實時監測的混合式無線傳感器網絡多路徑路由研究

摘要：在考慮節點從環境獲取能量的基礎上，提出了一種用于實時監測的混合無線傳感器網絡的多路徑路由算法。分析了貨運列車脫軌車載式無線監測這類實時監測的混合式無線傳感器網絡系統的應用需求，在設計路由協議時根據節能和傳輸延時來選擇路由。節點通過環境振動采集能量的同時對其能量水平進行等級劃分，將傳輸的數據劃分為不同的優先級，每個節點根據自身的能量水平對不同優先級的數據包采用不同的路由策略。仿真實驗表明，該路由算法在滿足了網絡應用需求的基礎上具有節能特性，并縮短了傳輸延時。

關鍵詞：無線傳感器網絡; 能量采集； 列車脫軌； 數據優先級； 傳輸延時

中圖分類號：TP393文獻標志碼：A

文章編號：1001－3695(2008)04－1237－03

0引言

無線傳感器網絡（wireless sensor network，WSN）是由部署在監測區域內大量的廉價微型傳感器節點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織網絡系統，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中感知對象的信息，并發送給觀察者。WSN雖然與無線自組織網（Ad hoc wireless network）有相似之處，但同時也存在很大差別：a）WSN的節點數目更為龐大，節點易出現故障；b）在通常情況下，大多數傳感器節點是固定不變的，造成網絡拓撲結構變化的主要原因是節點的故障/死亡或者環境的干擾；c）傳感器節點的能量補給、處理能力、通信能力均十分有限，節點很容易因能量耗盡而死亡[1，2]；d）Ad hoc網絡主要是為了在移動條件下提供高質量的服務，而WSN則是為了在提供一定服務的條件下盡可能地降低節點能源損耗，提高網絡生命周期，所以WSN的路由設計也有其自身的特點；e）不同的應用背景對WSN的要求不同，其硬件平臺、軟件系統和網絡協議必然會有很大的差別，故WSN并沒有統一的通信協議平臺，在開發傳感器網絡應用中必須關注傳感器網絡的差異，只有這樣才能設計出高效的目標系統。

目前，針對WSN自身的特點提出了許多新的路由協議[3，4]，大致可以分為四類，即以數據為中心的路由協議、層次式路由協議、基于地理位置的路由協議和基于感知網絡流/QoS的路由協議。以數據為中心的路由協議能選擇特定的傳感節點子集收集信息，并且能進行有效的數據聚集；層次式路由協議是將傳感節點進行分簇，簇內通信由簇頭節點完成，簇頭節點進行數據融合來減少傳輸信息量，最后簇頭節點將聚集的數據傳送給匯聚節點；基于地理位置的路由協議則利用節點的地理位置信息作為路由選擇的依據，通過位置信息計算節點之間的距離來估計能量消耗；基于感知網絡流/QoS的路由協議是根據WSN中數據鏈路上的數據流的代價或網絡服務質量的需求所提出的協議。

以上路由協議雖然均能較好地符合WSN協議設計的目標，但均未考慮傳感器節點的能量補給問題和具體應用的需求。考慮到環境能量采集（ambient power harvest）技術的迅速發展，傳感器節點可從所處環境中采收能量實現自供電。在可選用的采能技術中，太陽能技術雖然成熟實用，但因太陽能在環境中的時空局限性和網絡的全天候使用，而難以滿足需求。在除太陽能外的其他采能方式（如溫差、微波等）中，振動采能已非常有效。Roundy等人[5，6]深入研究了振動采能技術，并設計開發了振動采能器，其傳輸功率可達375 μW/cm3。本文通過研究貨運列車脫軌車載式無線監測這類實時監測的混合式WSN系統的應用需求，在考慮節點的能量補給特性和數據重要性水平分級的基礎上，結合能量有效和傳輸延時兩項指標提出了一種新的具有能量補給的WSN多路徑路由算法。

