基于WirelessHART的分布式低功耗路由算法

摘 要： 提出了一種針對(duì)新型無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)義WirelessHART的低功耗分布式路由算法——DHEIRP（基于多跳的分布式能量迭代路由算法）。采用分布式的路由決策，加快了WirelessHART的網(wǎng)絡(luò)組建和恢復(fù)速度。DHEIRP提出了一種新的能量迭代算法，選取最小跳數(shù)、接收信號(hào)強(qiáng)度、節(jié)點(diǎn)電池能量作為參數(shù)，能夠最小化網(wǎng)絡(luò)的傳輸消耗并平衡各節(jié)點(diǎn)的能量損耗。將DHEIRP同GBR以及HBRRP等已有算法進(jìn)行了比較，證明DHEIRP在平衡節(jié)點(diǎn)能量和延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命方面有較大的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞： 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)； WirelessHART； 分布式路由算法； GBR

中圖分類號(hào)： TN92?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）13?0060?05

Distributed low?power dissipation routing algorithm based on WirelessHART

WANG Yi?neng， ZHANG Sheng， LIN Xiao?kang

（Department of Electronic Engineering， Tsinghua University， Beijing 100084， China）

Abstract： An distributed low?power dissipation routing algorithm for the new wireless sensor network protocol WirelessHART called DHEIRP（distributed hop?based energy iteration routing protocol） is proposed in this paper. As a distributed routing protocol， DHEIRP can accelerate the network construction and recovery rate of WirelessHART. In DHEIRP， an energy iteration algorithm is proposed. Choosing the minimum hop count， RSS（received signal strength） and battery energy level as parameters， this protocol can minimize energy consumption of network transmission and balance energy loss among nodes. The numerical simulations have showed that DHEIRP excels GBR and HBRRP in terms of balancing load of the nodes and extending network lifetime.

Keywords： wireless sensor network； WirelessHART； distributed routing algorithm； GBR

0 引 言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議設(shè)計(jì)是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。WSN（無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)）的路由同其他網(wǎng)絡(luò)有許多區(qū)別[1]：由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)是由電池供電的，能耗是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)；由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常用于工業(yè)控制領(lǐng)域，路由算法需要有較好的魯棒性；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要監(jiān)控領(lǐng)域，數(shù)據(jù)流向主要是匯聚式[2]的，即從周圍的Source節(jié)點(diǎn)向中心的Sink節(jié)點(diǎn)；最后，在某些應(yīng)用領(lǐng)域中網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不是靜態(tài)的，會(huì)不斷的有新節(jié)點(diǎn)的加入和舊節(jié)點(diǎn)的死亡，因此路由協(xié)議需要具有一定的自適應(yīng)能力。

WirelessHART[3]是近年來(lái)提出的一種基于已有的HART工業(yè)通信協(xié)議提出的針對(duì)工業(yè)控制和設(shè)備監(jiān)控的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。其主要的技術(shù)特點(diǎn)是TDMA和跳頻技術(shù)，WirelessHART的魯棒性和低功耗也遠(yuǎn)優(yōu)于已有的其他無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議[4]。路由方面，WirelessHART沒(méi)有給出路由算法，而是設(shè)定了兩種路由機(jī)制。一種是圖路由，另一種是源路由。這兩種路由機(jī)制都是集中式管理的，路由的分析和計(jì)算是由位于Sink節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)管理器來(lái)完成的。問(wèn)題在于，這種集中式管理在網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化時(shí)不夠靈活。新節(jié)點(diǎn)的加入和老節(jié)點(diǎn)的死亡都需要通過(guò)多跳的數(shù)據(jù)傳輸將信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)管理器，網(wǎng)絡(luò)管理器再將路由改動(dòng)下發(fā)給其周圍的相關(guān)節(jié)點(diǎn)，這個(gè)過(guò)程浪費(fèi)時(shí)間和能量；不僅如此，集中式路由計(jì)算中，由某個(gè)節(jié)點(diǎn)的變動(dòng)還可能影響相對(duì)較多的傳輸鏈路的路由分配。這些缺點(diǎn)使得WirelssHART在許多應(yīng)用領(lǐng)域有很大的局限性。應(yīng)對(duì)這種問(wèn)題，本文提出了一種分布式的路由改進(jìn)方案，并在功耗方面進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化。

