無線傳感器網絡不相交多路徑路由容錯纏繞系統設計

徐忠根+蔣琳

摘 要： 傳統網絡的容錯系統未全面分析網絡特征，處理多路徑纏繞問題時，存在耗能高以及波動大等問題。因此，設計無線傳感器網絡不相交多路徑路由容錯纏繞系統，其采用基于HSV色彩空間分離的節點不相交多路徑路由算法建立源節點到目標節點的不相交多路徑。系統將色彩平面劃分成A類型和B類型，并分別進行路徑選擇分析，實現不相交多路徑路由的容錯處理。系統通過動態時間間隔的鏈路RSSI檢索方案檢索動態節點，調整多路徑纏繞，解決節點路徑纏繞問題。實驗結果說明，所設計系統可顯著增強數據傳輸穩定性以及網絡吞吐量，確保網絡能耗最小。

關鍵詞： 無線傳感網絡； 不相交多路徑； 容錯； 纏繞

中圖分類號： TN711?34； TP393 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）13?0164?04

Abstract： Since the network characteristics of the traditional fault?tolerant system havent been analyzed fully， which has the problems of high energy consumption and large fluctuation while dealing with the problem of multipath winding， a disjoint multipath routing fault?tolerant winging system for wireless sensor network was designed. The node disjoint multipath routing algorithm based on HSV color space separation is used to establish the disjoint multipath from the source node to the target node. The color plane is divided into A?type and B?type by means of the system， for which the path selection analysis is carried out respectively to realize the fault?tolerant treatment of the disjoint multipath routing. The link RSSI retrieval scheme of dynamic time interval is used to retrieve the dynamic nodes of the system. The multipath winding is adjusted to solve the problem of node path winding. The experimental results show that the designed system can enhance the data transmission stability and network throughput significantly， and ensure the minimal network energy consumption.

Keywords： wireless sensor network； disjoint multipath； fault tolerance； winding

0 引 言

無線傳感器網絡受到惡劣環境、能量約束等因素的干擾，會出現節點損壞以及通信鏈路斷裂的問題，導致數據傳輸效率大幅度降低[1]。因此，無線傳感器網絡的容錯性能對增強網絡性能具有重要作用。網絡節點移動過程中會出現纏繞問題，導致網絡通信路徑斷裂，數據傳輸效率大大降低[2]。而無線傳感器網絡容錯纏繞系統可確保網絡出現纏繞問題后，對傳輸數據進行恢復，增強網絡穩定性。

1 無線傳感器網絡不相交多路徑路由容錯纏繞

系統設計

1.1 系統路由選擇設計

系統采用基于HSV色彩空間分離的不相交多路徑路由算法，通過HSV色彩空間模型，面向各鏈路塑造數值化的三元組，確保各條鏈路處于不同的色彩平面，獲取源節點到目標節點間的不相交多路徑[3]，也就是系統的路由。

設置無線傳感器網絡，包括一個基站節點和排列在特定領域的傳感器節點。傳感器節點采用多條路徑向sink節點傳輸信息，節點存在動態性，網絡存在大幅度的波動，出現纏繞現象[4]。HSV色彩空間模型包括H（色調）、S（飽和度）以及V（亮度）分量，如圖1所示。

依據該HSV色彩模型，系統對無線傳感器網絡中的鏈路塑造數值化的三元組采用鏈路著色，確保網絡對應不同的色彩平面。其中的取值區域集是R（紅）、Y（黃）、G（綠）、B（藍），的取值區間是[0，1]，的取值區間是[0，1]。按照鏈路的情況，隨機設置一條鏈路的不同元組分量取值為：

式中：用于描述鏈路的RSSI；和分別用于描述RSSI的最高值和最低值；用于描述鏈路距sink節點的最低跳數；用于描述網絡最高跳數；表示鏈路至sink節點的距離；表示鏈路的信號強度。

HSV色彩空間模型內，值不變，則越高色彩飽和度越大，值越低色彩量度越低，顏色越深。則無線傳感器鏈路RSSI值越大，表明顏色越純，鏈路至sink節點距離越短，顏色越深。不同色彩平面能夠映射相同節點是出節點或入節點的差異鏈路，將源節點到目標節點的多路徑進行準確劃分[5]。網絡拓撲結構到色彩平面的映射過程如圖2所示。

