采用时分多址的主动式高动态传感器路由协议

朱超军

(1. 四川大学 计算机学院， 四川 成都 610000;2. 四川司法警官职业学院 司法信息管理系， 四川 德阳 618000)

采用时分多址的主动式高动态传感器路由协议

朱超军1,2

(1. 四川大学 计算机学院， 四川 成都 610000;2. 四川司法警官职业学院 司法信息管理系， 四川 德阳 618000)

提出一种基于移动无线传感器网络(MWSN)的主动式高动态传感器路由(AHDSR)协议.通过简单的跳数度量，使数据朝移动环境中的汇聚节点路由时保持动态和鲁棒.AHDSR协议使用时分多址(TDMA)MAC层保持移动环境中梯度指标，同时,使用盲转发技术将信息以多途径的方式在网络中传递.运用OPNET建模模块进行仿真，并提供一种离散时间仿真器.仿真结果表明:与其他同类方法相比，提出的协议在数据包投递率、平均数据包时延、吞吐量和开销方面的表现更加适合多种移动网络场景.

移动无线传感器网络； 路由协议； 时分多址； 鲁棒性； 动态

Abstract： Concerning the poor reliability of most existing routing protocols used in mobile wireless sensor networks (MWSN), active high dynamic sensor routing (AHDSR) based on MWSN is proposed. The proposed protocol is based on a simple hop metric, which enable the data to remain dynamic and robust when routing the sink node in the mobile environment. AHDSR maintains a gradient metric in mobile environments by using a global time division multiple access (TDMA) MAC layer. It also uses the technique of blind forwarding to pass messages through the network in a multipath manner. The effectiveness of the proposed protocol is verified by the simulation results. Compared with other similar methods, data packet delivery ratio, average packet delay throughput and overhead of the proposed protocol are more suitable for a variety of mobile network scenarios.

Keywords： mobile wireless sensor networks; routing protocols; time division multiple access; roubst; dynamic

无线传感器网络[1](WSN)由大量能够进行无线通信的节点组成，在静态WSN中，一旦部署了节点就几乎不会移动.然而，在一些场景中，传感器节点需要是动态的，即移动无线传感器网络(MWSN)[2].与静态传感器网络相比，针对MWSN的研究仍非常有限.本质上，根据现有协议，MWSN是WSN和移动自组织网络[3](MANET)的重合部分.MWSN的路由协议可分为2个范畴：层次式和平面式.层次式路由协议分配任务给不同节点，而在平面路由协议中所有节点执行相同任务[4].主动式MANET路由协议对于MWSN来说并不合适[5].在MWSN场景中，最常使用的是自组网请求式距离向量(AODV)路由协议[6]或其相似协议.Aronsky等[7]提出了以数据为中心的编织多路径(DCBM).Salehi等[8]提出一种地理机会路由(GOR)[8].GOR不需要分配拓扑信息，这是因为节点将数据转发给更靠近汇聚节点的网格而不是节点.然而，如果在预期网格中没有节点得到传输，那么,数据会通过处于较近网格中的节点转发[9].周颖芝[10]针对具有移动能力的Sink节点，解决Sink周围传感器节点能量瓶颈问题.Cakici等[11]提出移动自适应跨层路由(MACRO).根据反应式协议，通常路由的发现会导致初始延迟.然而，与主动式协议比较，该延迟相较于路由表的洪泛延迟非常小.因此，本文提出一种基于时分多址[12](TDMA)的主动式高动态传感器路由协议.

1 提出的AHDSR协议

使用固定时隙分配的方式产生一种自由冲突的全局TDMA MAC层，而不需要任何动态调度.该方法会降低所需开销和计算效率，并要求全局同步.Nedev[13]说明了可用方法的选择，由于汇聚节点也分配到一个时隙，所以,可以向所有传感器节点传输高功率网络范围信标.该信标可以提供同步和网络范围控制命令.在目标应用程序中，由于汇聚节点是具有大型电力供应的固定地面站，所以额外的动力开销并不是大问题.

