摘 要：集成了傳感器、嵌入式計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線通信四大技術(shù)而形成的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種全新的信息獲取和處理技術(shù)，本文在借鑒了各類成熟路由協(xié)議的基礎(chǔ)上，以有效節(jié)約能源，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期為目的，設(shè)計(jì)出一種基于協(xié)商機(jī)制的層次型路由協(xié)議。并最后經(jīng)ns2平臺(tái)上的仿真測(cè)試，NBLEP基本達(dá)到了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計(jì)目標(biāo)。 關(guān)鍵字：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò);協(xié)商機(jī)制;NBLEP;NS2 [align=center][b]Design and implement for high efficiency route protocol of wireless sensor network[/b][/align] Abstract: Wireless Sensor network（WSN）, which is integrated with sensor，nested computation, networks and wireless communication technologies, is a novel technology about acquiring and processing information. Paper is based on sorts of mature routing protocols, and intent on lower-consummation and extended network lifecycle, then author put forward a new and efficient routing protocol what is a negotiation based hierarchical routing protocol—NBLEP. At last, through simulation testing on NS2 platform, NBLEP routing protocol achieved the design goal for wireless sensor network. Keywords: wireless sensor network; negotiation based; NBLEP; NS2 1 引言 　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種無(wú)基礎(chǔ)設(shè)施的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)，能夠協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得詳盡而準(zhǔn)確的信息，隨后傳送到需要這些信息的用戶。 　　麻省理工學(xué)院的《技術(shù)評(píng)論》雜志（Technology Review）評(píng)出了對(duì)人類未來(lái)生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的十大新興技術(shù)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)即位于這十種新技術(shù)之首。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)處于新技術(shù)的最前沿，目前尚存在著許多值得探討的熱點(diǎn)課題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者正在進(jìn)行深入研究。不同的研究人員對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的許多問題都有不同觀點(diǎn)。 2 現(xiàn)有路由協(xié)議分析 　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議目前正是國(guó)外研究的熱點(diǎn)，各種路由協(xié)議在不同的應(yīng)用環(huán)境和性能評(píng)價(jià)指標(biāo)下各有千秋。論文簡(jiǎn)要介紹其中一些典型的路由協(xié)議，這里將分析這些協(xié)議的基本原理，借鑒前人的設(shè)計(jì)思想，從而結(jié)合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出新的更適合的路由協(xié)議。 　　2.1擴(kuò)散法 　　擴(kuò)散法（Flooding）是一種傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。當(dāng)節(jié)點(diǎn)S需要發(fā)送數(shù)據(jù)給節(jié)點(diǎn)D時(shí)，節(jié)點(diǎn)S首先通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)副本傳送給它的每一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)又將其傳輸給各自的每一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)，除了剛剛給它們發(fā)送數(shù)據(jù)副本的節(jié)點(diǎn)S外。如此繼續(xù)下去，直到將數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥繕?biāo)節(jié)點(diǎn)D或者為該數(shù)據(jù)所設(shè)定的生命期限變?yōu)榱銥橹?