圖2（a）表示拓撲結構里有6條鏈路，也是系統路由，所有鏈路的數值化元組用圖2（b）表示。其中鏈路以及的色調是R，鏈路以及的色調是G。在色彩模型相應的圓錐形坐標系里，6條鏈路映射至以及兩個色彩平面的6個點，用圖2（c）描述。

在色彩平面區域內，將出節點看成節點的起始鏈路，順著顏色加深的方向，從源節點到sink節點獲取路徑該6個色彩平面可塑造6條路徑。

1.2 系統路由容錯纏繞處理的實現

1.2.1 無線傳感器網絡鏈路著色

系統對1.1小節獲取的多路徑實施著色，將鏈路映射到各色彩平面中。實施著色過程中，要求相同節點向sink節點的鏈路著統一色調，具體過程為：

（1） 對將sink節點當成入節點的鏈路設置相應的色調，基于RSSI值將鏈路從高到低進行布置，再為各鏈路設置6種基本色調，循環運行，直至全部鏈路都劃分到指派色調。再基于式（1）～式（3）塑造三元組，其中用于描述設置色調過程，RSSI用于描述鏈路質量。向各鏈路設置一個HA消息，并向其他節點傳輸該消息，該消息中有鏈路出節點、入節點以及三元組。

（2） 為收集到HA消息的鏈路建立三元組，其取值為用于描述消息中的三元組飽和度分量，表示消中顏色三元組的色調分量[6]。最后變成一個RHA消息反饋給sink節點，其中存在鏈路出節點、入節點以及三元組信息。向目前全部節點為入節點的鏈路塑造三元組，其中，和值同過程（2）一致，而向各條鏈路集成一個HA消息，并將該消息傳輸給其他節點。

（3） 采集其他節點的消息時，采集節點將該消息中的內容存儲到當前鏈路表。

（4） 如果網絡中的節點不再形成新HA消息，則終止算法。

上述過程將無線傳感器網絡中的各鏈路都映射到色彩空間的某個點值，對應于不同的色彩平面。

1.2.2 不相交多路徑路由容錯過程

為了增強系統對不相交多路徑路由的容錯能力，系統將色彩平面劃分成A類型和B類型，并分別進行路徑選擇分析，實現不相交多路徑路由的容錯處理。若將某節點變成出節點鏈路[7]，此鏈路在色彩平面里，則把此彩平面變成當前節點A類型的色彩平面，反之把它設為目標節點B類型的色彩平面。無線傳感器網絡中的源節點向sink節點輸送數據包的進程中，能使用多條不相交的傳送路徑輸送數據包，路由容錯進程如下：

（1） A類型色彩平面操作

把源節點當作出節點，且在A類型色彩平面的鏈路中當成源節點路徑的開始鏈路，在數據包首部存入色調，再向該鏈路入節點反饋數據包，向暫態鏈路集中融入該鏈路。

（2） B類型色彩平面操作

源節點發送REQ消息，檢索鄰居節點是否含有處于B類型色彩平面的鏈路，如果存在，則鄰居節點會反饋REP消息，源節點分析暫態鏈路集中是否包含REP消息中的鏈路，若包含，則將該鏈路當成開始鏈路，并向數據包首部融入色調信息，再向鏈路入節點反饋數據包，終止REP消息的采集[8]，將鏈路存儲在暫態鏈路集；否則，等待REP消息。直至不再獲取REP消息，以及全部REP消息的鏈路不屬于暫態鏈路集，則結束路徑選擇，同時將暫態鏈路集中的內容全部刪除。