1路由算法

1．1路由算法的應用背景

依照應用模式的不同，WSN可以分為主動式、反應式和混合式三種類型。主動式WSN持續監測周圍的物質現象，并以恒定速率發送監測數據；反應式WSN只是在被觀測變量發生突變時才傳送數據；混合式WSN具有主動式和反應式兩者的特點，網絡周期性發送監測數據的同時，一旦探測到被觀測變量發生突變時亦傳送數據。面向實時監測的混合式WSN系統的主要特點有：a）由于異常事件發生的隨機性，傳感器節點需要持續監測周圍的物質現象，并周期性地發送監測數據，故而要求節點不間斷工作，這就要求整個系統具有低功耗的特點；b）由于傳感器節點的電源供電受限，為了保證傳感器節點能長期工作，必須考慮節點的能量補給技術；c）系統實時監測檢測的數據既可能是正常狀態信息，亦可能是異常事件信號。一旦檢測到異常信號就必須及時地傳送給觀察者，以避免事故的發生或減少由事故所帶來的損失。

本文所考慮的具體應用背景就是通過貨運列車脫軌車載式無線監測系統在線測量貨運列車相應的響應數據，對運行車輛的脫軌進行實時報警。要保證車輛的正常運行，車輛對自身的運行信息的采集和處理非常關鍵。列車的脫軌是難以預測和避免的，但如果工作人員能盡早察覺，并緊急制動，則可將車廂脫軌所造成的損失減少到最小，避免重大事故。根據本文的具體應用背景，設計的路由算法必須滿足以下需求：a）車載式傳感器必須不間斷工作，向匯聚節點周期性報告車輛的運行狀況以及設備使用狀態。由于貨運列車的車廂無供電，傳感器節點通過采能單元從環境振動（列車運行時車廂的振動）來獲取能量補給。b）對于不同的數據包采取不同的傳輸延時約束，節點需要根據數據的等級來均衡傳輸延時和能量消耗兩個指標。即對于正常的列車運行信號，傳感器節點可根據自身情況，在考慮網絡生命周期的情況下有選擇地進行傳輸；對于探測到的異常（脫軌或偏載等）信號必須最快地送至匯聚節點，此時傳輸延時成為節點選擇路由時的首要指標。

1．2路由算法的設計

在觀測區域中存在大量的傳感器節點，每個節點對其所處區域進行周期性的探測，并且將所得到的數據包傳輸到匯聚節點。無線傳感器網絡系統可以通過有向圖G(V，E)來描述。其中：V是圖G中的點集，表示傳感器節點；E是圖G的邊集，表示傳感器節點間存在的通信鏈路；Si表示在節點i傳輸范圍內的鄰居節點，數據包通過經過一條邊（單跳方式）或多條邊（多跳方式）構成的路徑從源節點傳輸到目標節點（匯聚節點）。

本文設計的路由算法的目標是：在考慮節點能量可補充的情況下，在傳感器節點與匯聚節點之間建立多條路徑，節點根據接收數據的優先級和自身能量水平選擇不同的路由。針對較為重要的數據包，節點選取最小傳輸延時的路徑傳送；針對一般的數據包，節點可以根據自身的能量水平作出相應的響應，即選取最大殘留能量的路徑或者最小傳輸能量的路徑。

網絡中的數據包可以根據應用需求對其重要性進行等級劃分。針對本文的應用背景，網絡中的數據包以其重要性可劃分為兩個優先級（data priority，DP），即高優先級DP=1和低優先級DP=0。對于重要的數據包（如貨運列車運行的異常信號）賦予高優先級，對于一般的數據包（即貨運列車正常運行的信號）賦予低優先級。同時，網絡中節點按其能量水平（energy level，EL）也可劃分為兩個等級（即EL=1和EL=0），EL=1表示節點能量水平較高，能夠保證節點進行正常的通信傳輸；EL=0表示節點的能量水平較低，此時若繼續增加網絡節點的通信負擔將導致節點能量耗盡而死亡。

本文中將每個節點視為離散時間系統，則節點i接收到在第k個數據包時的能量狀態水平表示為

其中：D(n)i表示從節點i到匯聚節點在第n步時鏈路間的代價。

無線傳感器網絡中的節點在接收到數據包時，首先要對數據包等級進行判斷。若為重要的數據包，則傳輸延時為路由選擇的首要指標，此時采用傳輸延時代價函數所產生的路由信息，即D(n+1)i=min[minj∈Si(TCostij+D(n)i)，D(n)i]。由定義可知，節點總是選擇傳輸延時最小的路徑進行傳輸，從而確保重要數據能在最短的時間內傳送至匯聚節點。雖然傳感器節點探測到重要的數據包（即列車脫軌信號）的幾率較小，但一旦接收到高優先級的數據包，節點則不管自身的能量水平，以犧牲無線傳感器網絡的生命周期來保證信息的快速傳送。

