地震監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究※

劉國梅，王艷，金秋春

（鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 計算機(jī)科學(xué)與應(yīng)用系，鄭州 450015）

引 言

地震監(jiān)測是防震減災(zāi)、地震科學(xué)研究的必要技術(shù)基礎(chǔ)，目前，國內(nèi)外的地震監(jiān)測系統(tǒng)仍處于初級階段，不能滿足地震預(yù)警的要求，存在漏報、誤報、遲報現(xiàn)象，例如監(jiān)測臺網(wǎng)密度低、監(jiān)測數(shù)據(jù)精度低、信息不豐富、數(shù)據(jù)傳輸速度慢、成本高等［1］。

融多種信息技術(shù)為一體的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN（Wireless Sensor Network）是一種新興的信息技術(shù)，在信息領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。相對于傳統(tǒng)的有線和其他無線網(wǎng)絡(luò)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有布設(shè)范圍廣、自組織，低能耗、協(xié)同感知、獨(dú)立電源供電、無人值守等特點［2］，能夠很好地滿足地震監(jiān)測的要求。

地震監(jiān)測過程中，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸離不開路由協(xié)議，路由協(xié)議的研究是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信層的一個核心技術(shù)，本文結(jié)合地震監(jiān)測的具體應(yīng)用需求，設(shè)計出一種適合地震監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議及其應(yīng)用相關(guān)性

1.1 典型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議及其不足

最小跳數(shù)（Minimum Hop Count，MHC）路由協(xié)議［3］是一種平面路由協(xié)議，其核心部分是采用經(jīng)典的擴(kuò)散算法，在網(wǎng)絡(luò)中建立一個最小跳數(shù)場，在最小跳數(shù)場內(nèi)，每個節(jié)點擁有到基站（Sink節(jié)點）的最小跳數(shù)。當(dāng)節(jié)點需要發(fā)送消息時，它按序選擇自己的父節(jié)點作為下一跳。該協(xié)議因能夠提高消息傳輸?shù)目煽啃浴p少傳輸時延而倍受關(guān)注。但在該協(xié)議中，傳輸數(shù)據(jù)時有很大的重復(fù)性，同時它未考慮節(jié)點在監(jiān)聽狀態(tài)下的耗能情況，造成網(wǎng)絡(luò)性能和壽命下降。

LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）［4］是Heinzelman等人提出的第一個分簇路由協(xié)議，在每個數(shù)據(jù)收集周期開始，一小部分節(jié)點隨機(jī)成為簇首，在數(shù)據(jù)傳輸階段，簇首以單跳通信的方式將融合后的數(shù)據(jù)傳輸給基站。它通過角色輪換達(dá)到能量的均勻分布。但是，LEACH假設(shè)所有的節(jié)點都能直接與簇首以及基站通信，在需要監(jiān)測范圍大的應(yīng)用中不適用；而且它僅僅以節(jié)點的剩余能量多少選擇簇首，形成的簇并不是最優(yōu)的。后來，Heinzelman等人在LEACH的基礎(chǔ)上，提出了LEACH－C［5］。LEACH－C（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy－Centralized）是集中式的分簇算法，健壯性好且產(chǎn)生的簇較佳，但該協(xié)議由于每個節(jié)點都需要向基站周期性地報告它們的能量和位置等信息，從而導(dǎo)致增加網(wǎng)絡(luò)流量、時間延遲等。

TEEN（Threshold－Sensitive Energy Efficient Sensor Network Protocol）［6］是第一個響應(yīng)型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與LEACH類似，只是它的簇成員不像LEACH算法那樣總是發(fā)送數(shù)據(jù)給簇首。TEEN協(xié)議設(shè)置了硬、軟兩個閥值，只有當(dāng)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)超過硬閾值并且監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化幅度大于軟閾值時，節(jié)點才會傳送監(jiān)測數(shù)據(jù)。這樣可以大大減少節(jié)點發(fā)射數(shù)據(jù)的次數(shù)，數(shù)據(jù)傳送消耗的能量較少。但TEEN協(xié)議存在一個缺陷，如果閥值不能達(dá)到，節(jié)點就不會傳輸任何數(shù)據(jù)，導(dǎo)致用戶在某段時間不知道節(jié)點是否死亡。