1 相關(guān)工作

近年來(lái)，涌現(xiàn)了許多針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議。Directed Diffusion[5]是最有代表性的data?centric路由協(xié)議之一，也可能是最有影響力和最常被引用的路由協(xié)議。Directed Diffusion會(huì)用一系列屬性值把節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行命名。當(dāng)需要某些數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)出一個(gè)“興趣”信息，這個(gè)信息中含有對(duì)所需的命名數(shù)據(jù)的描述。找到信息中的描述所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)后，就將這個(gè)數(shù)據(jù)沿查找路線傳送回。

在Directed Diffusion的基礎(chǔ)上，Curt Schurgers和Mani B. Srivastava 提出了另一個(gè)經(jīng)典協(xié)議GBR（Gradient based routing）。GBR是一種基于梯度的路由算法，在GBR中，“興趣”信息在發(fā)送過(guò)程中記錄了它所進(jìn)行的跳數(shù)，以此建立了一個(gè)梯度場(chǎng)。梯度場(chǎng)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的梯度值為這個(gè)節(jié)點(diǎn)到Sink節(jié)點(diǎn)所需要的最小跳數(shù)。在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，將數(shù)據(jù)包沿著梯度減小的方向進(jìn)行路由選擇就可以把數(shù)據(jù)傳送到所需的Sink節(jié)點(diǎn)。通過(guò)這種機(jī)制，GBR能夠有效的減少傳輸次數(shù)，從而節(jié)省網(wǎng)絡(luò)資源并延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。

在文獻(xiàn)[6]中，Shao?Shan Chiang和Chih?Hung改進(jìn)了GBR，加入了電池能量作為路由選擇的參考。通過(guò)比較鄰居節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)（或者說(shuō)梯度值），他們把所有鄰居節(jié)點(diǎn)分成三類：父輩節(jié)點(diǎn)、兄弟節(jié)點(diǎn)和子輩節(jié)點(diǎn)。對(duì)于某個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，其父輩節(jié)點(diǎn)為鄰居節(jié)點(diǎn)中那些梯度值比它小的節(jié)點(diǎn)；子輩節(jié)點(diǎn)為鄰居節(jié)點(diǎn)中梯度值比它大的節(jié)點(diǎn)；梯度值和它相當(dāng)?shù)墓?jié)點(diǎn)作為其兄弟節(jié)點(diǎn)。具體的路由機(jī)制如下：當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)自身產(chǎn)生了數(shù)據(jù)或者作為中繼節(jié)點(diǎn)接受從其他節(jié)點(diǎn)接收了數(shù)據(jù)包以后，它會(huì)優(yōu)先將數(shù)據(jù)包發(fā)送給電池能量最高的父輩節(jié)點(diǎn)。如果發(fā)生意外，找不到正常工作的父輩節(jié)點(diǎn)，那么將發(fā)送給具有最高電池能量最高的兄弟節(jié)點(diǎn)。這種算法繼承了GBR的基于跳數(shù)的機(jī)制并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，能夠平衡節(jié)點(diǎn)間的能量消耗。

Oliver Powell在文獻(xiàn)[7]中提出在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中存在所謂的“瓶頸”節(jié)點(diǎn)。這些“瓶頸”節(jié)點(diǎn)通常消耗電池能量的速度很快，比其他節(jié)點(diǎn)更早的因能量耗盡而死亡。而這些“瓶頸”通常是距離Sink節(jié)點(diǎn)最近的那些節(jié)點(diǎn)，它們的死亡會(huì)破壞網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)洌瑢?dǎo)致網(wǎng)絡(luò)過(guò)早的中斷。為了解決這個(gè)問(wèn)題，文中引用了一種混合機(jī)制。在一般情況下，中繼節(jié)點(diǎn)的選擇同文獻(xiàn)[6]中的相同。但當(dāng)被選中的中繼節(jié)點(diǎn)的能量低于某個(gè)值時(shí)，發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)不會(huì)采用多跳的傳輸模式，而是通過(guò)長(zhǎng)距離的傳輸，將數(shù)據(jù)直接發(fā)送給Sink節(jié)點(diǎn)。這種混合機(jī)制能夠從一定程度上節(jié)省“瓶頸”節(jié)點(diǎn)的能量消耗，進(jìn)而延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的壽命。然而，這種從Soure節(jié)點(diǎn)直接到Sink節(jié)點(diǎn)的長(zhǎng)距離傳輸會(huì)也消耗大量的能量。