如收到低優先級的數據包（即DP=0），節點則根據當時能量水平的狀態來決定采用何種策略。每個節點根據自身情況來確定能量水平判定的閾值，即節點i的能量水平閾值為EThreshi=minj∈Si eij。當節點能量水平較高時（即EL=1），選擇網絡殘留能量最大的路徑進行傳輸，考慮了網絡整體能量消耗的均衡性，Bellman－Ford算法中采用能量代價函數來產生路由信息。通過對代價函數的定義可以看出，當節點殘留的能量越大時，代價函數值越小；反之則代價函數值越大。然后，算法通過對代價函數進行最小計算尋找使得網絡殘留能量最大的路由。當能量水平較低時（即EL=0），節點從自身的能量水平考慮，為了避免節點因能量耗盡而死亡，節點選擇丟棄數據包，拒絕傳輸。同時節點可以通過休眠來減少通信的能量消耗，并通過環境能量采集來的能量補給，從而確保延長網絡的生命周期。

2系統仿真

目前，對WSN進行仿真的平臺較多，本文的仿真方法是在ns的平臺下進行的。仿真場景是在100 m×100 m的范圍內隨機地分布100個傳感器節點，每個傳感器節點周期性地產生數據包，數據包通過不同的路徑傳輸到網絡中的匯聚節點，其坐標為（75，100）。仿真中參照文獻[8]的參數定義：網絡傳輸信道帶寬為1 Mbps，每個數據包的大小為500 Byte，每個傳感器節點的初始能量為2 J，應用背景中節點的振動能量采收率因軌道的不平順而有所變化，本文仿真時采收率設為180 μW/cm3，并隨列車的垂向加速度變化而變化。電源體積為兩節AA（5號）電池大小（約9 cm3）。

為考察算法的性能，仿真時本文主要選取網絡的生存周期和數據到達網絡匯聚節點所產生的時延作為評價指標，并將本文所提出的路由算法與MREP[9]進行對比。如圖2所示，在相同的仿真條件下，本文算法經過仿真路由后WSN中節點的死亡速率比MREP低，因此網絡生存周期更長。由于MREP在進行數據傳輸時，對所有數據均是選擇網絡最大殘留能量的路由進行傳送，從而使得WSN中所有節點均處于不間斷的工作當中，以節點死亡速度相對較快。本文對低優先級的數據可以選擇網絡最大殘留能量的路徑或拒絕傳輸，使得殘留能量嚴重不足或瀕臨死亡的節點能夠得到暫時的休息，等待振動采能單元來補充能量，從而保證了節點的存活率，延長了網絡的生存周期。從現有的環境振動能量采集技術可知，節點振動采能單元的功率有限，其能量補充速率較低，而保證高優先級數據傳送，使節點不可能長期處于休眠狀態，所以傳感器網絡中的節點最終還是因能量耗盡而死亡。

在MREP進行數據傳輸中，所有數據都是選擇網絡最大殘留能量的路由進行傳送，沒有考慮數據延時問題。而本文針對隨機產生的優先級較高的數據，選取了最短路徑傳輸，從而確保其能在最短的時間將信息傳送至匯聚節點。仿真表明，隨機產生的高優先級數據包因為在傳輸過程中減少了節點轉發帶來的延時，故經多跳到達匯聚節點所花費的時間比MREP均有所改善。圖3給出了在不同網絡規模下網絡中數據包的平均傳輸延時。從圖3可以看出，隨著網絡規模增大，網絡的平均傳輸延時改善越明顯。

3結束語

仿真實驗表明，在本文所涉及的應用背景下，提出的多路徑路由算法可以有效地滿足實時監測混合式WSN系統的應用需求：a）本文在WSN節點構成上考慮了由振動采能單元提供的能量補充，使得節點的能量水平因能量補給而相應地起伏變化，不再是單純的因消耗而降低；b）對于高優先級信息數據降低了傳輸延遲，能滿足對網絡通信的實時性要求；對于低優先級信息數據考慮了網絡整體能量消耗的均衡，將通信能量消耗分散到多條路徑上，延長了網絡生命周期。

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