MESH結構無線傳感器網絡路徑確定性探討

李 瀟 凌志浩，2 左 蕓

(華東理工大學信息科學與工程學院1，上海 200237;化工過程先進控制和優化技術教育部重點實驗室2，上海 200237)

0 引言

在工業環境應用過程中，無線傳感器網絡技術具有使工業自動化系統配置更方便、維護成本更低、數據傳輸速率更高等特點。但由于網絡設備電源能量受限，必須優先考慮網絡設備分布、數據通信方式等能耗［1-2］。無線MESH網絡具有自形成、自愈性和自組織性，是一種由MESH路由組成主干網的多跳無線網絡。路由器的移動性小，用來實現路由和配置決策;移動性終端設備通過網絡基礎設施接入網絡［3］。當前應用廣泛的 ZigBee協議和新提出的 WirelessHART、ISP100、WIA-PA三種主流協議都支持 MESH結構［4-6］。關于這方面的應用，研究人員已經取得一定的研究成果［7］。可見，在工業環境中將逐步實現MESH結構的應用。

本文首先介紹無線MESH網絡分類及MESH結構性質，繼而基于通信網絡仿真平臺OMNeT++搭建一種MESH結構無線傳感器模型。同時，采用最經典的最短路徑算法確定路由路徑，以實現網絡中數據的可靠通信，并對得到的試驗結果進行總結分析。

1 無線MESH網絡結構

無線網絡的拓撲結構有多種組態方式。網絡基礎拓撲結構分為星型(STAR)、樹型(TREE)、網狀型(MESH)、總線型(BUS)和環型(RING)等。實際應用中，大多采用幾種拓撲相結合的布網方式。

MESH結構是一種相對自由的網絡拓撲。由于MESH網絡結構可實現多路由路徑，使網絡具有較強的容錯能力和魯棒性。當采用MESH結構時，盡管各個節點處于對等地位，但可指定某個節點為簇首節點，以執行附加功能。當簇首節點因故障、能量耗盡而失效時，可以立刻選擇另一個節點補充并接管原簇首，執行原簇首所實現的功能。

1.1 無線MESH網絡結構

無線MESH網絡具有分布式網絡所提供的冗余機制和重新路由功能。通常，無線MESH網絡由MESH路由和MESH客戶端組成。該網絡允許每個節點都發送和接收信號，終端設備之間自動連成網狀結構，設備節點具有自動路由能力。添加或移動設備時，網絡能夠自動發現拓撲變化，并自動調整通信路由，以獲取最有效的傳輸路徑。無線MESH網絡的網絡拓撲共有骨干網型MESH、客戶端型MESH、混合型MESH三種結構。

1.1.1 骨干網型MESH結構

通信網絡中，MESH路由器通過無線技術相連，組成具有自動配置、自我愈合能力的網絡骨干。它們之間以點對點或多次跳轉的通信方式相連，形成MESH結構。網絡中一些MESH路由與上層網絡連接，使整個骨干網絡與上層網絡連通。MESH路由器采用相同無線技術的客戶端，可以直接與骨干網絡中的路由相連，從而接入上層網絡。

1.1.2 客戶端型MESH結構

客戶端型MESH結構網絡采用多點對多點的通信方式，由使用相同無線技術的客戶端直接互聯而成。與星型網絡相比，客戶端型MESH結構沒有采用銜接節點，因此每個客戶端設備必須具有自動配置和路由功能。這樣既可以實現相鄰節點之間的直接通信，又可保證不相鄰節點間通過多跳方式完成數據通信。

1.1.3 混合型MESH結構

混合型MESH結構網絡是以上兩種結構網絡的合理結合，既有骨干網絡、客戶端網絡，又在客戶端和路由器之間形成MESH結構的網絡。混合型MESH結構如圖1所示。

圖1 混合型MESH結構Fig.1 Hybrid MESH structure

圖1中，實心圓表示 MESH路由，空心圓表示MESH客戶端。

1.2 MESH結構的特性

在MESH結構無線傳感器網絡中，每個節點可以使用的鏈路數較多，這樣能夠避免網絡“接入點”的繁重工作量，可從根本上解決網絡中特殊節點能量消耗過快以及后續相關問題。

每個節點都具有選路功能，一旦某條鏈路故障，節點可自動跳轉到其他可選鏈路，從而提高了網絡的可靠性。多條可選路徑可減輕服務執行時發生碰撞的可能性，減少碰撞造成的影響。與星型網絡相比，MESH結構網使無線鏈路設計更簡化、可擴展性更高、維護更簡單。

