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無線傳感器網(wǎng)絡技術目前處于計算機網(wǎng)絡研究領域的前沿，并有可能發(fā)展成為一個新的巨大經(jīng)濟規(guī)模的高科技市場。如今，由美國軍方資助的學術研究機構、跨國公司和全球最大的IT供應商們均已將傳感器網(wǎng)絡列入研發(fā)計劃并積極開展。隨著無線傳感器網(wǎng)絡的深入研究和廣泛應用，無線傳感器網(wǎng)絡將逐漸深入到人類生活的各個領域。 無線傳感器網(wǎng)絡在智能交通中應用的有著巨大前景，在道路交通中，傳感網(wǎng)又有其特殊的網(wǎng)絡拓撲結構，帶狀的拓撲結構。本文結合無線傳感器網(wǎng)絡的特點，研究適合帶狀拓撲結構的易實現(xiàn)的網(wǎng)絡路由協(xié)議。 1 網(wǎng)絡結構及路由分析 現(xiàn)有的路由技術的局限性使其不能直接用于傳感器網(wǎng)絡，而針對移動Ad Hoc網(wǎng)絡設計的組網(wǎng)和通信協(xié)議一般也不適合于傳感器網(wǎng)絡。其重要原因之一是其擴展性的要求不同，移動Ad Hoc網(wǎng)絡相對節(jié)點的移動性來講，擴展性問題并不十分突出；而傳感器網(wǎng)絡要求支持大規(guī)模網(wǎng)絡，節(jié)點的移動性較弱甚至沒有，主要問題變?yōu)槿绾窝娱L網(wǎng)絡的生存時間。這決定了兩種網(wǎng)絡有不同的優(yōu)化目標。因此，有必要針對交通示范工程中交通信息數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)忍攸c，研究傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議，重點解決提高擴展性、低功耗、適應網(wǎng)絡拓撲結構的變化等問題。 帶狀拓撲的網(wǎng)絡，如圖1，網(wǎng)絡呈樹型鏈狀結構，借用分級網(wǎng)絡的概念，將網(wǎng)絡分為兩層，底層是傳感器節(jié)點采集環(huán)境參數(shù)，高層是網(wǎng)絡的匯聚節(jié)點，或是本地區(qū)小網(wǎng)絡的管理中心，匯聚本地區(qū)的信息經(jīng)數(shù)據(jù)融合后傳至更高層的網(wǎng)絡。由于帶狀網(wǎng)絡的特殊性，按地理位置將底層網(wǎng)絡分為多個簇，合理的簇結構是按鏈的方向分簇，并不指定簇頭，所以底層網(wǎng)絡也可稱為無簇頭的分級網(wǎng)絡。正常情況下，不同簇間節(jié)點互不通信，所有節(jié)點的采集信息經(jīng)本簇節(jié)點傳送至上層網(wǎng)絡。 圖1 帶狀結構的網(wǎng)絡拓撲圖 如圖1中，將底層分為M、N、P三個簇，簇內(nèi)成員數(shù)可以在帶狀區(qū)域任意擴展。上層網(wǎng)絡節(jié)點B可以高速移動。 這樣一個帶狀結構的網(wǎng)絡，路由建立與維護都有其特殊性。由于底層節(jié)點無需移動，或在某一范圍緩慢移動，其目的是將采集的信息傳至上層移動的節(jié)點。所以底層網(wǎng)絡路由采用表驅(qū)動方式。由上層網(wǎng)絡節(jié)點來建立整個網(wǎng)絡的路由，但維護路由的任務卻由本地節(jié)點來完成。 2 帶狀網(wǎng)絡結構路由協(xié)議 2.1 路由建立 路由建立過程的思想是，由上層節(jié)點在全網(wǎng)范圍內(nèi)廣播路由請求數(shù)據(jù)包RREQ，底層節(jié)點收到RREQ后即更新鄰居鏈表，同時更新路由表，然后同樣以廣播的方式轉(zhuǎn)發(fā)RREQ，但只轉(zhuǎn)發(fā)同一簇內(nèi)的RREQ；本地節(jié)點在同一簇內(nèi)建立路由，但維護的鄰居鏈表包括整個網(wǎng)絡的鄰居信息，以記錄網(wǎng)絡的連通性。 