，亦或所有?jié)點(diǎn)均擁有此數(shù)據(jù)副本。 　　擴(kuò)散法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，不需要消耗太多的計(jì)算資源，適用于健壯性要求高的場(chǎng)合。但是該方式同時(shí)存在信息爆炸，部分重疊等問題，盲目資源消耗，一個(gè)節(jié)點(diǎn)可能出現(xiàn)一個(gè)數(shù)據(jù)多個(gè)副本的現(xiàn)象。 　　2.2 SPIN協(xié)議 　　SPIN是一種以數(shù)據(jù)為中心的自適應(yīng)通信路由協(xié)議。其目標(biāo)是通過使用節(jié)點(diǎn)間的協(xié)商制度和資源自適應(yīng)機(jī)制，解決擴(kuò)散法存在的不足之處。為了避免出現(xiàn)擴(kuò)散法的信息爆炸問題和部分重疊現(xiàn)象，SPIN協(xié)議在傳感器節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)之前彼此進(jìn)行協(xié)商，以確保只傳輸有用數(shù)據(jù)。同時(shí)在傳輸或接收數(shù)據(jù)之前，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都檢查各自可用的能量狀況，處于低能量水平時(shí)則中斷某些操作。 　　SPIN的缺點(diǎn)在于在傳輸新數(shù)據(jù)的過程中，直接向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播ADV數(shù)據(jù)包，而沒有考慮其所有鄰居節(jié)點(diǎn)由于自身能量的原因，不愿承擔(dān)起轉(zhuǎn)發(fā)新數(shù)據(jù)的功能，導(dǎo)致新數(shù)據(jù)無(wú)法傳輸出現(xiàn)“數(shù)據(jù)盲點(diǎn)”，進(jìn)而影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)信息的收集。 　　2.3 MTE協(xié)議 　　在MTE協(xié)議中，傳感器節(jié)點(diǎn)選擇離自己平面距離最近的鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由中轉(zhuǎn)。這種路由協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、開銷小，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只需要找到通往Sink節(jié)點(diǎn)的下一跳節(jié)點(diǎn)，隨后將數(shù)據(jù)發(fā)送給它便可。而不足之處則在于靠近Sink節(jié)點(diǎn)的傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)一直承擔(dān)路由器的角色，節(jié)點(diǎn)之間負(fù)載不平衡，越靠近Sink節(jié)點(diǎn)的傳感器節(jié)點(diǎn)可能越快耗盡自己的能源，并最終導(dǎo)致死亡，縮短整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。 　　除上述路由協(xié)議外，較為成熟的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議還包括有Directed Diffusion、LEACH、TEEN、APTEEN協(xié)議等，由于篇幅的原因在這里便不一一敘述了。但值得提出的是LEACH（基于聚類的路由協(xié)議）協(xié)議在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議中占有重要地位，論文所提到的協(xié)議NBLEP（Negotiation-Based Low Energy Protocol）的提出和設(shè)計(jì)便是基于該基礎(chǔ)上的。 3 NBLEP路由協(xié)議設(shè)計(jì) 　　在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計(jì)過程中，不僅對(duì)其要求具有傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)路由協(xié)議正確性、健壯性、穩(wěn)定性、公平性、最優(yōu)性等特性，更需要考慮無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的以下具體特殊性能： 　　第一、能源有效性。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量有限，所以路由協(xié)議設(shè)計(jì)必須將有效利用能源放在第一位。 　　第二、簡(jiǎn)單性。相對(duì)于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)而言，傳感器節(jié)點(diǎn)的運(yùn)算能力和存儲(chǔ)能力及其有限，因此需要量身定制一種簡(jiǎn)單有效的路由協(xié)議。 　　第三、多路性。典型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常工作在人類無(wú)法忍受的惡劣的環(huán)境中，為了避免單個(gè)節(jié)點(diǎn)的失效影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的效率，需要要求每個(gè)節(jié)點(diǎn)盡可能維護(hù)多條路由。 　　基于以上理論，作者設(shè)計(jì)了一種層次型（聚類）、基于協(xié)商機(jī)制、采用集中式與分布式相結(jié)合、維護(hù)多條路由、低功耗動(dòng)態(tài)自適應(yīng)的按需式路由協(xié)議—NBLEP路由協(xié)議。 　　