無線傳輸之間互相影響的固有特性所導致的同一信道相鄰節點間的干擾，以及基于競爭型MAC層接入機制所導致的多跳傳輸的不確定性，是保證無線MESH網絡實時可靠傳輸需要解決的關鍵問題。同時，工業現場環境的復雜性和無線傳輸的全空間性，使得無線信號在傳輸的過程中常常發生衰變、中斷以及出現各種缺陷，如頻散、多徑時延、干擾和安全相關問題。因此，工業無線MESH傳感器網絡必須解決路由路徑的可靠性、實時性和安全性問題。

2 無線傳感器網絡的搭建

考慮到工業環境中靜態設備對可靠性和網絡容量的要求，本文選擇混合型MESH結構網絡作為模型仿真網絡。

2.1 OMNeT++仿真軟件

基于C++對象化網絡建模實驗床(objective modular network testbed in C++，OMNeT++)是一款開源的、面向對象的離散事件網絡模擬器。它是一種用來構架實際系統結構的有效工具。其主要特征是分級嵌套模塊和模塊之間以消息的方式進行通信和拓撲語言描述。

在OMNeT++平臺中搭建的網絡模型由相互之間以消息方式通信的分級嵌套模塊組成［8］。其中，模塊嵌套沒有深度限制，模塊間通過交換消息建立通信。消息代表實際網絡中的幀、信息包、任務等可移動實體。消息可以直接發送到目的地，也可以通過門和鏈接沿預定義的路徑傳送，傳遞過程對用戶是透明可見的。

在OMNeT++搭建的網絡模型中，鏈接可以被賦予傳播延時、比特誤差率和數據速率三個參數。傳播延時是由于消息通過信道傳輸而引起的到達時間的延遲量。比特誤差率指定了比特數據在傳輸時發生錯誤的概率。當設置了一定數據速率時，“消息發送”對應于消息的第一個比特的傳送，“消息到達”對應于最后一個比特的接收。但數據速率在令牌環協議和光纖分布式數據接口協議中并不適用。

在搭建仿真模型時，首先創建描述網絡節點和相互鏈接的拓撲文件(.ned)，然后編寫C++代碼實現模塊功能(.cc)，從而完成對通信網絡的模擬檢測［9］。

2.2 仿真網絡組成及其功能

本文中搭建的通信網絡模型僅包括ISO七層網絡協議中的三層:物理層、數據鏈路層和網絡層。仿真網絡由網關、路由、終端節點這三種設備子模塊組成。設備模塊功能由應用層、路由層、物理層子模塊實現。仿真網絡結構如圖2所示。

圖2 仿真網絡結構圖Fig.2 Structure of the simulation network

2.2.1 設備模塊功能

通信網絡包含網關、路由器和終端節點三種設備。網關作為網絡模型中的上層通信設備，中間層是路由器，終端節點作為網絡的通信網絡終端。網關與路由器之間為星型連接，路由器與終端設備之間形成混合型MESH結構。

網關將本地網絡與其他工業網絡設備相連接，由有線電源供電，實現協議轉換、數據映射、對消息進行本地處理等功能。路由設備是全功能節點，由有線電源供電，連接現場終端設備和網關，具有優化網絡、減少網關負擔、延長現場終端節點壽命的作用。終端節點為精簡功能設備，在網絡覆蓋范圍內隨機分布，具有獲知自身在本地網絡的相對位置的能力，負責實現工業現場數據采集等功能。

通信網絡運行時，終端節點將在工業現場中采集到的數據發送到所屬路由設備進行本地處理;路由設備對數據進行分析，將整合結果上傳至網關或發送請求給該數據的終端節點。上述過程中，通信網絡通過由路由算法選擇的路由路徑來完成數據傳輸。