借用AODV路由協(xié)議中RREQ包格式，定義協(xié)議RREQ格式如表1[3,4]。 其中，包類型：用于標明該數(shù)據(jù)包是RREQ包，廣播包；源地址：發(fā)起RREQ的節(jié)點地址，應為上層網(wǎng)絡節(jié)點的地址；跳數(shù)：源節(jié)點到接收到RREQ包的節(jié)點經(jīng)過的跳段數(shù)；廣播ID：由源節(jié)點維護的序列號，用于唯一標識RREQ包。 其中，目的節(jié)點：記錄目的節(jié)點地址，應為上層網(wǎng)絡節(jié)點的地址；路由狀態(tài)：路由是否有效標志；下一跳：本地節(jié)點到目的節(jié)點的下一跳節(jié)點地址；路由過期時間：路由不再有效的時間點。 按照建立路由過程中不同節(jié)點的作用，路由建立過程如下： 1）上層移動節(jié)點：向全網(wǎng)廣播RREQ用于建立路由；接收各個簇內(nèi)節(jié)點攜帶信息的數(shù)據(jù)包。如圖1中節(jié)點B。由廣播ID和源地址序列對唯一標識RREQ，用于判斷處理是否收到重復的RREQ包 2）可以和移動節(jié)點直接通信的節(jié)點：接收到RREQ后，首先更新鄰居鏈表，然后將本地路由表里的下一跳寫下B，更新路由表。如圖1中，M3、N3、P3此時和B直接相連，分別是三個簇內(nèi)其它節(jié)點接入上層節(jié)點的出口。 圖2 本地節(jié)點建立路由流程 3）底層網(wǎng)絡中其它節(jié)點：M3、N3、P3接到B的RREQ，更新路由表后同樣以廣播的方式轉(zhuǎn)發(fā)RREQ，此時不同簇內(nèi)節(jié)點會互相收到轉(zhuǎn)發(fā)的RREQ，利用此信息更新本地節(jié)點的鄰居鏈表。例如圖1中，N4收到N3轉(zhuǎn)發(fā)的RREQ，同時也可能收到M3、P3轉(zhuǎn)發(fā)的RREQ，N4利用此信息更新其鄰居鏈表。但N4用同一簇成員轉(zhuǎn)發(fā)的RREQ更新路由表，路由表中下一跳記錄為N3地址，然后丟掉接收到的其它同一RREQ包。同樣以廣播的方式再次轉(zhuǎn)發(fā)RREQ。這樣處理的好處是，在同一簇內(nèi)廣播RREQ，即建立了路由，記錄了本地節(jié)點的所有鄰居節(jié)點，包括其它簇內(nèi)的鄰居節(jié)點，又有效的避免了RREQ在整個網(wǎng)絡中引起“廣播風暴”的問題。其它節(jié)點均按同樣的方式處理，直到RREQ包達到最大的網(wǎng)絡半徑。 路由建立的過程見圖2的流程圖。 2.2 路由維護 在帶狀的拓撲結構里，同一簇內(nèi)鄰居節(jié)點有限，多數(shù)情況下只有左右兩個節(jié)點是其鄰居節(jié)點，如果某一節(jié)點由于能量耗盡，簇內(nèi)節(jié)點可能會斷開，將影響網(wǎng)絡的健壯性和可擴展性，如圖3，節(jié)點N4由于某種原因不再具有傳感器節(jié)點的功能，N4以右的節(jié)點按先前發(fā)現(xiàn)的路由無法將數(shù)據(jù)傳送至目的節(jié)點B，因此必須采取某種措施以維護網(wǎng)絡的連通性。節(jié)點同時擁有其它簇內(nèi)的鄰居節(jié)點，可以借助其它簇內(nèi)的節(jié)點續(xù)傳數(shù)據(jù)包。 圖3 網(wǎng)絡故障時路由的維護 鑒于帶狀拓撲結構的特殊性，數(shù)據(jù)報文在找到目的節(jié)點的方向(即路由)后，如“接力”的方式依次往下傳，所以不采用端到端的應答方式，而采用點到點的應答，這樣節(jié)點能夠知道下一節(jié)點的狀態(tài)，發(fā)送數(shù)據(jù)包時，如果不能收到下一跳節(jié)點的應答包，則重復發(fā)送一次，仍然沒有應答情況下，即認為下一跳發(fā)生故障，立刻從鄰居鏈表中選擇其它簇內(nèi)的鄰居節(jié)點作為下一跳節(jié)點，由此簇節(jié)點負責傳送數(shù)據(jù)包。 