1.2 地震監(jiān)測環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)路由需求

地震監(jiān)測中的路由協(xié)議具有以下特點：

① 網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大，分布范圍廣，對網(wǎng)絡(luò)節(jié)能性要求高。地震監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布范圍非常廣，而且地形環(huán)境復(fù)雜，節(jié)點電池的更換或能量的補(bǔ)給幾乎是不可能的，因此網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點應(yīng)盡量減少能量消耗，以延長自身的壽命，能源的高效使用成為路由協(xié)議設(shè)計的首要目標(biāo)。

② 地震發(fā)生的概率非常低，而且地震的發(fā)生具有隨機(jī)性，是不可預(yù)測的，因此傳統(tǒng)的時間周期性傳遞監(jiān)測數(shù)據(jù)的路由協(xié)議不太合適，這里需要的是事件驅(qū)動型傳感器網(wǎng)絡(luò)。地震未發(fā)生時，只需要周期性地傳輸少量的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)健康狀況數(shù)據(jù)，只有地震發(fā)生時才需要傳輸大量的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。同時，地震發(fā)生時，監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸對及時性、可靠性有一定的要求，大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)需要及時、可靠地傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。

③ 地震監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點會由于能量耗盡或地震破壞等環(huán)境因素造成失效減少，或者也會補(bǔ)充一些傳感器節(jié)點來彌補(bǔ)失效節(jié)點、增加監(jiān)測精度等，從而使網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨之也動態(tài)變化。這就要求無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有較強(qiáng)的自組織性，能夠適應(yīng)這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動態(tài)變化。

2 地震監(jiān)測環(huán)境下的路由協(xié)議設(shè)計

為滿足地震監(jiān)測的應(yīng)用需求，本文汲取現(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的優(yōu)點，提出了一種適合于地震監(jiān)測的路由協(xié)議EEECRP，稱之為能量高效的事件驅(qū)動型分簇路由協(xié)議。

2.1 協(xié)議描述

（1）簇的劃分

由于地震監(jiān)測范圍廣，并且要求有很好的自組織性，因此EEECRP協(xié)議采用分簇路由協(xié)議結(jié)構(gòu)。為了獲得較好的簇，采用集中式分簇的方法劃分簇，簇內(nèi)成員節(jié)點與簇首之間采用“一跳”通信的方式傳輸數(shù)據(jù)，簇首到Sink節(jié)點的傳輸則采用“多跳”傳輸方式。另外，為了減少集中式分簇造成的網(wǎng)絡(luò)能量消耗，新設(shè)計協(xié)議間隔相當(dāng)長的時間（比如半年、一年）才集中式劃分一次簇，其他時間則采用異步更換簇首的方法均衡節(jié)點能量的消耗。關(guān)于異步更換簇首的細(xì)節(jié)問題在后邊介紹。

（2）簇首骨干網(wǎng)的構(gòu)造

地震監(jiān)測數(shù)據(jù)最終通過簇首“多跳”轉(zhuǎn)發(fā)給Sink節(jié)點，因此網(wǎng)絡(luò)中的簇首節(jié)點形成主干鏈路網(wǎng)絡(luò)。為了保證地震發(fā)生時監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠和及時傳輸，在簇首節(jié)點主干鏈路形成時，采用基于最小跳數(shù)的路由算法，為每個簇首建立路由線路。具體算法步驟如下：

① 所有簇首節(jié)點設(shè)置其父節(jié)點FATHER＿ID＝0，并設(shè)置其到達(dá)Sink節(jié)點的最小跳數(shù)Min＿h(yuǎn)op＝0；

②由Sink節(jié)點向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)以洪泛方式廣播最小跳數(shù)場構(gòu)建消息Hop＿M(jìn)sg。Hop＿M(jìn)sg由構(gòu)建消息標(biāo)識、發(fā)送節(jié)點ID和發(fā)送節(jié)點的最小跳數(shù)Min＿h(yuǎn)op加1組成；

③ 收到 Hop＿M(jìn)sg信息的簇首節(jié)點，設(shè)置其FATHER＿ID＝Sink及到達(dá)Sink節(jié)點的最小跳數(shù) Min＿h(yuǎn)op＝1，同時更新 Hop＿M(jìn)sg消息中的的 Min＿h(yuǎn)op和FATHER＿ID，繼續(xù)向鄰居節(jié)點廣播；