文獻(xiàn)[8]提出了一種魯棒性的基于多跳的路由協(xié)議——HBRRP（Hop?based Robust Routing Protocol）。這種算法以最小跳數(shù)作為基礎(chǔ)，并選取電池能量、LOI（鏈路質(zhì)量）和傳輸成功率作為參數(shù)設(shè)計(jì)路由選擇算法。這其中，LOI是由RSS（接受信號(hào)強(qiáng)度）等其他信息計(jì)算得來(lái)的；傳輸成功率是統(tǒng)計(jì)某條鏈路上，過(guò)去一定次數(shù)的傳輸中成功的比率。HBRRP采用代價(jià)方程來(lái)對(duì)備選鏈路進(jìn)行評(píng)估，方程對(duì)三個(gè)參數(shù)設(shè)置不同的權(quán)重，最后選擇計(jì)算結(jié)果最好的鏈路作為路由。

綜上所述，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面有很多的協(xié)議和其他研究成果，但目前沒(méi)有滿足WirelessHART的需求的分布式方案，而且“瓶頸”節(jié)點(diǎn)的問(wèn)題一直沒(méi)有得到很好的解決。本文希望能夠解決這些問(wèn)題。

2 DHEIRP的機(jī)制

之前的協(xié)議通常引用電池能量作為參數(shù)來(lái)解決“瓶頸”節(jié)點(diǎn)的問(wèn)題以及進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間的能耗平衡。但僅僅考慮鄰居節(jié)點(diǎn)的電池能量是不充分的，因?yàn)橐粋€(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的選擇會(huì)影響之后的鏈路的選擇。為此，DHEIRP設(shè)計(jì)了一種能量迭代算法，這種算法能夠從整體上對(duì)備選的多條鏈路上的節(jié)點(diǎn)能量進(jìn)行綜合評(píng)估。DHEIRP可以分為三個(gè)過(guò)程：網(wǎng)絡(luò)初始化階段、數(shù)據(jù)發(fā)送階段、梯度信息更新階段。

2.1 網(wǎng)絡(luò)初始化階段

DHEIRP是基于多跳傳輸[9]的，其實(shí)現(xiàn)需要一個(gè)梯度場(chǎng)信息的支持。這里定義每個(gè)節(jié)點(diǎn)的梯度值為這個(gè)節(jié)點(diǎn)到Sink節(jié)點(diǎn)所要經(jīng)歷的最小跳數(shù)。

在網(wǎng)絡(luò)初始化之前，所有節(jié)點(diǎn)都將其梯度值設(shè)置為“NULL”。網(wǎng)絡(luò)管理器作為Sink節(jié)點(diǎn)，會(huì)向其鄰居節(jié)點(diǎn)廣播出一個(gè)“initial”的信息，這個(gè)信息中含有一個(gè)為0的HC值。接收到這個(gè)“initial”信息的鄰居節(jié)點(diǎn)將其梯度值設(shè)置為1，并廣播一個(gè)HC值為1的“initial”信息。當(dāng)其他節(jié)點(diǎn)接收到“initial”信息時(shí)，如果這個(gè)節(jié)點(diǎn)的梯度值為“NULL”或者節(jié)點(diǎn)的梯度值減去1仍大于“initial”信息的HC值，則它需要將其梯度值設(shè)置為“initial”信息的HC值加1，然后向周圍廣播一個(gè)HC值同其梯度值相等的“initial”信息。反之，如果該節(jié)點(diǎn)的梯度值減去1等于或者小于接收到的“initial”信息的HC值，節(jié)點(diǎn)就不需要改變其梯度信息，只向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播一個(gè)HC值為其梯度值的“initial”信息。這個(gè)過(guò)程可以用下面的偽代碼來(lái)描述：

