WSNs可靠路由協(xié)議在GAINZ平臺實現(xiàn)的研究
2014-11-05 19:06:43胡須
電子技術與軟件工程 2014年18期
胡須
摘 要
針對無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸可靠性的問題，本文提出了一種可靠性路由協(xié)議RANC，在GAINZ實驗平臺上實現(xiàn)RANC拓撲搭建，給出了節(jié)點組網(wǎng)具體過程，實現(xiàn)可靠路由的最佳通信路徑選擇。
【關鍵詞】無線傳感器網(wǎng)絡RANC GAINZ可靠性
1 引言
無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Networks，WSNs）是由多個微型傳感器節(jié)點面向任務以自組織方式構(gòu)成的網(wǎng)絡，WSNs由多個微型傳感器節(jié)點通過自組織方式構(gòu)成，其自組織性和容錯能力使它非常適合在特殊時刻和環(huán)境中應用。WSNs一般部署在面積廣闊且復雜惡劣的環(huán)境中，傳感器節(jié)點資源受限，自然環(huán)境損毀和能量耗盡將導致節(jié)點失效，對實際應用產(chǎn)生巨大隱患。這些隱患決定了路由協(xié)議在WSNs研究中的重要性。為了保證WSNs能夠正常通信，必須保證路由在全連通的基礎上進行數(shù)據(jù)傳輸信息。本文首先介紹了一種可靠性路由協(xié)議RANC算法（Routing Algorithm Based on Node Credibility），在此算法基礎上，在GAINZ平臺實驗環(huán)境實現(xiàn)WSNs真實的網(wǎng)絡拓撲。
2 RANC協(xié)議簡介
本節(jié)介紹的RANC路由協(xié)議綜合了鏈路質(zhì)量、傳感器節(jié)點能量、儲存空間等對路由可靠性的影響，通過可信度數(shù)學模型的構(gòu)建實現(xiàn)網(wǎng)絡路徑的調(diào)整，達到延長網(wǎng)絡生命期的目的。
WSNs中節(jié)點可信度（Node Credibility，NC）的數(shù)學模型表示為：
（1）
式（1）中，Ere（j）為j的剩余能量，d（j，sink）為節(jié)點j到基站的距離，LQ（i，j）為（i，j）的鏈路質(zhì)量，TC（j）為節(jié)點j的轉(zhuǎn)發(fā)能力。節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)能力與節(jié)點緩存占用率BO和擁塞因子CF有關，轉(zhuǎn)發(fā)能力的數(shù)學表達式可表示為：
（2）
通過式（1）、（2）可以得出節(jié)點可靠性數(shù)學模型：
（3）
式（3）可以看出節(jié)點可靠性與傳感節(jié)點剩余能量Ere（j）、節(jié)點緩存占用率BO（j）、鏈路質(zhì)量LQ（i，j）、擁塞因子CF（j）正相關，與節(jié)點到基站的距離負相關。因此，在實驗過程中可以選擇節(jié)點剩余能量多的、節(jié)點緩存占用率高的、鏈路質(zhì)量優(yōu)并且與目的節(jié)點距離小的節(jié)點作為通信節(jié)點，使路由數(shù)據(jù)傳輸工作更為可靠。
3 RANC協(xié)議在GAINZ平臺實現(xiàn)方案
GAINZ平臺硬件由微處理器，射頻芯片以及外圍設備組成，是一款WSNs硬件開發(fā)平臺，傳感器節(jié)點在AVR單片機基礎上進行設計。基于GAINZ實驗平臺上，實現(xiàn)RANC路由協(xié)議搭建的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。
3.1 拓撲搭建過程
協(xié)調(diào)器節(jié)點組網(wǎng)過程的具體偽碼如下所示：
協(xié)調(diào)器節(jié)點組網(wǎng)算法
確定網(wǎng)絡環(huán)境，設定自身網(wǎng)絡ID
令N=0；
whlie收到節(jié)點請求