④ 網(wǎng)絡(luò)中收到Hop＿M(jìn)sg消息的簇首節(jié)點，檢查該消息中最小跳數(shù)Min＿h(yuǎn)op是否小于自身的最小跳數(shù)Min＿h(yuǎn)op，如果是，則更新自身的父節(jié)點FATHER＿ID和最小跳數(shù)Min＿h(yuǎn)op，并將該 Hop＿M(jìn)sg消息的最小跳數(shù) Min＿h(yuǎn)op和父節(jié)點FATHER＿ID更新，繼續(xù)向鄰居節(jié)點廣播，否則將不予處理；

⑤ 重復(fù)步驟④，直到網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點都擁有自己的父節(jié)點FATHER＿ID和到Sink節(jié)點的最小跳數(shù) Min＿h(yuǎn)op。算法流程圖如圖1所示。

構(gòu)建完成后，網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點都將擁有自己的最小跳數(shù)Min＿h(yuǎn)op和父節(jié)點FATHER＿ID，形成了簇首節(jié)點的最小跳數(shù)場，構(gòu)建起了簇首節(jié)點的骨干網(wǎng)路由。

（3）簇首更換

在分簇路由協(xié)議中，簇首的能量消耗最大。為了均衡簇內(nèi)成員節(jié)點的能量消耗，需要更換簇首。本協(xié)議中簇首的更換采用異步方式進(jìn)行，簇首在自己的能量低于一定閾值時，向簇內(nèi)節(jié)點廣播CH＿change消息，簇內(nèi)每個節(jié)點收到CH＿change消息后將自己的位置和當(dāng)前能量等信息報告給簇首。簇首根據(jù)這些信息從中選擇一個能量和地理位置最優(yōu)的節(jié)點作為新簇首，并把新簇首消息廣播出去。新簇首繼承原簇首的父節(jié)點FATHER＿ID和最小跳數(shù)Min＿h(yuǎn)op等信息，原簇首的下一跳簇首（按照從Sink節(jié)點到離Sink節(jié)點最遠(yuǎn)的節(jié)點方向）則需要修改它們的路由表信息，將其父節(jié)點FATHER＿ID修改為新當(dāng)選的簇首，簇首更換情況如圖2所示。

圖1 簇首骨干網(wǎng)構(gòu)造流程

圖2 簇首更換情況

（4）節(jié)點狀態(tài)的轉(zhuǎn)換

在地震未發(fā)生時，盡量使傳感器節(jié)點處于睡眠狀態(tài)，這樣可以大大降低網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，延長網(wǎng)絡(luò)的生存周期。傳感器節(jié)點工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換示意圖如圖3所示，本文設(shè)計的路由協(xié)議中，傳感器節(jié)點多數(shù)情況下是處于睡眠狀態(tài)，當(dāng)節(jié)點探測到有地震發(fā)生或需要周期性傳遞日常數(shù)據(jù)時，節(jié)點便從睡眠狀態(tài)轉(zhuǎn)入發(fā)送狀態(tài)；當(dāng)節(jié)點處于睡眠狀態(tài)時，若收到有效的信號，便從睡眠狀態(tài)進(jìn)入到接收狀態(tài)；當(dāng)節(jié)點處于發(fā)送或接收狀態(tài)下，如果在一定時間內(nèi)沒有收發(fā)數(shù)據(jù)，則傳感器節(jié)點轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)。

圖3 傳感器節(jié)點工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換示意圖

2.2 數(shù)據(jù)的傳輸過程

地震未發(fā)生時，普通傳感器節(jié)點間隔一定的時間將自己的能量、位置等少量日常信息發(fā)送給簇首，簇首按照事先構(gòu)建好的路由將這些信息匯聚融合后轉(zhuǎn)發(fā)給Sink節(jié)點。由于日常數(shù)據(jù)信息量小，數(shù)據(jù)傳輸率低，因此傳輸日常數(shù)據(jù)消耗的能量非常少。