For a sensor node receiving an “inintial” message ：

//對(duì)于任何一個(gè)接收到“initial”信息的節(jié)點(diǎn)

If local-gradient == NULL

{

local-gradient=initial-message HC+1；

initial-message HC=local-gradient；

}

Else if local-gradient>initial-message HC+1；

{

local-gradient=initial-message HC+1；

initial-message HC=local-gradient；

}

Else

End

flooding out initial-message； //向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播“initial”信息

通過(guò)這個(gè)階段，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的初始梯度值被確定了。

2.2 數(shù)據(jù)發(fā)送階段

在這個(gè)階段，各個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)把自己產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包通過(guò)多跳傳輸上傳給Sink節(jié)點(diǎn)。作為分布式的路由協(xié)議，在DHEIRP中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只需要將自己產(chǎn)生或者接收到的數(shù)據(jù)包有選擇性的發(fā)送給自己的一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)，并確保這次發(fā)送會(huì)使數(shù)據(jù)包更接近Sink節(jié)點(diǎn)。

對(duì)于某個(gè)節(jié)點(diǎn)，其所有的鄰居節(jié)點(diǎn)可以被分成三類：鄰居節(jié)點(diǎn)中梯度值比其小的作為父輩節(jié)點(diǎn)；鄰居節(jié)點(diǎn)中梯度值同其相等的作為兄弟節(jié)點(diǎn)；鄰居節(jié)點(diǎn)中梯度值比其大的作為子節(jié)點(diǎn)。為了保證最小跳數(shù)原則并避免loop傳輸，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)優(yōu)先選擇所有的父輩節(jié)點(diǎn)作為候選中繼節(jié)點(diǎn)，如果在通信范圍內(nèi)沒(méi)有正常工作的父輩節(jié)點(diǎn)，則選取所有的兄弟節(jié)點(diǎn)作為候選中繼節(jié)點(diǎn)。建立下面的方程來(lái)對(duì)所有的候選節(jié)點(diǎn)逐個(gè)進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估。對(duì)于某候選節(jié)點(diǎn)[x]：

[Routequality=α?Efun（x）+β?RSS] （1）

式中：[Efun（x）]是一個(gè)能量迭代函數(shù)；RSS（Received Signal Strength）是需要發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)同節(jié)點(diǎn)[x]間的信號(hào)強(qiáng)度；[α]和 [β]是兩個(gè)參數(shù)，來(lái)確定[Efun（x）]和RSS在式（1）中的權(quán)重。

能量迭代函數(shù)[Efun（x）]能夠綜合評(píng)估候選節(jié)點(diǎn)自身能量和候選節(jié)點(diǎn)的中繼節(jié)點(diǎn)的電池能量，其定義如下：

[Efun（x）=（1-k）?Einitial?energy+k?Efun（y）， 當(dāng)節(jié)點(diǎn)x的梯度值大于1時(shí)Efun（x）=Einitial?energy， 當(dāng)節(jié)點(diǎn)x的梯度值等于1時(shí)] （2）

式中：[E]代表節(jié)點(diǎn)[x]的當(dāng)前電池能量；initial?energy表示電池未使用之前的初始能量；[k]是一個(gè)0.5～1之間的小數(shù)；節(jié)點(diǎn)[y]是[x]發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的中繼節(jié)點(diǎn)。