3.1 層次型 　　NBLEP路由協(xié)議把原本地位平等的傳感器節(jié)點(diǎn)按照其所處位置和能源的不同情況，依據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的大小和應(yīng)用的需要，實(shí)現(xiàn)層次劃分。協(xié)議將整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)劃分成不同的簇類，簇類中的節(jié)點(diǎn)處于不同的層次，能源較高的節(jié)點(diǎn)處于較高的級(jí)別，承擔(dān)較多的任務(wù)，不僅進(jìn)行感知和向上層節(jié)點(diǎn)傳輸自己的新數(shù)據(jù)，而且中轉(zhuǎn)下層節(jié)點(diǎn)傳遞過來(lái)的數(shù)據(jù)、進(jìn)行數(shù)據(jù)融合;能源較低的節(jié)點(diǎn)處于較低的級(jí)別，只進(jìn)行感知和向上層節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)娜蝿?wù)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的路由表中只需維護(hù)其上層節(jié)點(diǎn)的信息。 　　3.2協(xié)商機(jī)制 　　NBLEP路由協(xié)議實(shí)現(xiàn)在數(shù)據(jù)傳輸階段，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)采用元數(shù)據(jù)協(xié)商的方式向簇頭節(jié)點(diǎn)傳輸自身采集的數(shù)據(jù)，簇頭節(jié)點(diǎn)接收完所有簇內(nèi)普通節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)融合后，再向Sink節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)。 　　3.3 多路由維護(hù) 　　NBLEP路由協(xié)議為了保證路由的可靠性，每個(gè)簇類的普通節(jié)點(diǎn)都維護(hù)著一個(gè)備用簇首節(jié)點(diǎn)的信息，一旦本簇的簇首節(jié)點(diǎn)由于異常原因失效（這種情況在實(shí)際應(yīng)用中很可能發(fā)生），立即加入備用簇首節(jié)點(diǎn)所在的簇，實(shí)現(xiàn)了到Sink節(jié)點(diǎn)的多條路由，達(dá)到路由健壯性的目的。 　　3.4 低功耗，自適應(yīng) 　　NBLEP路由協(xié)議設(shè)計(jì)簇內(nèi)每個(gè)普通節(jié)點(diǎn)都使用能源控制，在屬于自己的時(shí)槽中，才打開發(fā)送裝置，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸;在不屬于自己的時(shí)槽中，關(guān)閉發(fā)送裝置。每過一個(gè)回合（每個(gè)回合由簇形成階段和數(shù)據(jù)傳輸階段組成）都會(huì)進(jìn)行簇類的動(dòng)態(tài)劃分和簇頭節(jié)點(diǎn)的重新選擇，使每個(gè)節(jié)點(diǎn)成為簇頭節(jié)點(diǎn)的機(jī)會(huì)均等。采用以上幾類方式相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)“睡眠”機(jī)制，避免了無(wú)效數(shù)據(jù)的傳輸，有效的節(jié)約了能源。 4 NBLEP路由協(xié)議仿真測(cè)試 　　由于硬件平臺(tái)配置的限制，暫時(shí)無(wú)法在真實(shí)環(huán)境下運(yùn)行和測(cè)試本路由協(xié)議，因此此次的測(cè)試工作建立在ns2仿真平臺(tái)上。在仿真過程中，作者使用數(shù)組不同參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，以反應(yīng)出NBLEP路由協(xié)議是否達(dá)到了協(xié)議的設(shè)計(jì)目標(biāo)。 　　4.1 仿真平臺(tái)建立 　　ns2是美國(guó)DARPA支持的項(xiàng)目VINT中的核心部分，它主要面向網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究者。由于ns2具有免費(fèi)、開放源代碼、可擴(kuò)充性好等優(yōu)點(diǎn)而在各種網(wǎng)絡(luò)的仿真測(cè)試中獲得了廣泛應(yīng)用。 　　在仿真環(huán)境中，作者使用100個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)和1個(gè)固定位置的Sink節(jié)點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)NBLEP路由協(xié)議，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在100 ＊100的平面區(qū)域內(nèi)，Sink節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)離感知區(qū)域，場(chǎng)景如圖1所示。每個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的初始能源為2J，數(shù)據(jù)包大小為500Bytes，元數(shù)據(jù)大小為25Bytes。 　　根據(jù)無(wú)線傳感器之間、無(wú)線傳感器與Sink節(jié)點(diǎn)之間接收、發(fā)送器距離的不同，會(huì)使用自由空間傳播和多路衰減模型兩種不同的模型。如果接收、發(fā)送器之間的距離小于某個(gè)臨界值時(shí)，使用自由空間模型;如果接收、發(fā)送器之間的距離大于某個(gè)臨界值，則使用雙路徑模型。模型類型直接決定了節(jié)點(diǎn)間的傳輸功率，傳輸功率就是接收的閾值Pr-thresh和發(fā)送、接送器之間距離d的函數(shù)。 　　