìn)行傳感器節(jié)點(diǎn)規(guī)劃和部署時(shí)，優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)中的能量消耗，顯著地延長了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

圖8 不同鏈數(shù)的網(wǎng)絡(luò)能耗圖