顯然，[Efun（x）]是一個(gè)迭代計(jì)算的結(jié)果，取值范圍是從0～1。對(duì)于梯度為1的節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，[Efun（x）]的值為電池剩余能量的百分比。而對(duì)于梯度值為2的節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，[Efun（x）]為兩個(gè)電量百分比的和。由于[k]是一個(gè)0.5～1之間的數(shù)，因此式中路由梯度值更小的節(jié)點(diǎn)能量的影響更大。這種設(shè)定是合理的，因?yàn)樘荻雀〉墓?jié)點(diǎn)距離Sink節(jié)點(diǎn)更近，電池電量消耗的更快更早死亡。通過(guò)這種迭代計(jì)算，一條路由上的多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的整體能耗可以用一個(gè)數(shù)值來(lái)表示。路由質(zhì)量公式的另一個(gè)度量參考是RSS。RSS表示候選的中繼節(jié)點(diǎn)和發(fā)送數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)間的信號(hào)強(qiáng)度。RSS的值越高，說(shuō)明這條路徑上的信道干擾越小。選擇這種干擾小的信道不僅能夠更好的保證傳輸?shù)目煽啃浴８匾氖牵诠β士烧{(diào)的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)RSS來(lái)調(diào)整發(fā)射功率，從而節(jié)省電池能量。

有了之前的計(jì)算結(jié)果，選擇Routequality值最高的候選節(jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn)。多次測(cè)試的結(jié)果顯示，當(dāng)[α?β]時(shí)，網(wǎng)絡(luò)會(huì)有較長(zhǎng)的壽命。實(shí)際操作中，并不給 [α]和[β]具體的數(shù)值，而是采用下面的方法來(lái)比較Routequality的大小：

[Efun（x1）-Efun（x2）ΔEinitial?energy] （3）

式中：[ΔE]是根據(jù)具體情況而設(shè)定的一個(gè)閾值。當(dāng)兩個(gè)備選節(jié)點(diǎn)[x1]和[x1]在比較它們的Routequality 大小時(shí)，如果[Efun（x1）]和[Efun（x2）]不能滿足式（3）中的條件，則判斷具有較大Efun值的節(jié)點(diǎn)的Routequality更大；反之，若滿足式（3）中的條件，則判斷具有較大RSS值的節(jié)點(diǎn)的Routequality更大。

2.3 梯度信息更新階段

節(jié)點(diǎn)的梯度信息是由網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)決定的。因此，隨著網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，任何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化都可能影響節(jié)點(diǎn)的梯度值分布。這其中，新節(jié)點(diǎn)的加入和老節(jié)點(diǎn)的死亡是影響網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變的兩個(gè)主要原因。這里不單獨(dú)把節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)考慮成第三種情況，因?yàn)槟硞€(gè)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)可以被看成兩個(gè)情況的組合：一個(gè)老節(jié)點(diǎn)的死亡和另一個(gè)新節(jié)點(diǎn)的加入。當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)離開它的原有位置時(shí)，系統(tǒng)認(rèn)定這個(gè)節(jié)點(diǎn)失去聯(lián)系。然后當(dāng)這個(gè)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到一個(gè)新的位置并保持相對(duì)靜止以后，系統(tǒng)將其作為一個(gè)新生節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)中。這個(gè)過(guò)程如圖1所示。當(dāng)節(jié)點(diǎn)不停地移動(dòng)時(shí)，不對(duì)其進(jìn)行任何數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的梯度更新

節(jié)點(diǎn)可能因?yàn)槟芰亢谋M或者其他原因與網(wǎng)絡(luò)失去聯(lián)系而死亡。在DHEIRP的設(shè)計(jì)中，給定一個(gè)電池剩余能量的百分比（比如5%），如果電池剩余能量低于這個(gè)值，這個(gè)節(jié)點(diǎn)就會(huì)進(jìn)入“休眠”模式，并向周圍節(jié)點(diǎn)廣播一個(gè)“dead”信息。其他節(jié)點(diǎn)接收到這個(gè)信息以后就會(huì)把這個(gè)節(jié)點(diǎn)從鄰居表中刪除。如果碰巧一個(gè)節(jié)點(diǎn)的所有父輩節(jié)點(diǎn)都死亡了（這時(shí)所有活躍的鄰居節(jié)點(diǎn)的梯度值都比它自身大），則需要重新選取剩余的活躍鄰居節(jié)點(diǎn)中梯度值最低的作為新的父輩節(jié)點(diǎn)，并調(diào)節(jié)自身的梯度值為父輩節(jié)點(diǎn)的梯度值加上1。

