分布式环境下基于周期唤醒计算度量值的路由机制研究

李坤

【摘要】众所周知，无线传感网经常被布置在资源有限的分布式环境中，网内通信需要精确分配能耗，因此需要一种低功耗低延迟的自适应路由机制。由于跟传统单播路由机制相比，机会路由（Opportunistic Routing）机制具有更低的网络链路损耗，更能适应此类网络的空间和时间特征，因而被广泛使用。然而，无线传感器网络的特点就是高占空率，即传感器节点会频繁地进入休眠模式，以确保长期的使用寿命。因此必须假设传感器节点始终能被唤醒，以便监听网络中的传输信号，这使得现有的机会路由机制实用型较弱。本文提出了一种更为实用的无线传感器网络机会主义路由方案。采用了一种新的机会路由度量值，提高了网络中单个数据包从源点到目的地的成功率，减少了无线传感器网络中端到端延迟。

【关键词】无线传感器网络;机会路由;低功耗;自适应

引言

无线传感网络是由很多低功耗的传感器节点所组成。节点一般具有感知、计算、通信能力。现阶段的研究对象多数是静止状态的无线传感网，如在安全防火、实物监控等等这样的应用环境中，比较稳定，传感器网络基本没有很大的拓扑变化。因此便于运用且网络效率较高，而在有的应用领域，如智能交通这样的新兴领域，其应用环境比较复杂。常常由于各种客观因素，包括路况、天气、人群迁徙等影响，网络信道质量通常较差。节点之间可能不经常存在一条可达路径。因此传统的路由机制并非完全适用。

近年对于无线传感网的研究现在正不断的增长，机会路由的提出有效的改善了一些问题。比如，机会路由通过充分利用无线信道的广播特性，可以大大提高无线多跳网络的性能。现在的路由机制，大多都是采用ETX 当路由判据，ETX的获取需要周期性地发送探测包，路由的开销很大，不利于解决资源限制的问题。其中，具有代表性的机会路由协议包括MORE[1]，SAOR[3]等，但是它们都有很多需要改善的环节，如MORE存在数据包传输效率不高，自适应度不足等问题。传统的路由模式是在端到端数据包传送过程中，先建立一条端到端的节点序列，然后在每次分组转发时，在已经下一跳的节点中，开始执行链路层数据的转发。因此一旦传送过程有分组丢失或者出现差错，那么就要重新启动链路层开始从头再传。由此可见，在链路质量和稳定性较差的环境下，频繁的链路层数据重传将消耗大量的网络资源。所以尽管确定性路由方式逻辑简单，但未能充分考虑无线信道的广播特性、时变特性和干扰不规则性。无线信道的广播特性使得一次分组转发可能被多个节点收到，且接收概率各不相同。无线链路的时变特性导致网络中链路的状态随时间变化而变化。路由协议设计过程中如果没有对信道广播和丢失特性进行充分考虑，必将导致大量网络资源被浪费。

1.无线传感器网络所需的网络协议

在无线传感器网络（WSN）中，典型的数据包到达目的地的转发过程一般分为两个步骤：第一，使用路由协议来确定下一跳节点的路由度量值，通常计算的依据包括链路质量评估以及关于由相邻节点提供的路由进展状况;第二，MAC协议唤醒预期中的下一跳节点并成功的接收分组。

在本文中，我们改进这个有单播特征的路由机制。我们在一个以实时追踪方式来确定占空率的无线传感网络中以机会性的方式传输数据包。在此传输过程中：当一个数据包被第一个被唤醒的相邻节点成功地接收，会提供下一步的路由转发指令以便前往目的地。这样，相较于传统的无线传感器网络单播路由，可以显著提高能源利用效率，降低端到端的时延，提高无线链路的动态自适应能力。低功耗网络需要高度动态的链接方式。链接状况估计需要借助无线传感器网络的路由协议来限制转发请求，这样可以保持请求链接的高可靠性，借此保证稳定的网络拓扑。我们的周期唤醒计算度量值法可以使我们利用所有的自然相邻节点，包括处于稳定或不稳定的链接中的各种节点，来进行数据包转发。因此，可以显著改善能源效率方面关于延迟，和动态链接问题。最初，发展机会路由的目的是为了提高无线网格多跳网络的吞吐量。但事实上，在无线网格多跳网络中，保持对网络中信息监听的成本很低。而传感器网络中的节点高占空率，限制了机会路由机制的信息监听能力。传感器网络应用需求更应该是高能源利用率和低延迟，而不是仅仅是高吞吐量，尤其是当未来的技术发展解决了硬件限制之后。

2.机会主义路由工作机理

我们对于无线传感器网络及其应用经常存在着特殊要求，如低功率消耗和低资源消耗，这使得我们必须做出改进传统的无线网格多跳网络。改进的部分主要包括以下问题。

首先是平衡能源效率与吞吐量性能度量，发展机会主义路由的目的是为了提高网络的吞吐量。因为现阶段的应用需要传感器网络长效运行而不是处理海量数据。其次，无线传感器网络中为保证传感器节点保持很高的网络生存时间。节点大部分时间处于休眠待激活状态，既关闭监听。这就限制了空间复用，而空间复用是机会路由机制的主要优点之一。转发路径的复杂度对机会路由机制的性能影响巨大，一般情况下，机会路由机制依赖于一致性协议来确定接收节点之间的唯一路径。例如，数据包的转发在SAOR 机制中由优先级列表来控制。但由于数据包的大小差异，此方法并不总是合适。相应的，进行时间片轮转的方式也有一定的局限性。

因此，在机会路由机制的改进过程中，通过计算并比较周期唤醒计算度量值，延迟下一跳的节点选择，直到数据包被接收，非常适合与分布式和高动态链接的无线传感器网络。

3.周期唤醒计算度量值的方法

在异步传输模式的低功耗监听体系里，存在这样的过程，发送方传送数据包流，直到接收方被唤醒并接收数据包流（请参阅图1）。在机会主义机制中，存在一个关键点：（一）（a）被唤醒的第一个节点，（b）接收数据包，和（c）提供路由策略，接收和转发数据包（请参阅图2）。例如，在图2中，一个节点A可直达节点C或间接直接通过一个不可靠的链接通过节点B，传统的路由忽略了不可靠的链接A→C并依赖于A→B→C转发。使用周期唤醒计算度量值的方法优化了这一过程，增加了A→C到路由过程，如果A→C是暂时可用并且C先于B被唤醒，利用如图3和图4所示的转发。降低了功耗和延迟。

图1

图2

图3

图4

4.结论

本文分析了传统机会路由机制下的无线传感器网络的不足，针对降低占空比的要求，提出了一种用于分布式环境下基于周期唤醒计算度量值的路由机制。在数据包通过被首次唤醒的传感器节点时，节点成功地接收数据包，并检测到它提供的路由进度进行节点转发。利用所有可能进行下一跳的相邻节点，相比于单播路由显著减少延迟和能量消耗，提高了自适应能力。分布式周期唤醒计算度量值的方法可以提高工作周期利用率并降低延迟，当然这也取决于网络的密度。选择延迟转发使得该方法比传统的单播路由收发数据包速度更快。

参考文献

[1]S.Biswas and R.Morris.ExOR：Opportunistic Multi-Hop Routing for Wireless Networks[C].//SIGCOMM.，2005.

[2]H.Dubois-Ferriere and M.Vetterli.Leastcost OpportunisticRouting[C].//45th Proceedings of the Allerton Conference on Communication，Control and Computing，2007.

[3]聂骕.WSN中的自适应机会路由[J].科技视界，2014，7（12）：16-30.