為了實現數據業務傳輸的穩定性，在數據業務傳輸穩定性強的情況下，采用飽和度優先方案選擇后續鏈路；否則采用亮度優先方案選擇后續鏈路。

1.2.3 調整不相交多路徑路由纏繞

系統通過動態時間間隔的鏈路RSSI檢索方案檢索動態節點，完成不相交多路徑纏繞的調整，提高網絡通信效率。具體過程為：

如果檢索節點驅動RSSI檢索事件[9]，則將RSSI檢索申請RDQ消息反饋給鄰居節點，鄰居節點塑造三元組，設置以及分別是鄰居節點的下屬HA消息的色調和亮度分量，鄰居節點將RSSI檢索響應REP消息反饋給檢索節點。檢索節點收集到REP信息后，經過信息中的鏈路色彩三元組對目前鏈路列表實行整理。完成RSSI檢索后，若新融入的鏈路和過濾的鏈路數高于調整鏈路數，則說明檢索節點移向其他位置，否則說明檢索節點未變化。系統設置鏈路RSSI檢索的時間間隔是動態變化的，將時間間隔設置成高間隔以及短間隔先將節點鏈路RSSI檢索間隔設置成如果當前檢索結果是節點位置變化，則將檢索間隔降低一半；否則，將檢索間隔提高一半。最終確保動態變化高的節點檢索間隔降低；而動態變化低的節點檢索間隔增加。

上述描述的鏈路RSSI檢索方案，不僅可檢測節點的位置變化情況[10]，并且還可對鏈路情況進行調整，實現不相交多路徑纏繞問題的調整。

2 仿真實驗分析

采用仿真實驗將本文方法同DCBM方法相對比，分析兩種方法的數據傳輸成功率、網絡吞吐量以及能量消耗。實驗仿真場景將全部節點任意安裝在500 m×500 m的范圍中，sink節點處于范圍的核心，將節點的發射功率傳輸距離設置成40 m，設置網絡數據傳輸速率為300 Kb/s，信道滯后為0.2 s。

2.1 數據傳輸成功率

本文方法和DCBM方法的數據傳輸成功率對比情況如圖3所示，其中圖3（a）用于描述單路徑傳輸下，節點最高移動效率隨著數據傳輸成功率的波動情況；圖3（b）用于描述節點在最高移動效率固定狀態中，通過多條路徑傳輸數據的成功率情況。分析圖3（a）可得，多路徑傳輸數據狀態下，在節點移動效率不斷提升時，兩種方法的數據傳輸成功率都降低，并且DCBM方法降低的幅度更大。本文方法在最高移動效率低于5 m/s的狀態下，單路徑數據傳輸成功率高于70%。分析圖3（b）可得，在節點最高移動效率為3 m/s的情況下，采用多路徑傳輸數據時，本文方法的數據傳輸成功率遠遠高于DCBM方法，如果路徑數量高于3，本文方法的數據傳輸成功率高于86%，主要是因為本文方法可對不相交多路徑纏繞問題進行調整，提高網絡數據傳輸的成功率。

2.2 網絡吞吐量

實驗檢測兩種方法下的網絡吞吐量，結果如圖4所示。實驗將sink節點在單位時間中采集的數據包量看成網絡吞吐量。所有節點間距0.22 s產生一個數據包，經過多個路徑向sink節點傳輸數據包，sink節點對采集到的數據包量進行匯總。圖4（a）用于描述節點最高移動效率增加后，兩種方法的網絡吞吐量波動情況；圖4（b）用于描述節點數量的不斷提升后，兩種方法的網絡吞吐量波動情況。分析圖4可得，相對于DCBM方法，在節點動態變化狀態下，本文方法可獲取更高網絡吞吐量，關鍵是因為本文方法在多個不相交的路徑纏繞情況下，能獲得更高的輸送成功率，大大增加了網絡節點采集數據包量的成功率。

2.3 能量消耗

實驗對比分析了兩種方法對不相交路徑路由容錯纏繞調整過程的耗能情況，設置網絡節點數量為300，最高移動效率是3 m/s，隨著sink節點采集到的數據包量的增加，兩種方法的能耗如圖5所示。實驗采用網絡節點輸送1個數據包損耗2個單位能量，收集1個數據包耗費1個單位能量，節點間距1 s產生一個數據包，并將該數據包傳輸給sink節點。從圖5中能夠看出，本文方法的能耗比DCBM方法低，本文方法能夠通過動態時間間隔對信息的傳輸頻率進行管理，最終使得網絡數據包傳輸能耗降低。

3 結 論

本文設計并實現了一種無線傳感器網絡不相交多路徑路由容錯纏繞系統，其經過對鏈路著色，達到不相交的多個路徑檢索及劃分，并根據RSSI檢索路徑的調整方案解決節點路徑纏繞問題。

參考文獻

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