2.2.2 功能實現模塊

設備模塊內部三個子模塊實現設備相應的應用層、路由層、物理層功能，子模塊相互之間通過“門”連接。

應用層模塊用于設定設備通信地址、數據包發送時間間隔、數據包的長度，實現確定數據傳輸的目標節點、產生或接收數據包等功能。

路由層模塊用于設定終端節點和路由設備通信距離、數據傳輸速率、傳輸延時，建立網絡設備與鄰近設備之間的連接，并完成數據路由路徑的選擇任務。

物理層模塊用于設定仿真設備的物理框架結構，如發射接收數據端口，實現設備物理層的數據接收、發送、丟棄等相關控制。

2.3 最短路徑路由算法

Dijkstra算法是一種貪心算法，用來解決帶權圖(權值為非負數)的單源最短路徑問題，實現尋找從某一源節點發送到所有其他節點的最短路徑的功能。

Dijkstra算法的輸入包含一個有權重的有向圖G和G中的一個源節點vi。以V表示G中所有節點的集合。每一個有向圖中的邊都是由兩個節點所形成的有序元素對。(u，v)表示從節點u到節點v有路徑相連。以E表示所有邊的集合，而邊的權重則由權重函數W:E→［0，∞］定義。因此，W(u，v)就是從節點 u到節點v的非負權。任意兩個節點之間路徑的權，就是該路徑上所有邊的權值總和。也就是說，如果路徑(u，v)由邊 e0，e1，…，ek-1組成，那么 W(u，v)定義如下:

已知節點vi及vj，通過Dijkstra算法可以找到vi到vj的最小權值路徑，也稱為vi到vj的最短路徑。

對于每一個節點vi，Dijkstra算法將記錄ki、di和pi三條信息。這三條信息的含義具體說明如下。

①ki是一個布爾值型的標記，它表示到源節點vi的最短路徑已知。

②di是從vi到vj的已知的最短路徑長度。算法開始時，最短路徑是未知的，di也是不確定的。在算法執行期間，算法檢查候選路徑并修改di的值。

③pi是源節點的前驅。

在每次執行過程中，只有一個節點的ki設置為true。在運行O(|V|)次之后算法終止，即可找出當前源節點vi到vj所有的最短路徑。

本文中，網絡設備分布及設備間的鏈接形成有向圖G。初始化時，每個設備分別充當源節點vi，將所有設備間連接權值都設置為1，以跳數選擇路徑，即上述算法得出的路由路徑為最小跳數路徑。

3 仿真結果及分析

采用OMNeT++通信網絡仿真平臺搭建的通信網絡模型包含一個網關設備、三個路由設備和60個終端節點設備，數據傳輸路徑選擇經典的最短路徑算法實現。網絡中數據傳輸速率為106bit/s，信道延時為0.01 ms，數據包長度為 1024 B。

按源節點、目的節點的屬性不同，網絡通信傳輸分為以下四種數據傳輸類型:①工業現場的終端設備將采集到的數據傳輸到路由設備;②路由設備根據數據包中目的節點信息確定是否轉發至其他路由設備或經網關發送至其他網域;③路由設備之間必要信息的相互備份;④路由設備將經過處理整合的數據上報網關。混合型MESH結構包含前三種傳輸方式。

3.1 通信網絡參數配置

在網絡模型中，定義網關設備、路由設備在網絡中的位置固定，終端節點設備在整個布網范圍內隨機分布。

在網絡初始化時，需要做以下工作:建立網關與路由設備間、各路由設備間的連接;路由設備根據自身的通信范圍，搜索鄰近終端設備并建立連接，同時形成路由表;終端節點設備搜索分布在通信范圍內的鄰近終端設備并建立連接，形成路由表。

在通信仿真過程中，源節點在可選地址中隨機產生數據包的目的地址，然后根據存儲的路由表信息確定數據包的傳輸路徑，最后將數據包按照選定的路徑傳輸至目的地址。

3.2 仿真結果及分析

采集仿真過程的前3200個事件作為分析對象，共完成282個分源節點和目的節點間的數據包傳輸。數據包傳輸信息和傳輸跳數信息分別如表1、表2所示。

表1 數據包傳輸信息Tab.1 Transmission information of the data packet

表2 傳輸跳數信息Tab.2 Information of transmission hops

由表1和表2可以看出，仿真網絡隨機產生的數據包被均勻地傳輸到各個路由設備，且傳輸過程絕大多數在兩跳之內完成。

數據包路由路徑如表3所示。

表3 數據包路由路徑Tab.3 Routing paths of data packets

在采樣過程中，各數據傳輸各自沿上述路徑完成2、4、3、2次數據傳遞，驗證了網絡中路徑傳輸的可靠性和確定性。

4 結束語

本文針對工業環境對無線傳感器網絡的特殊需求，對比現有的無線通信協議，選擇應用靈活的OMNeT++通信網絡仿真平臺，成功搭建了混合MESH結構無線傳感器網絡模型。同時，采用經典的最短路徑算法搜索源/目的節點數據路由路徑，實現了路由路徑的確定性。

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