在圖3中，N5以右的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至N5后，由于N5沒有收到N4的應答， N5需要從鄰居鏈表中選擇其一作為下一跳，如果有簇內(nèi)其它鄰居節(jié)點（如N3也是N5鄰居），優(yōu)先選擇（注意避免路由環(huán)），如果沒有，選擇其它簇內(nèi)鄰居，圖中N5選擇M5，N5將數(shù)據(jù)包成功的交給簇M內(nèi)的成員，由簇M負責將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點。此時N5路由表下一跳字段更改為M5，路由過期時間為鄰居節(jié)點M5的過期時間，直至N5再次收到同簇內(nèi)的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的RREQ更新路由。同時N5將N4的故障信息及時通知上層網(wǎng)絡。 路由維護的過程見圖4流程圖。 圖4 本地節(jié)點維護路由流程 3 帶狀拓撲結構在道路交通中的應用與實踐 無線傳感器網(wǎng)絡能夠?qū)崿F(xiàn)遠距離可靠的數(shù)據(jù)傳輸。傳感器節(jié)點自組成網(wǎng)，快速形成相對穩(wěn)定的網(wǎng)絡拓撲結構。道路交通中的無線傳感器網(wǎng)絡是帶狀網(wǎng)絡的典型應用。在道路交通中，無線傳感器網(wǎng)絡具有以下功能：傳感數(shù)據(jù)迅速可靠地傳輸?shù)接脩艚K端；拓撲結構隨上層節(jié)點位置而變化；網(wǎng)絡關斷或增加某個節(jié)點，網(wǎng)絡的動態(tài)變化強；節(jié)點唯一編號，在上層部分匯總傳感信息；根據(jù)上層網(wǎng)絡節(jié)點收到的信息在用戶終端復現(xiàn)網(wǎng)絡拓撲結構的變化過程；例如，沿道路兩旁布下傳感器節(jié)點，采集路面信息等，上層網(wǎng)絡可以是相互獨立的快速移動的汽車節(jié)點，汽車可以根據(jù)需要接收底層網(wǎng)絡傳來的信息，這樣汽車可以及時準確的知道前后路面的狀況。汽車可以將信息通過更高層的網(wǎng)絡傳到交通控制空心。 項目中，射頻芯片選擇CC1100，頻率選擇433MHz，最大有效射程調(diào)為150米左右。處理器選擇LPC2210，操作系統(tǒng)移植代碼公開的μC/OSⅡ.同時，由于項目的特殊應用環(huán)境，來自汽車的噪聲影響嚴重，必須嚴格控制數(shù)據(jù)包的正確性。應用實踐表明，本方案路由協(xié)議簡單容易實現(xiàn)且路由開銷小。 4 總結 針對無線傳感器網(wǎng)絡帶狀拓撲結構的特殊性，提出分級網(wǎng)絡管理的方法，底層網(wǎng)絡采用無簇頭的分簇結構，這樣對網(wǎng)絡的路由建立與維護都容易實現(xiàn)。對帶狀拓撲結構的網(wǎng)絡路由協(xié)議的研究，極大推動傳感網(wǎng)在道路交通中的應用。改變目前道路信息采集手段單一的技術手段。通過傳感網(wǎng)采集的多元交通信息的數(shù)據(jù)融合處理，提高道路交通信息的準確性、可靠性。 本文作者創(chuàng)新點，針對無線傳感器網(wǎng)絡在道路交通中的應用，根據(jù)其特殊的帶狀拓撲結構，將網(wǎng)絡分為兩級，提出無簇頭的易實現(xiàn)的分簇路由協(xié)議，即由上層移動節(jié)點建立路由、底層節(jié)點維護路由的機制。該路由協(xié)議在道路交通應用中表明，易實現(xiàn)，開銷小，容易維護。 |