为了允许节点转发从其他节点接收到的数据，一个数据包必须具有可变容量.数据包的容量表示为帧，帧数为数据包中可用数据域的数量.数据包结构显示了2种帧数据包,如表1所示.表1中：n为节点数；F为帧数，规定了可以从其他节点同时转发多少帧；Ldata为应用程序数据区域所需大小，规定每帧中的数据量，以及这些数据来自哪些传感器、传感器的地理坐标和节点的状态信息;Lp为区域总大小.由表1可知：类型1(帧1)通常针对传输中的节点数据和协议开销，并且包含4个领域；类型2(帧2)只有3个领域.根据所需帧的数量，节点可能根据需要重复类型2(帧2)的结构.

表1 AHDSR数据包结构Tab.1 Packet structure of AHDSR

如果节点有来自4节点的数据要转发，就会用其拥有的数据满足类型1(帧1)，然后4次重复类型2的帧结构，每增加一个，需要传输的额外数据段就进行一次.转发节点IDs区域表明数据包中存在的哪个节点数据，是通过使用单一字节表示每个节点实现.如果第3个和第6个字节设置较高，表示数据包中含有2个额外的帧，分别包含来自节点3和节点6的数据.

为了计算最小容许时隙的长度，需要对节点传输的帧数设置上限.因为距离汇聚节点更近的节点将会需要更多空间，而距离较远的节点需要的较少.然而，变化的拓扑结构意味着节点的需求会随着时间变化.同样，如果最大帧数太低，那么瓶颈作用将会导致数据丢失.如果数据包最大，尺寸太大，将会浪费宽带.较大的时隙长度将会减少传输频率，并节约能源.

为了确定恰当的帧数最大值，度量α表示为

式(1)中:n为网络中的节点总数;F为一个数据包的最大帧容量;α值是对于给定n和F不会遭受瓶颈作用的可能拓扑结构的分数.

在一个具有5个节点的网络中,有1 024种可能拓扑结构.其中，拓扑结构的数量为2n(n-1)/2,n为节点的总数.允许每个节点转发各自数据和其他2个节点数据，使得帧容量为3.在1 024个可能拓扑结构中，有704个不会遭受瓶颈作用，通过公式计算获得，即

即有1 024-704=320种可能拓扑结构，那么帧容量为3就不能满足要求.该例子中α为0.687 5，即68.75%的拓扑结构将不会因为瓶颈作用而受到损失.用这种方式可以使用式(1)基于网络中节点数量和给定可接受的α值选择合适的F值.

在AHDSR中，每次传输都由所有传输节点的邻节点接收，允许所有节点收集局部拓扑信息，即节点邻居的跳跃总数.节点使用该信息确定各自跳跃数量，比其邻居最低跳跃总数大1.所以，如果一个节点有3个邻居，跳跃总数为2,4或5，那么,该节点将会设置跳跃总数为3.由于使用一种确定的整体TDMA方案，节点将在每次循环中获得来自每个邻居的单一传输.即节点可以每次循环更新跳跃总数，这将使梯度指标能够在整个网络中得到维持而不会泛滥.这大大降低了协议开销，也是其最大的优势.

AHDSR使用跳跃总数梯度执行盲转发，一个节点的传输会被所有邻居听到,并且这些节点独立决定是否应该转发任何接收到的数据.即当节点听到一个传输时，将比较传输节点和自己的跳跃总数.如果接收的跳跃总数低于自己的，那么,传输节点距离汇聚节点更近且该数据包可以忽略.如果接收的跳跃总数高于自己的，那么,该传输节点距离汇聚节点更远，所以从数据包中提取该数据并储存.如果接收的跳跃总数等于自己的，那么,该传输节点距离汇聚节点的距离与自己的相同，则从数据包中提取该数据，评估并且储存或丢弃.

每个帧都有一个状态，指定为优先状态的帧即为优先帧，而没有优先权的帧并没有被丢弃，而认为是多样性的数据.传输节点产生的帧自动认为是优先帧，而转发的帧通过一种帧的优先位为其指定优先权.当一个节点为了传输而收集数据包时，首先,将用优先数据填充可用帧;然后，任何空的帧将会用多样性数据填满.这允许节点使用更多可用数据包的容量.通过广播，接收器做出转发帧的决定，由于对数据包进行了广播所以多个节点都会接收到数据.这在本质上创建了一种多路径的方案，其中，相同数据沿着多个路由转发到汇聚节点.路由分集的使用提高了可靠性，这是因为如果一个路径没能送出一段数据，而其他路径可能会成功送出.即网络中将会创建多个数据复制，这可能造成堵塞.然而，这个的权衡是在成功送出数据的可能性增加的情况下进行.