當(dāng)一個(gè)新的節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，首先進(jìn)入申請(qǐng)模式，尋找周圍活躍的鄰居節(jié)點(diǎn)。通過(guò)申請(qǐng)模式這個(gè)階段，新節(jié)點(diǎn)建立了一個(gè)鄰居表，這個(gè)鄰居表中包含了所有鄰居節(jié)點(diǎn)的梯度值、電池剩余能量和RSS。通過(guò)鄰居表，正在加入的新節(jié)點(diǎn)找到具有最小值的鄰居節(jié)點(diǎn)作為父輩節(jié)點(diǎn)，并設(shè)置自身的梯度值為父輩節(jié)點(diǎn)的梯度值加1。然后，這個(gè)新節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)入正常工作模式，進(jìn)而采用2.2中的機(jī)制來(lái)選擇中繼節(jié)點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)。某些新加入節(jié)點(diǎn)的鄰居可能也需要調(diào)整自己的梯度值，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能已經(jīng)發(fā)生了變化。

從前面的內(nèi)容可以了解，集中式的路由協(xié)議在更新路由信息時(shí)需要網(wǎng)絡(luò)管理器的參與。需要所有節(jié)點(diǎn)將自身相關(guān)信息上傳到網(wǎng)絡(luò)管理器，然后管理器在將計(jì)算好的路由選擇結(jié)果發(fā)送給各個(gè)分散的節(jié)點(diǎn)，這個(gè)過(guò)程在網(wǎng)絡(luò)信息的更新中反應(yīng)較慢。在本文提出的分布式路由協(xié)議中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠根據(jù)周圍網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓灾鞫?dú)立的更新自己的路由信息。在分布式機(jī)制下，新節(jié)點(diǎn)不需要將它的相關(guān)鄰居表和其他數(shù)據(jù)通過(guò)多跳傳輸發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)過(guò)管理器就可以加入系統(tǒng)，這大大加快了新節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的速度。這種機(jī)制在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，某些節(jié)點(diǎn)離網(wǎng)絡(luò)管理器較遠(yuǎn)時(shí)意義重大。

3 仿真結(jié)果及分析

在Matlab環(huán)境下對(duì)提出的方案進(jìn)行了測(cè)試，比較DHEIRP同GBR和HBRRP兩種協(xié)議在能量消耗方面的優(yōu)劣。

仿真假設(shè)網(wǎng)絡(luò)由在一個(gè)正方形范圍內(nèi)的大量隨機(jī)分布的節(jié)點(diǎn)組成，具體的模型設(shè)置如下：正方形區(qū)域的變長(zhǎng)為500～700單位長(zhǎng)度；節(jié)點(diǎn)間的最遠(yuǎn)通信距離為100個(gè)單位長(zhǎng)度；網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的數(shù)量為[N]；每個(gè)節(jié)點(diǎn)的電池初始能量為[E]個(gè)單位；發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包需要2個(gè)單位的能量，接收一個(gè)數(shù)據(jù)包需要3個(gè)單位的能量。

在仿真中，假定網(wǎng)絡(luò)的Sink節(jié)點(diǎn)位于正方形網(wǎng)絡(luò)的中心。每個(gè)Source傳感器節(jié)點(diǎn)平均每分鐘產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)包，并通過(guò)多跳的方式將數(shù)據(jù)包上傳給Sink節(jié)點(diǎn)。本文進(jìn)行了多次的仿真測(cè)試，改變網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的數(shù)目和梯度值的分布，觀察不同測(cè)試結(jié)果的變化趨勢(shì)。由于魯棒性并不是本文的研究對(duì)象，仿真中并不考慮丟包的情況。仿真設(shè)定網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)在兩種情況下被認(rèn)定為死亡：節(jié)點(diǎn)的電池能量低于5個(gè)單位；某節(jié)點(diǎn)成為孤立奇點(diǎn)，即在通信距離內(nèi)找不到活躍的鄰居節(jié)點(diǎn)。

