摘 要：本文圍繞無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在道路交通中的應(yīng)用展開討論，根據(jù)帶狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特殊性，提出了一個(gè)分兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議，由上級(jí)節(jié)點(diǎn)發(fā)送路由請(qǐng)求建立路由，下級(jí)節(jié)點(diǎn)維護(hù)本地路由，并將下級(jí)網(wǎng)絡(luò)按地理位置分成無(wú)簇頭的分簇結(jié)構(gòu)。應(yīng)用實(shí)踐表明，帶狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，此路由協(xié)議簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，開銷小等。 關(guān)鍵詞：帶狀拓?fù)?，分?jí)網(wǎng)絡(luò)，無(wú)簇頭，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) Abstract: The application of wireless sensor network in traffic is discussed. Based the particularity of banded topology, the network is divided into two hierarchies, and the higher hierarchical nodes send request to find the routing, but the lower hierarchical nodes maintain the route table. The lower hierarchical network is separated into multiple clusters without the cluster head based the node’s location. The application results indicate this routing protocol for banded topology is simple, implemented easily and low expense. Keywords: banded topology, hierarchical network, no cluster head, wireless sensor network 0 引言 　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)目前處于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域的前沿，并有可能發(fā)展成為一個(gè)新的巨大經(jīng)濟(jì)規(guī)模的高科技市場(chǎng)。如今，由美國(guó)軍方資助的學(xué)術(shù)研究機(jī)構(gòu)、跨國(guó)公司和全球最大的IT供應(yīng)商們均已將傳感器網(wǎng)絡(luò)列入研發(fā)計(jì)劃并積極開展。隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的深入研究和廣泛應(yīng)用，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將逐漸深入到人類生活的各個(gè)領(lǐng)域。 　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能交通中應(yīng)用的有著巨大前景，在道路交通中，傳感網(wǎng)又有其特殊的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，帶狀的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本文結(jié)合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，研究適合帶狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的易實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。 　　1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及路由分析 　　現(xiàn)有的路由技術(shù)的局限性使其不能直接用于傳感器網(wǎng)絡(luò)，而針對(duì)移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的組網(wǎng)和通信協(xié)議一般也不適合于傳感器網(wǎng)絡(luò)。其重要原因之一是其擴(kuò)展性的要求不同，移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)相對(duì)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性來(lái)講，擴(kuò)展性問(wèn)題并不十分突出;而傳感器網(wǎng)絡(luò)要求支持大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性較弱甚至沒有，主要問(wèn)題變?yōu)槿绾窝娱L(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。這決定了兩種網(wǎng)絡(luò)有不同的優(yōu)化目標(biāo)。因此，有必要針對(duì)交通示范工程中交通信息數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，研究傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，重點(diǎn)解決提高擴(kuò)展性、低功耗、適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化等問(wèn)題。[1] 　　帶狀拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)，如圖1，網(wǎng)絡(luò)呈樹型鏈狀結(jié)構(gòu)，借用分級(jí)網(wǎng)絡(luò)[1]的概念，將網(wǎng)絡(luò)分為兩層，底層是傳感器節(jié)點(diǎn)采集環(huán)境參數(shù)，高層是網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點(diǎn)，或是本地區(qū)小網(wǎng)絡(luò)的管理中心，匯聚本地區(qū)的信息經(jīng)數(shù)據(jù)融合后傳至更高層的網(wǎng)絡(luò)。由于帶狀網(wǎng)絡(luò)的特殊性，按地理位置將底層網(wǎng)絡(luò)分為多個(gè)簇，合理的簇結(jié)構(gòu)是按鏈的方向分簇，并不指定簇頭，所以底層網(wǎng)絡(luò)也可稱為無(wú)簇頭的分級(jí)網(wǎng)絡(luò)。正常情況下，不同簇間節(jié)點(diǎn)互不通信，所有節(jié)點(diǎn)的采集信息經(jīng)本簇節(jié)點(diǎn)傳送至上層網(wǎng)絡(luò)。 [align=center] 圖1 帶狀結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D[/align] 　　如圖1中，將底層分為M、N、P三個(gè)簇，簇內(nèi)成員數(shù)可以在帶狀區(qū)域任意擴(kuò)展。上層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)B可以高速移動(dòng)[2]。 　　這樣一個(gè)帶狀結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，路由建立與維護(hù)都有其特殊性。由于底層節(jié)點(diǎn)無(wú)需移動(dòng)，或在某一范圍緩慢移動(dòng)，其目的是將采集的信息傳至上層移動(dòng)的節(jié)點(diǎn)。所以底層網(wǎng)絡(luò)路由采用表驅(qū)動(dòng)方式。由上層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)來(lái)建立整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的路由，但維護(hù)路由的任務(wù)卻由本地節(jié)點(diǎn)來(lái)完成。 2 帶狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)路由協(xié)議 　　2.1 路由建立 　　路由建立過(guò)程的思想是，由上層節(jié)點(diǎn)在全網(wǎng)范圍內(nèi)廣播路由請(qǐng)求數(shù)據(jù)包RREQ，底層節(jié)點(diǎn)收到RREQ后即更新鄰居鏈表，同時(shí)更新路由表，然后同樣以廣播的方式轉(zhuǎn)發(fā)RREQ，但只轉(zhuǎn)發(fā)同一簇內(nèi)的RREQ;本地節(jié)點(diǎn)在同一簇內(nèi)建立路由，但維護(hù)的鄰居鏈表包括整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的鄰居信息，以記錄網(wǎng)絡(luò)的連通性。 　　借用AODV路由協(xié)議中RREQ包格式，定義協(xié)議RREQ格式如表1[3,4]。 　　表1 RREQ包格式 　　其中，包類型：用于標(biāo)明該數(shù)據(jù)包是RREQ包，廣播包;源地址：發(fā)起RREQ的節(jié)點(diǎn)地址，應(yīng)為上層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的地址;跳數(shù)：源節(jié)點(diǎn)到接收到RREQ包的節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)的跳段數(shù);廣播ID：由源節(jié)點(diǎn)維護(hù)的序列號(hào)，用于唯一標(biāo)識(shí)RREQ包。 　　由本地節(jié)點(diǎn)維護(hù)的路由表格式如表2。 　　表2 路由表格式 　　其中，目的節(jié)點(diǎn)：記錄目的節(jié)點(diǎn)地址，應(yīng)為上層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的地址;路由狀態(tài)：路由是否有效標(biāo)志;下一跳：本地節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的下一跳節(jié)點(diǎn)地址;路由過(guò)期時(shí)間：路由不再有效的時(shí)間點(diǎn)。 　　按照建立路由過(guò)程中不同節(jié)點(diǎn)的作用，路由建立過(guò)程如下： 　　1）上層移動(dòng)節(jié)點(diǎn)：向全網(wǎng)廣播RREQ用于建立路由;接收各個(gè)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)攜帶信息的數(shù)據(jù)包。如圖1中節(jié)點(diǎn)B。由廣播ID和源地址序列對(duì)唯一標(biāo)識(shí)RREQ，用于判斷處理是否收到重復(fù)的RREQ包 　　2）可以和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)直接通信的節(jié)點(diǎn)：接收到RREQ后，首先更新鄰居鏈表，然后將本地路由表里的下一跳寫下B，更新路由表。如圖1中，M3、N3、P3此時(shí)和B直接相連，分別是三個(gè)簇內(nèi)其它節(jié)點(diǎn)接入上層節(jié)點(diǎn)的出口。 　　3）底層網(wǎng)絡(luò)中其它節(jié)點(diǎn)：M3、N3、P3接到B的RREQ，更新路由表后同樣以廣播的方式轉(zhuǎn)發(fā)RREQ，此時(shí)不同簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)會(huì)互相收到轉(zhuǎn)發(fā)的RREQ，利用此信息更新本地節(jié)點(diǎn)的鄰居鏈表。例如圖1中，N4收到N3轉(zhuǎn)發(fā)的RREQ，同時(shí)也可能收到M3、P3轉(zhuǎn)發(fā)的RREQ，N4利用此信息更新其鄰居鏈表。但N4用同一簇成員轉(zhuǎn)發(fā)的RREQ更新路由表，路由表中下一跳記錄為N3地址，然后丟掉接收到的其它同一RREQ包。同樣以廣播的方式再次轉(zhuǎn)發(fā)RREQ。這樣處理的好處是，在同一簇內(nèi)廣播RREQ，即建立了路由，記錄了本地節(jié)點(diǎn)的所有鄰居節(jié)點(diǎn)，包括其它簇內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)，又有效的避免了RREQ在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中引起“廣播風(fēng)暴”的問(wèn)題。其它節(jié)點(diǎn)均按同樣的方式處理，直到RREQ包達(dá)到最大的網(wǎng)絡(luò)半徑。 　　路由建立的過(guò)程見圖2的流程圖。 [align=center] 圖2 本地節(jié)點(diǎn)建立路由流程[/align] 　　2.2 路由維護(hù) 　　在帶狀的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)里，同一簇內(nèi)鄰居節(jié)點(diǎn)有限，多數(shù)情況下只有左右兩個(gè)節(jié)點(diǎn)是其鄰居節(jié)點(diǎn)，如果某一節(jié)點(diǎn)由于能量耗盡，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)可能會(huì)斷開，將影響網(wǎng)絡(luò)的健壯性和可擴(kuò)展性，如圖3，節(jié)點(diǎn)N4由于某種原因不再具有傳感器節(jié)點(diǎn)的功能，N4以右的節(jié)點(diǎn)按先前發(fā)現(xiàn)的路由無(wú)法將數(shù)據(jù)傳送至目的節(jié)點(diǎn)B，因此必須采取某種措施以維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的連通性。節(jié)點(diǎn)同時(shí)擁有其它簇內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)，可以借助其它簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)續(xù)傳數(shù)據(jù)包。 [align=center] 圖3 網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)路由的維護(hù)[/align] 　　鑒于帶狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特殊性，數(shù)據(jù)報(bào)文在找到目的節(jié)點(diǎn)的方向（即路由）后，如“接力”的方式依次往下傳，所以不采用端到端的應(yīng)答方式，而采用點(diǎn)到點(diǎn)的應(yīng)答，這樣節(jié)點(diǎn)能夠知道下一節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，如果不能收到下一跳節(jié)點(diǎn)的應(yīng)答包，則重復(fù)發(fā)送一次，仍然沒有應(yīng)答情況下，即認(rèn)為下一跳發(fā)生故障，立刻從鄰居鏈表中選擇其它簇內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn)，由此簇節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)傳送數(shù)據(jù)包。 　　在圖3中，N5以右的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至N5后，由于N5沒有收到N4的應(yīng)答， N5需要從鄰居鏈表中選擇其一作為下一跳，如果有簇內(nèi)其它鄰居節(jié)點(diǎn)（如N3也是N5鄰居），優(yōu)先選擇（注意避免路由環(huán)），如果沒有，選擇其它簇內(nèi)鄰居，圖中N5選擇M5，N5將數(shù)據(jù)包成功的交給簇M內(nèi)的成員，由簇M負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點(diǎn)。此時(shí)N5路由表下一跳字段更改為M5，路由過(guò)期時(shí)間為鄰居節(jié)點(diǎn)M5的過(guò)期時(shí)間，直至N5再次收到同簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的RREQ更新路由。同時(shí)N5將N4的故障信息及時(shí)通知上層網(wǎng)絡(luò)。 　　路由維護(hù)的過(guò)程見圖4流程圖。 [align=center] 圖4 本地節(jié)點(diǎn)維護(hù)路由流程[/align] 3 帶狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在道路交通中的應(yīng)用與實(shí)踐 　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離可靠的數(shù)據(jù)傳輸。傳感器節(jié)點(diǎn)自組成網(wǎng)，快速形成相對(duì)穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。道路交通中的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是帶狀網(wǎng)絡(luò)的典型應(yīng)用。在道路交通中，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有以下功能：傳感數(shù)據(jù)迅速可靠地傳輸?shù)接脩艚K端;拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨上層節(jié)點(diǎn)位置而變化;網(wǎng)絡(luò)關(guān)斷或增加某個(gè)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)變化強(qiáng);節(jié)點(diǎn)唯一編號(hào)，在上層部分匯總傳感信息;根據(jù)上層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)收到的信息在用戶終端復(fù)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化過(guò)程; 　　例如，沿道路兩旁布下傳感器節(jié)點(diǎn)，采集路面信息等，上層網(wǎng)絡(luò)可以是相互獨(dú)立的快速移動(dòng)的汽車節(jié)點(diǎn)，汽車可以根據(jù)需要接收底層網(wǎng)絡(luò)傳來(lái)的信息，這樣汽車可以及時(shí)準(zhǔn)確的知道前后路面的狀況。汽車可以將信息通過(guò)更高層的網(wǎng)絡(luò)傳到交通控制空心。 　　項(xiàng)目中，射頻芯片選擇CC1100，頻率選擇433MHz，最大有效射程調(diào)為150米左右。處理器選擇LPC2210，操作系統(tǒng)移植代碼公開的μC/OSⅡ.同時(shí)，由于項(xiàng)目的特殊應(yīng)用環(huán)境，來(lái)自汽車的噪聲影響嚴(yán)重，必須嚴(yán)格控制數(shù)據(jù)包的正確性。應(yīng)用實(shí)踐表明，本方案路由協(xié)議簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)且路由開銷小。 4 總結(jié) 　　針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)帶狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特殊性，提出分級(jí)網(wǎng)絡(luò)管理的方法，底層網(wǎng)絡(luò)采用無(wú)簇頭的分簇結(jié)構(gòu)，這樣對(duì)網(wǎng)絡(luò)的路由建立與維護(hù)都容易實(shí)現(xiàn)。對(duì)帶狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究，極大推動(dòng)傳感網(wǎng)在道路交通中的應(yīng)用。改變目前道路信息采集手段單一的技術(shù)手段。通過(guò)傳感網(wǎng)采集的多元交通信息的數(shù)據(jù)融合處理，提高道路交通信息的準(zhǔn)確性、可靠性。 　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)，針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在道路交通中的應(yīng)用，根據(jù)其特殊的帶狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將網(wǎng)絡(luò)分為兩級(jí)，提出無(wú)簇頭的易實(shí)現(xiàn)的分簇路由協(xié)議，即由上層移動(dòng)節(jié)點(diǎn)建立路由、底層節(jié)點(diǎn)維護(hù)路由的機(jī)制。該路由協(xié)議在道路交通應(yīng)用中表明，易實(shí)現(xiàn)，開銷小，容易維護(hù)。 參考文獻(xiàn)： 　　[1] 張悅. 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)LEACH協(xié)議群首算法的改進(jìn)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2006,10:183-185 　　[2] Jiang M, Li J, and Tay Y C. 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