为了允许协议保持最小内存需求并且处理高水平通信量而丢弃作废的帧.即如果一个节点接收到两段源自相同节点的数据，那么，就会忽略老的片段支持新的片段.如果一个节点接收的数据比已经在队列中的数据老，那么，就认为接收的数据过期并且将其丢弃.

图1 运行AHDSR协议的传感器节点的流程图Fig.1 Flow chart of sensor node when running AHDSR protocol

单一节点在每个时隙操作的流程图，如图1所示.节点确定当前时隙是否是其专用时隙，如果是，则编辑来自队列帧及其自身数据的数据包.首先，储存优先数据；然后，用多样性数据填充剩余空间；最后，将数据包散播给任何处于传输半径内的节点.

通常不是节点专用的时隙都需要侦听数据包，节点在接收一个数据包时，会提取传输跳跃总数，且在需要时进行自我更新.恢复相关数据并储存用于转发.AHDSR分别对待每个节点，即不同帧可以采用多种不同路径穿过网络.同时，通过只共享拓扑信息意味着维持最小开销，并且将梯度度量维持在高移动环境中.

2 仿真实验与分析

利用OPNET建模[14]模块进行仿真，提供了一种离散时间仿真器.传输半径为250 m，收发器的传输速率为250 kbit·s-1.模仿一种低成本、低功率的收发器，节点移动性使用随机路点模型控制，暂停时间设置为0，且通过0 m·s-1和最小值之间的均匀分布设置速度.所有节点包括汇聚节点都会移动.每个传感器节点认为是一种资源，并且可以以这种速度产生数据.数据长度是一个固定参数，对于仿真32 bit，包含了节点的空间坐标和抽取的传感器数据.为了表征不同参数下协议性能，采用平均端到端迟延(τ)、数据包投递率(PDR)、吞吐量、开销(B)和能量损耗(P)进行评估.

2.1不同节点最大速度

不同最大速度时，各路由协议的结果如图2所示.图2中：vmax为最大速度.节点数固定为25，每个节点的数据产生速率设定为1 pk·s-1(pk为数据包数目).同时，网络大小为600 m×600 m.由图2可知：随着节点最大速度的增加，各个协议的PDR和吞吐量均呈下降趋势，因为错误估计节点速度的增加会导致更多的数据包丢失，从而降低PDR.相比其他几种协议，MACRO虽然具有较高的PDR，但其网络吞吐量低于所提的AHDSR协议.

(a) PDR

(b) 平均端到端延迟 (c) 开销

在PDR和吞吐量方面，DCBM和GOR的性能较差.DCBM和GOR较大的开销是由路由发现和拓扑信息共享导致，同时也导致了网络的堵塞，产生了较大延迟和数据包丢失.此外，仿真中增加速度意味着拓扑结构改变更加频繁，因此，需要更大开销来维持更新路由.开销的分析结果非常接近AHDSR的仿真结果，即当速度增加时，两种度量增幅最小.延迟结果在速度较高时增加较小，预期结果比仿真结果的延迟时间稍高.DCBM有最长的延迟时间，而GOR的平均延迟时间比AHDSR小.GOR的低PDR意味着丢弃了许多数据包，因此，网络中有更少数据包，即传送的数据包在网络中的速度更快.MACRO比AHDSR显示出稍好的延迟，但是，AHDSR提高了开销水平且有更好的能量性能.通常DCBM和GOR在这些情景中的性能较差，这是因为其并不适用于这些较高速度的类型.而AHDSR和MACRO性能更好.