if N N+1，將該節(jié)點IP、能量信息等加入鄰居列表，并向請求節(jié)點發(fā)送加入回復信息 else if N>Nmax 將加入請求信息刪除 end if end 3.2 RANC拓撲實現(xiàn) 在實驗環(huán)境，硬件環(huán)境由20個GAINZ節(jié)點，USB電子狗和PC機組成。軟件環(huán)境分為兩部分，一部分為由C語言編寫的測試程序；另一部分是在運行的Zigbee分析儀。 圖1為 GAINZ平臺上的原始拓撲圖，通過RANC算法，通過擇優(yōu)選擇路由，選擇最佳通信路徑，提升路由數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕鐖D2所示。 4 結(jié)語 本文針對WSNs網(wǎng)絡中路由選擇問題，介紹了RANC路由協(xié)議優(yōu)化網(wǎng)絡的通信路徑。給出了RANC協(xié)議的網(wǎng)絡拓撲搭建過程，并且在GAINZ平臺上的實現(xiàn)RANC拓撲。通過優(yōu)化網(wǎng)絡通信路徑，達到延長網(wǎng)絡生命期。 參考文獻 [1]李凌晶.能量有效的無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議研究[D].南京：南京郵電大學學位論文，2012：6-9. [2]韓旭，劉迎新，文正江.無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議研究[J].中國儀器儀表，2012，9：27-31. [3]孫佩剛，趙海，羅玎玎等.無線傳感器網(wǎng)絡鏈路通信質(zhì)量測量研究[J].通信學報，2007，28（10）：14-22. [4]于海濱，曾鵬，王忠峰等.分布式無線傳感器網(wǎng)絡通信協(xié)議研究[J].通信學報，2004，25（10）：102-110. 作者單位 東華計量測試研究院 江西省南昌市 330029
摘 要
針對無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸可靠性的問題，本文提出了一種可靠性路由協(xié)議RANC，在GAINZ實驗平臺上實現(xiàn)RANC拓撲搭建，給出了節(jié)點組網(wǎng)具體過程，實現(xiàn)可靠路由的最佳通信路徑選擇。
【關鍵詞】無線傳感器網(wǎng)絡RANC GAINZ可靠性
1 引言
無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Networks，WSNs）是由多個微型傳感器節(jié)點面向任務以自組織方式構(gòu)成的網(wǎng)絡，WSNs由多個微型傳感器節(jié)點通過自組織方式構(gòu)成，其自組織性和容錯能力使它非常適合在特殊時刻和環(huán)境中應用。WSNs一般部署在面積廣闊且復雜惡劣的環(huán)境中，傳感器節(jié)點資源受限，自然環(huán)境損毀和能量耗盡將導致節(jié)點失效，對實際應用產(chǎn)生巨大隱患。這些隱患決定了路由協(xié)議在WSNs研究中的重要性。為了保證WSNs能夠正常通信，必須保證路由在全連通的基礎上進行數(shù)據(jù)傳輸信息。本文首先介紹了一種可靠性路由協(xié)議RANC算法（Routing Algorithm Based on Node Credibility），在此算法基礎上，在GAINZ平臺實驗環(huán)境實現(xiàn)WSNs真實的網(wǎng)絡拓撲。
2 RANC協(xié)議簡介
本節(jié)介紹的RANC路由協(xié)議綜合了鏈路質(zhì)量、傳感器節(jié)點能量、儲存空間等對路由可靠性的影響，通過可信度數(shù)學模型的構(gòu)建實現(xiàn)網(wǎng)絡路徑的調(diào)整，達到延長網(wǎng)絡生命期的目的。
WSNs中節(jié)點可信度（Node Credibility，NC）的數(shù)學模型表示為：
（1）
式（1）中，Ere（j）為j的剩余能量，d（j，sink）為節(jié)點j到基站的距離，LQ（i，j）為（i，j）的鏈路質(zhì)量，TC（j）為節(jié)點j的轉(zhuǎn)發(fā)能力。節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)能力與節(jié)點緩存占用率BO和擁塞因子CF有關，轉(zhuǎn)發(fā)能力的數(shù)學表達式可表示為：
（2）
通過式（1）、（2）可以得出節(jié)點可靠性數(shù)學模型：
（3）