當(dāng)監(jiān)測區(qū)域有地震發(fā)生時，最先感應(yīng)到地震的節(jié)點向鄰居節(jié)點廣播喚醒包，同時本地保存地震信息，喚醒包中攜帶信息包括：本節(jié)點位置、地震關(guān)聯(lián)度degree＝0，以及其他一些信息。普通節(jié)點收到喚醒包后馬上監(jiān)測周圍地震的發(fā)生，如果節(jié)點監(jiān)測不到地震，節(jié)點將喚醒包中的地震關(guān)聯(lián)度degree加1，若地震關(guān)聯(lián)度degree大于2，則丟棄該包；否則，轉(zhuǎn)發(fā)喚醒包；若節(jié)點已經(jīng)收到過該喚醒包，則丟棄包；簇首節(jié)點收到喚醒包后，立即廣播ready消息準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)；普通節(jié)點收到ready消息后，如果其地震關(guān)聯(lián)度degree不大于2，則發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)給簇首，簇首節(jié)點將監(jiān)測數(shù)據(jù)沿著事先建立好的最小跳路由傳送給Sink節(jié)點，并在傳輸過程中進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。

3 仿真分析

為驗證本文新提出協(xié)議EEECRP的性能，在NS2環(huán)境下進(jìn)行了仿真實驗，主要從網(wǎng)絡(luò)能量消耗和數(shù)據(jù)的傳輸延時兩方面進(jìn)行評估，并將仿真結(jié)果與最小跳數(shù)（MHC）路由協(xié)議進(jìn)行了對比分析。

仿真主要參數(shù)設(shè)置如下：在200×200的區(qū)域中，隨機(jī)分布100個節(jié)點，每個節(jié)點的坐標(biāo)位置已知，基站（Sink節(jié)點）位于坐標(biāo)（x＝0，y＝0）處；節(jié)點初始能量為2J；仿真總時間為600s，監(jiān)測節(jié)點每隔5s發(fā)送一次日常數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包長度為768位，仿真到300s時某處節(jié)點隨機(jī)發(fā)生一次模擬地震，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包為4 332 678位。

圖4比較了兩種協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點總能量消耗情況。從圖4中可以看出，MHC路由協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行到412s時，節(jié)點幾乎用完了網(wǎng)絡(luò)所有能量，而EEECRP協(xié)議在運(yùn)行到601s左右才用完所有能量。在網(wǎng)絡(luò)的整個運(yùn)行時間內(nèi)，EEECRP協(xié)議節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)總能耗要明顯少于MHC路由協(xié)議。

圖4 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點總能量消耗與時間的關(guān)系

圖5比較了兩種算法在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)傳輸延時。從圖5中可以看出，地震未發(fā)生時，采用EEECRP協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸延時總體上與MHC路由協(xié)議相當(dāng)，或者略次于MHC路由協(xié)議；但當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時，EEECRP協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸延時要好于MHC路由協(xié)議，故EEECRP協(xié)議更適合于地震監(jiān)測的應(yīng)用環(huán)境。

圖5 數(shù)據(jù)傳輸延時

本文對EEECRP協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸延時進(jìn)行了多次仿真實驗，在相同的模擬時間內(nèi)，不同的模擬地震節(jié)點數(shù)或者模擬地震時產(chǎn)生的總數(shù)據(jù)量對平均數(shù)據(jù)傳輸延時均有影響，實驗結(jié)果如表1所列。

從表1中可以看出，在模擬地震節(jié)點數(shù)較少，并且平均產(chǎn)生的總數(shù)據(jù)量較少時，平均數(shù)據(jù)傳輸延時非常短，僅為100多ms。隨著模擬地震節(jié)點數(shù)的增多和模擬地震時產(chǎn)生的總數(shù)據(jù)量增大，平均數(shù)據(jù)傳輸延時會增加，但相對于目前已有的地震監(jiān)測手段，平均數(shù)據(jù)延時仍然是非常短的，能夠滿足地震監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信要求，證實了該協(xié)議在地震監(jiān)測中的有效性。

表1 數(shù)據(jù)延遲測試數(shù)據(jù)表

結(jié) 語

以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在地震監(jiān)測中的應(yīng)用為研究背景，分析了該應(yīng)用環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)路由需求，提出了一個適用于地震監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議EEECRP。該協(xié)議具有自組織性，可擴(kuò)展性好，適合大規(guī)模地震監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；協(xié)議節(jié)能性好，并且各簇首之間采用基于最小跳數(shù)的路由傳輸，保證了監(jiān)測數(shù)據(jù)的及時、可靠。仿真結(jié)果表明該協(xié)議的能量利用率高，實時性好，能有效延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期，較好地滿足了地震監(jiān)測應(yīng)用的需求。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

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