這里使用兩種指標(biāo)來(lái)衡量和比較各種算法的能量效率。第一個(gè)指標(biāo)是網(wǎng)絡(luò)中死亡的節(jié)點(diǎn)數(shù)目隨時(shí)間的變化。這個(gè)曲線可以描述網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化的趨勢(shì)。另一個(gè)指標(biāo)是網(wǎng)絡(luò)中第一個(gè)節(jié)點(diǎn)的死亡時(shí)間FDN（First Dead Node）。由于第一個(gè)死亡的節(jié)點(diǎn)是“瓶頸”節(jié)點(diǎn)，它的死亡對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的影響很大，因此FDN是一個(gè)很重要的衡量指標(biāo)。

當(dāng)電池初始能量為3 000，節(jié)點(diǎn)數(shù)目[N]為400，正方形區(qū)域邊長(zhǎng)為500時(shí)的節(jié)點(diǎn)死亡數(shù)量隨時(shí)間變化的情況如圖2所示。此時(shí)的網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)最多需要經(jīng)過(guò)6次多跳來(lái)將數(shù)據(jù)發(fā)送到Sink節(jié)點(diǎn)。由圖2可以看出，相比其GBR的節(jié)點(diǎn)死亡速度遠(yuǎn)大于其他兩種曲線，這是因?yàn)槠湓诙嗵穆酚蛇x擇中不考慮節(jié)點(diǎn)電池能量，致使那些“瓶頸”節(jié)點(diǎn)過(guò)早死亡造成的。而相比HBRRP，DHEIRP算法在同一時(shí)間內(nèi)的節(jié)點(diǎn)死亡數(shù)量更少，說(shuō)明綜合考慮多個(gè)節(jié)點(diǎn)的電池能量可以平衡能耗并延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的壽命。

圖2 區(qū)域邊長(zhǎng)為500時(shí)的死亡曲線

圖3比較了三種算法的FND情況。選用正方形區(qū)域的邊長(zhǎng)為500，測(cè)試當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目分別為150，200，300和400時(shí)的FND。圖中的每個(gè)FND的值是100次計(jì)算結(jié)果的平均值。從圖3中可以看出，DHEIRP的FDN曲線一直處于GBR和HBRRP的上方。這說(shuō)明DHEIRP能通過(guò)平衡節(jié)點(diǎn)能量消耗來(lái)延遲“瓶頸”節(jié)點(diǎn)的死亡。不僅如此，從圖3中可以觀察到，對(duì)于GBR和HBRRP兩種算法，隨著節(jié)點(diǎn)的數(shù)目增多，F(xiàn)DN的值會(huì)不斷降低。這是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)的數(shù)目越多，距離Sink節(jié)點(diǎn)最近的節(jié)點(diǎn)的負(fù)擔(dān)越重（需要給更多節(jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn)）。這些節(jié)點(diǎn)很容易成為“瓶頸”節(jié)點(diǎn)而過(guò)早的死亡。而對(duì)于DHEIRP來(lái)說(shuō)，由于在路由選擇中的迭代算法能夠避免對(duì)某一節(jié)點(diǎn)的過(guò)度消耗，因此FND值不會(huì)隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目增長(zhǎng)而明顯下降。

圖2和圖3的仿真基本是在相對(duì)簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行的，節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)最多需要6跳就可以將數(shù)據(jù)上傳到Sink節(jié)點(diǎn)。圖4和圖5是針對(duì)更加復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試結(jié)果。圖4是當(dāng)區(qū)域變長(zhǎng)為800，節(jié)點(diǎn)數(shù)目為700時(shí)死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)量隨時(shí)間的變化情況，這里數(shù)據(jù)最多需要11跳才能到達(dá)Sink節(jié)點(diǎn)。對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)初始電量為15 000個(gè)單位能量。圖4中的曲線證明DHEIRP在大型網(wǎng)絡(luò)中的性能比GBR和HBRRP要更加出色。