式（3）可以看出節(jié)點可靠性與傳感節(jié)點剩余能量Ere（j）、節(jié)點緩存占用率BO（j）、鏈路質(zhì)量LQ（i，j）、擁塞因子CF（j）正相關，與節(jié)點到基站的距離負相關。因此，在實驗過程中可以選擇節(jié)點剩余能量多的、節(jié)點緩存占用率高的、鏈路質(zhì)量優(yōu)并且與目的節(jié)點距離小的節(jié)點作為通信節(jié)點，使路由數(shù)據(jù)傳輸工作更為可靠。
3 RANC協(xié)議在GAINZ平臺實現(xiàn)方案
GAINZ平臺硬件由微處理器，射頻芯片以及外圍設備組成，是一款WSNs硬件開發(fā)平臺，傳感器節(jié)點在AVR單片機基礎上進行設計。基于GAINZ實驗平臺上，實現(xiàn)RANC路由協(xié)議搭建的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。
3.1 拓撲搭建過程
協(xié)調(diào)器節(jié)點組網(wǎng)過程的具體偽碼如下所示：
協(xié)調(diào)器節(jié)點組網(wǎng)算法
確定網(wǎng)絡環(huán)境，設定自身網(wǎng)絡ID
令N=0；
whlie收到節(jié)點請求
if N N+1，將該節(jié)點IP、能量信息等加入鄰居列表，并向請求節(jié)點發(fā)送加入回復信息 else if N>Nmax 將加入請求信息刪除 end if end 3.2 RANC拓撲實現(xiàn) 在實驗環(huán)境，硬件環(huán)境由20個GAINZ節(jié)點，USB電子狗和PC機組成。軟件環(huán)境分為兩部分，一部分為由C語言編寫的測試程序；另一部分是在運行的Zigbee分析儀。 圖1為 GAINZ平臺上的原始拓撲圖，通過RANC算法，通過擇優(yōu)選擇路由，選擇最佳通信路徑，提升路由數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕鐖D2所示。 4 結(jié)語 本文針對WSNs網(wǎng)絡中路由選擇問題，介紹了RANC路由協(xié)議優(yōu)化網(wǎng)絡的通信路徑。給出了RANC協(xié)議的網(wǎng)絡拓撲搭建過程，并且在GAINZ平臺上的實現(xiàn)RANC拓撲。通過優(yōu)化網(wǎng)絡通信路徑，達到延長網(wǎng)絡生命期。 參考文獻 [1]李凌晶.能量有效的無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議研究[D].南京：南京郵電大學學位論文，2012：6-9. [2]韓旭，劉迎新，文正江.無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議研究[J].中國儀器儀表，2012，9：27-31. [3]孫佩剛，趙海，羅玎玎等.無線傳感器網(wǎng)絡鏈路通信質(zhì)量測量研究[J].通信學報，2007，28（10）：14-22. [4]于海濱，曾鵬，王忠峰等.分布式無線傳感器網(wǎng)絡通信協(xié)議研究[J].通信學報，2004，25（10）：102-110. 作者單位 東華計量測試研究院 江西省南昌市 330029
摘 要
針對無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸可靠性的問題，本文提出了一種可靠性路由協(xié)議RANC，在GAINZ實驗平臺上實現(xiàn)RANC拓撲搭建，給出了節(jié)點組網(wǎng)具體過程，實現(xiàn)可靠路由的最佳通信路徑選擇。
【關鍵詞】無線傳感器網(wǎng)絡RANC GAINZ可靠性
1 引言
無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Networks，WSNs）是由多個微型傳感器節(jié)點面向任務以自組織方式構(gòu)成的網(wǎng)絡，WSNs由多個微型傳感器節(jié)點通過自組織方式構(gòu)成，其自組織性和容錯能力使它非常適合在特殊時刻和環(huán)境中應用。WSNs一般部署在面積廣闊且復雜惡劣的環(huán)境中，傳感器節(jié)點資源受限，自然環(huán)境損毀和能量耗盡將導致節(jié)點失效，對實際應用產(chǎn)生巨大隱患。這些隱患決定了路由協(xié)議在WSNs研究中的重要性。為了保證WSNs能夠正常通信，必須保證路由在全連通的基礎上進行數(shù)據(jù)傳輸信息。本文首先介紹了一種可靠性路由協(xié)議RANC算法（Routing Algorithm Based on Node Credibility），在此算法基礎上，在GAINZ平臺實驗環(huán)境實現(xiàn)WSNs真實的網(wǎng)絡拓撲。