由于不同類型節(jié)點(diǎn)之間，不同距離通信采用不同的傳輸模型，因此NBLEP路由協(xié)議完美實(shí)現(xiàn)了低功耗、分層次的性能。而多路由維護(hù)、協(xié)商機(jī)制則體現(xiàn)在報(bào)文結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中。圖2顯示了一個(gè)回合傳輸?shù)臅r(shí)間圖，包括簇形成階段和數(shù)據(jù)傳輸階段，簇形成階段較短，數(shù)據(jù)傳輸階段用時(shí)很長(zhǎng)，在數(shù)據(jù)傳輸階段中簇內(nèi)普通節(jié)點(diǎn)向簇頭節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)，簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，再向Sink節(jié)點(diǎn)傳輸。 　　4.2 仿真結(jié)果分析 　　對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，目前并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)測(cè)不同的路由協(xié)議，根據(jù)實(shí)際情況，作者使用以下兩個(gè)參數(shù)對(duì)NBLEP路由協(xié)議進(jìn)行評(píng)測(cè)： 　　Sink節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)包總量：該參數(shù)表明了Sink節(jié)點(diǎn)在運(yùn)行過程中所接收到的由簇頭節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包的總數(shù)。 　　存活節(jié)點(diǎn)數(shù)：這個(gè)參數(shù)表明了隨著時(shí)間的推移，仍然存活的節(jié)點(diǎn)的總數(shù)，是體現(xiàn)路由協(xié)議是否屬于能源有效性協(xié)議的一個(gè)重要指標(biāo)。 　　此處以其中一次測(cè)試的結(jié)果為例來(lái)進(jìn)行說(shuō)明： 　　由圖3可以看出，隨著時(shí)間推移，由于能源的消耗，節(jié)點(diǎn)逐漸死去。其中0秒-2100秒期間，作者采用集中式成簇算法;1200秒-2100秒期間，大量節(jié)點(diǎn)能源耗盡而死，在2100秒時(shí)，存活節(jié)點(diǎn)只剩余30個(gè)（占節(jié)點(diǎn)總數(shù)的30%），因此2100秒-3600秒，作者開始轉(zhuǎn)而采用分布式成簇算法;采用該算法后，節(jié)點(diǎn)死亡速度大大減緩，說(shuō)明分布式成簇算法有效地延長(zhǎng)了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。 　　再由圖4可以看出，在0秒-2100秒期間，作者采用集中式成簇算法;由于Sink節(jié)點(diǎn)清楚的了解全局拓?fù)?，形成了有效的簇類，所以Sink節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)包迅速增長(zhǎng)。2100秒以后，從圖3可知，由于節(jié)點(diǎn)大量死亡，開始轉(zhuǎn)而采用分布式成簇算法，節(jié)點(diǎn)之間自己選舉產(chǎn)生的簇類不如Sink節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的簇類有效，再加上節(jié)點(diǎn)繼續(xù)死亡，Sink節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)包增長(zhǎng)相對(duì)緩慢。 　　由上述仿真結(jié)果可以證實(shí)NBLEP路由協(xié)議使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)在較低的能耗水平下獲得較高的吞吐量，獲得較長(zhǎng)的生命周期。 5 總結(jié) 　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種新的信息獲取和處理技術(shù)，在特殊領(lǐng)域，它有著傳統(tǒng)技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也必將開辟出不少新穎而有價(jià)值的商業(yè)應(yīng)用。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一門新興技術(shù)，國(guó)內(nèi)在這樣特殊領(lǐng)域所作的研究工作還較少，本文作者根據(jù)對(duì)目前較為成熟的幾類路由協(xié)議的分析借鑒，最后設(shè)計(jì)出一種層次型、基于協(xié)商機(jī)制、采用集中式與分布式相結(jié)合、維護(hù)多條路由、低功耗動(dòng)態(tài)自適應(yīng)的按需式路由協(xié)議——NBLEP路由協(xié)議。論文最后使用ns2平臺(tái)對(duì)NBLEP路由協(xié)議進(jìn)行仿真測(cè)試，以證明NBLEP路由協(xié)議基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。 參考文獻(xiàn)： 　　[1] 任豐原,黃海寧,林闖. 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò). 軟件學(xué)報(bào), Vol 14 No.7 2003 1281～1291 　　[2] 徐雷鳴 龐博 趙耀 ns與網(wǎng)絡(luò)模擬 北京：人民郵電出版社 2003年 158～174 　　[3]吳振綱，陳虎.PLC的人機(jī)接口與編程[J].微計(jì)算機(jī)信息，2005，8-1：21-23。 　　[4]L. 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