2.2不同流量负荷

不同流量负荷时，各路由协议的结果如图3所示.图3中：vp为数据包产生速度；节点数固定为25个；最大速度为25 m·s-1.每个传感器节点都产生数据，全网流量负载为2.4～586.3 pk·s-1.最大产生速度24.4 pk·s-1表示最大允许数据传输速率.这是由TDMA循环的长度指示，由于一个节点值能够在一次循环中传输一次，所以其最大数据产生速度为1/Δn，导致全网数据产生速度为1/Δ.

(a) PDR

(b) 平均端到端延迟 (c) 开销

(d) 吞吐量 (e) 平均能量损耗图3 不同流量负荷的各路由协议结果Fig.3 Result of each protocol with different traffic load

关于辐射映射应用，概念数据产生速度可以控制映射的分辨率.PDR通常较高且对于更高数据产生速率显著增加，这种增加的结果是TDMA循环时间等于数据产生速度的倒数.在实践中，通过均匀延迟完成每个时隙，即在较低数据包速率的情况下，循环时间很长，使梯度指标更新较慢.当数据产生速度为0.1 pk·s-1，循环时间为10 s，且平均链接寿命tav为12.73 s时，没有定期更新梯度场.然而，由于0.5 pk·s-1的循环时间为2 s，所以只有一种可能具有较低数据产生速度，能够在拓扑结构改变的情况下维持梯度场.通过延长时隙以适应所需数据生成率，从而节约能量.能量消耗结果显示，当网络中数据包增加时，平均能耗也会随之增加.

相比之下，即使在较低的数据包速度下，DCBM和GOR也使用大量能量，当数据产生速度增加时，能量损耗稍有增加.在更高数据包速度下，MACRO能量损耗有所增加，然而，由于饱和在10 pk·s-1之后停滞，AHDSR分析结果稍微高估了能量增加.开销结果显示，DCBM和GOR即使在没有太多数据输送的情况下，也产生大量开销，但是由于引进了更多数据，数据比特和开销之间的比率均等.

AHDSR显示了持续低量的开销，通过分析结果近似预测.MACRO在开销方面显示了轻微增加，但是其吞吐量在数据包产生速度大于5 pk·s-1时，似乎达到了饱和限度.AHDSR吞吐量在数据产生速度增加时，平稳升高.DCBM和GOR的吞吐量在越来越多数据包丢失时开始进入稳定阶段.延迟结果显示，AHDSR持续较低延迟，实际上，当产生更多数据时减小.这是因为循环时间的减小，允许每个节点更频繁地进入介质，所以数据包可能更快地穿过网络.相比之下，MACRO在5 pk·s-1之后，其延长时间急速上升.总之，AHDSR在1 pk·s-1以上表现出持续较高的性能水平，其他3个协议当通信量水平增加时退化明显.

实验结果显示，AHDSR适合于广泛的场景，包括模拟具有UAV的辐射映射的应用.DCBM和GOR的结果在这些场景中的性能水平较低.与MACRO相比，AHDSR的能量损耗更大.然而，MACRO在一些场景中的PDR水平显著提高.在延迟方面，AHDSR端到端延迟与MACRO相似.

3 结束语

提出一种针对MWSN设计的路由协议，AHDSR通过使用全局TDMA MAC层，降低开销的方法维持梯度指标,并使用盲转发技术，允许数据同时通过多路径穿过网络.该协议适用于各种高动态的数据网络场景.仿真分析表明：该协议在各种不同移动性、延展性和通信量水平的情况下都有效，性能表现优异.由于节点能够将数据从多个节点传输到单一数据包中，所以未来研究可能关注于使用聚合技术组合接收，进一步研究协议性能信道衰减的影响.

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(责任编辑： 黄晓楠英文审校： 吴逢铁)

ActiveHighDynamicSensorRoutingProtocolUsingTimeDivisionMultipleAccess

ZHU Chaojun1,2

(1. College of Computer Science, Sichuan University, Chengdu 610000, China;2. Department of Judicial Information Management, Sichuan Judicial and Police Officers Professional College, Deyang 618000, China)

10.11830/ISSN.1000-5013.201605075

2016-05-23

朱超军(1975-)，男，副教授，主要从事计算机网络、网络安全的研究.E-mail:zhuchaojunsc@126.com.

四川省科技支撑计划项目 (2012GZ0091)

TP 393

A

1000-5013(2017)05-0710-06