摘要:为了把响应时间引入传感器网络中的路由机制,细分了网络层次,分析了响应时间模型、基于二层架构的传感器网络,制定了2种可行方案.新路由机制以现有节能路由算法为基础,根据时间约束修正路由路径和增添带有响应时间约束的路由表.分析结果表明,2种方案在计算复杂度和通信功耗上存在一个平衡,2种方案在实际传感器网络应用下是有效的.仿真试验表明,在路由机制中引入响应时间是必须的.

　　　关键词:无线传感器网络;响应时间;路由机制

0引言

作为热点问题,无线传感器网络(wsn,wirelesssensornetwork)鲜有实际应用.究其原因,主要有以下2点:传感器节点(sn,sensornode)价格较高;没有考虑实际情况的路由协议.为详细说明第2点,首先介绍wsn的性质.在普遍意义上,它具有以下特性:
①sn能量有限;
②sn的放置采用飞机投撒等方式,不能精确控制;
③wsn是无线自主的,设定sn的初始状态之后的拓扑启动和网络运行是自组织的.

传统网络路由算法和普通adhoc网络路由算法都不能很好地应用于wsn中,针对传感器网络路由算法的研究,前期比较典型的工作有leach,leach2,teen和pegagis等.它们考虑使链路代价最低而没有考虑负载平衡.之后的工作以负载平衡和链路代价两者结合作为算法性能衡量标准,比较典型的有负载平衡组划分、最大化网络生命期等.二层路由协议较平面路由协议更加负载平衡.albertocerpa等提出了一种实际可用的参与度模型,本文路由机制基于该模型.

本文将wsn分为邻域发现(nd,neighbor discovery)、动态参与度模型(djm,dynamic joining model)、组内路由和组间路由.在假设前2层模型有较好实现的情况下研究了组内路由算法.为引入响应时间这一wsn应用的重要指标,提出2种方法对现有的路由算法进行改进:沿用节能性路由算法并在节点中根据响应时间(rt,response time)约束修订路由;组长(chsn,cluster head sensor node)在计算路由时考虑rt因素,为节点消息的不同rt要求分别计算路由.

1wsn参考模型及基本假定

1.1层次介绍
无线传感器网络mac层、网络层以及传输层都是wsn中研究的热点问题.为了明确研究内容和方法,提出以能量节省、响应时间和传送质量为标准将wsn中的课题划分为物理层、mac层、网络层(该层包含nd协议、路由等,具体关系如图1所示)和应用层.

图1细化的网络层

1.2nd与djm协议
nd协议为每个sn提供邻居信息,其中邻居定义为可以和该节点单跳传送的sn集合.考虑到wsn应用环境可能会有突发事件,如某sn被监控对象撞坏,使用定时查询方式实现nd协议,该协议采集数据的类型取决于djm的设计.本文使用丢包率、剩余能量和邻居个数作为djm的参考标准,因此,nd协议需要采集邻居的能量信息并统计丢包率.其中,邻居的判定依据为丢包率是否小于对应的丢包率门限.

在nd协议提供必要数据的基础上,本文采用了参与度模型,即在某一时刻只有部分节点参与组建网络.该模型中sn有4种状态(sleep、passive、test、active),只有处于test和active状态时参与网络传送消息.passive状态节点只接收邻居状态消息,监测网络通信质量,当丢包率和邻居数不符合要求时,按状态转换自动机转入test状态以改善网络连通性和通信质量,其余sleep节点休眠以节能.

2路由机制描述

2.1问题与假定
本文研究满足响应时间的节能组内路由机制.首先,说明对wsn的描述和假定.
①sn能量有限,密集分布,采用飞机投撒等方式放置,不能精确控制;
②wsn是无线自组网,允许多跳(multi-hop)路由;
③wsn对响应时间的要求为硬约束,即数据必须在它对应的响应时间内传送到组长.

以响应时间为硬约束、能量消耗为标准采用集中式算法考虑组内路由策略.因为现有的分布式bellman-ford算法要求网络初始和拓扑变化时所有节点都必须已知全局拓扑,代价太高.对于节能路由,使用贪心算法多次迭代就可得到近似最优路径.不考虑rt约束的集中式组内节能路由算法基于以下假定:
①组内只有一个组长,它已知组内全局拓扑;
②sn具有初始标志,并具有一定的存储和判定能力;
③nd、djm和链路代价都具有良好的实现.

链路代价表示一定量数据经过一段链路的消耗,等于其所含边对应数据传送的耗能总和.发送数据代价(使用rssi测量)和节点能量都可以在nd协议中获得,使用文献[1]中链路代价模型.因为sn的路由路径是个markov链,即链路中到第i个节点的路由仅由第i-1个节点确定.组内路由算法可以描述为第1步:针对每个sn,sn以最小化该节点与chsn间的链路代价为标准选择下一跳中继sn;第2步:若拓扑内路由有变化,转向第1步,否则路由决策结束.下面提出节点决策和组长决策2种方式修正路由策略引入rt硬约束.

2.2节点决策
经过上述路由算法,组长为每个节点确定最佳节能路由并发送路由表.节点决策