圖3 區(qū)域邊長(zhǎng)為500時(shí)FND的均值

圖4 區(qū)域邊長(zhǎng)為800時(shí)的死亡曲線

圖5比較了三種協(xié)議的FND在更大更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)中的變化。圖中設(shè)定網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域邊長(zhǎng)為700，節(jié)點(diǎn)的數(shù)量分別為400，500，600，700和800，數(shù)據(jù)最多需要經(jīng)過(guò)11跳來(lái)到達(dá)Sink節(jié)點(diǎn)。

圖5 區(qū)域邊長(zhǎng)為800時(shí)的FND均值

從圖5中可以看出，DHEIRP的FND值明顯大于其他兩個(gè)協(xié)議。在圖3中，相比其他兩種算法，DHEIRP的FND值分別平均增大了44%（HBRRP）和322%（GBR）；而在圖5中，這兩個(gè)數(shù)值為94%和377%，對(duì)比可以看出，在較為復(fù)雜和大量節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)中，DHEIRP的有著更大的優(yōu)勢(shì)。因?yàn)楫?dāng)網(wǎng)絡(luò)越大或者越復(fù)雜時(shí)，“瓶頸”節(jié)點(diǎn)的傳輸負(fù)擔(dān)會(huì)越重，如果沒(méi)有合適的機(jī)制，“瓶頸”節(jié)點(diǎn)就會(huì)很快的死亡，而DHEIRP的能量迭代算法能夠準(zhǔn)確的判斷潛在的“瓶頸”節(jié)點(diǎn)的剩余能量，在路由選擇時(shí)避開這些節(jié)點(diǎn)，延長(zhǎng)其網(wǎng)絡(luò)壽命。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文分析了以往無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議的發(fā)展。針對(duì)WirelessHART集中式設(shè)計(jì)的缺陷，提出了一種分布式的解決方案DHEIRP。并針對(duì)“瓶頸”節(jié)點(diǎn)問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種能量迭代公式。通過(guò)仿真，比較DHEIRP與GBR，HBRRP的性能，證明其能夠降低能耗并延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的壽命。在以后的研究中會(huì)繼續(xù)改進(jìn)這種算法，使其在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域有更廣泛的適用性。

參考文獻(xiàn)

[1] AL?KARAKI J N， CAMAL A E. Routing techniques in wireless sensor network： a survey [J]. IEEE Wireless Communications， 2004， 11（6）： 6?28.

[2] 許毅.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理及方法[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012.

[3] IEC. IEC 62591?2010 industrial communication networks?wireless communication network and communication profile?WirelessHART [S]. London： IEC， 2010.

[4] 繆學(xué)勤.WirelessHART無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用[J].自動(dòng)化博覽，2012（3）：34?38.

[5] INTANAGONWIWAT C， GOVINDAN R， ESTRIN D. Directed diffusion： a scalable and robust communication paradigm for sensor networks[C]// Proceedings of the 6th Annual International Conference on Mobile Computing and Networking. New York： ACM， 2000： 56?67.

[6] CHIANG Shao?shan， HUANG Chih?hung. A minimum hop routing protocol for home security systems using wireless sensor networks [J]. IEEE Transactions on Consumer Electronics， 2007， 53（4）： 1483?1489.

[7] POWELL O， JARRY A， LEONE P， et al. Gradient based routing in wireless sensor networks： a mixed strategy [EB/OL]. [[2008?02?07]]. http：//www. wenku.baidu.com/view/3619dbb565ce050876321366.html.

[8] ZANG Zhe， QI Jian?dong， CAO Yong?jie. A robust routing protocol in wireless sensor network [C]// 2010 IET International Conference on Wireless Sensor Network. [S.l.]： IET， 2010： 276?279.

[9] 文芳，齊建東.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)最小跳數(shù)路由算法的研究[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2010，46（22）：88?91.

[10] SCHURGERS C， SRIVASTAVA M B. Energy efficient routing in wireless sensor networks[C]// 2001 IEEE Military Communications Conference. [S.l.]： IEEE， 2001， 1： 357?361.