2 RANC協(xié)議簡介
本節(jié)介紹的RANC路由協(xié)議綜合了鏈路質(zhì)量、傳感器節(jié)點能量、儲存空間等對路由可靠性的影響，通過可信度數(shù)學模型的構(gòu)建實現(xiàn)網(wǎng)絡路徑的調(diào)整，達到延長網(wǎng)絡生命期的目的。
WSNs中節(jié)點可信度（Node Credibility，NC）的數(shù)學模型表示為：
（1）
式（1）中，Ere（j）為j的剩余能量，d（j，sink）為節(jié)點j到基站的距離，LQ（i，j）為（i，j）的鏈路質(zhì)量，TC（j）為節(jié)點j的轉(zhuǎn)發(fā)能力。節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)能力與節(jié)點緩存占用率BO和擁塞因子CF有關，轉(zhuǎn)發(fā)能力的數(shù)學表達式可表示為：
（2）
通過式（1）、（2）可以得出節(jié)點可靠性數(shù)學模型：
（3）
式（3）可以看出節(jié)點可靠性與傳感節(jié)點剩余能量Ere（j）、節(jié)點緩存占用率BO（j）、鏈路質(zhì)量LQ（i，j）、擁塞因子CF（j）正相關，與節(jié)點到基站的距離負相關。因此，在實驗過程中可以選擇節(jié)點剩余能量多的、節(jié)點緩存占用率高的、鏈路質(zhì)量優(yōu)并且與目的節(jié)點距離小的節(jié)點作為通信節(jié)點，使路由數(shù)據(jù)傳輸工作更為可靠。
3 RANC協(xié)議在GAINZ平臺實現(xiàn)方案
GAINZ平臺硬件由微處理器，射頻芯片以及外圍設備組成，是一款WSNs硬件開發(fā)平臺，傳感器節(jié)點在AVR單片機基礎上進行設計。基于GAINZ實驗平臺上，實現(xiàn)RANC路由協(xié)議搭建的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。
3.1 拓撲搭建過程
協(xié)調(diào)器節(jié)點組網(wǎng)過程的具體偽碼如下所示：
協(xié)調(diào)器節(jié)點組網(wǎng)算法
確定網(wǎng)絡環(huán)境，設定自身網(wǎng)絡ID
令N=0；
whlie收到節(jié)點請求
if N N+1，將該節(jié)點IP、能量信息等加入鄰居列表，并向請求節(jié)點發(fā)送加入回復信息 else if N>Nmax 將加入請求信息刪除 end if end 3.2 RANC拓撲實現(xiàn) 在實驗環(huán)境，硬件環(huán)境由20個GAINZ節(jié)點，USB電子狗和PC機組成。軟件環(huán)境分為兩部分，一部分為由C語言編寫的測試程序；另一部分是在運行的Zigbee分析儀。 圖1為 GAINZ平臺上的原始拓撲圖，通過RANC算法，通過擇優(yōu)選擇路由，選擇最佳通信路徑，提升路由數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕鐖D2所示。 4 結(jié)語 本文針對WSNs網(wǎng)絡中路由選擇問題，介紹了RANC路由協(xié)議優(yōu)化網(wǎng)絡的通信路徑。給出了RANC協(xié)議的網(wǎng)絡拓撲搭建過程，并且在GAINZ平臺上的實現(xiàn)RANC拓撲。通過優(yōu)化網(wǎng)絡通信路徑，達到延長網(wǎng)絡生命期。 參考文獻 [1]李凌晶.能量有效的無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議研究[D].南京：南京郵電大學學位論文，2012：6-9. [2]韓旭，劉迎新，文正江.無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議研究[J].中國儀器儀表，2012，9：27-31. [3]孫佩剛，趙海，羅玎玎等.無線傳感器網(wǎng)絡鏈路通信質(zhì)量測量研究[J].通信學報，2007，28（10）：14-22. [4]于海濱，曾鵬，王忠峰等.分布式無線傳感器網(wǎng)絡通信協(xié)議研究[J].通信學報，2004，25（10）：102-110. 作者單位 東華計量測試研究院 江西省南昌市 330029
