摘 要：集成了傳感器、嵌入式計算、網絡和無線通信四大技術而形成的無線傳感器網絡是一種全新的信息獲取和處理技術，本文在借鑒了各類成熟路由協議的基礎上，以有效節約能源，延長網絡生命周期為目的，設計出一種基于協商機制的層次型路由協議。并最后經ns2平臺上的仿真測試，NBLEP基本達到了無線傳感器網絡路由協議設計目標。 關鍵字：無線傳感器網絡;協商機制;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 　　無線傳感器網絡是一種無基礎設施的無線網絡，它綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、分布式信息處理技術和無線通信技術，能夠協作地實時監測、感知和采集網絡分布區域內的各種環境或監測對象的信息，并對這些數據進行處理，獲得詳盡而準確的信息，隨后傳送到需要這些信息的用戶。 　　麻省理工學院的《技術評論》雜志（Technology Review）評出了對人類未來生活產生深遠影響的十大新興技術，無線傳感器網絡即位于這十種新技術之首。無線傳感器網絡處于新技術的最前沿，目前尚存在著許多值得探討的熱點課題，國內外學者正在進行深入研究。不同的研究人員對無線傳感器網絡的許多問題都有不同觀點。 2 現有路由協議分析 　　無線傳感器網絡的路由協議目前正是國外研究的熱點，各種路由協議在不同的應用環境和性能評價指標下各有千秋。論文簡要介紹其中一些典型的路由協議，這里將分析這些協議的基本原理，借鑒前人的設計思想，從而結合無線傳感器網絡的特點，設計出新的更適合的路由協議。 　　2.1擴散法 　　擴散法（Flooding）是一種傳統的網絡路由協議。當節點S需要發送數據給節點D時，節點S首先通過網絡將數據副本傳送給它的每一個鄰居節點，每一個鄰居節點又將其傳輸給各自的每一個鄰居節點，除了剛剛給它們發送數據副本的節點S外。如此繼續下去，直到將數據傳輸到目標節點D或者為該數據所設定的生命期限變為零為止，亦或所有節點均擁有此數據副本。 　　擴散法實現簡單，不需要消耗太多的計算資源，適用于健壯性要求高的場合。但是該方式同時存在信息爆炸，部分重疊等問題，盲目資源消耗，一個節點可能出現一個數據多個副本的現象。 　　2.2 SPIN協議 　　SPIN是一種以數據為中心的自適應通信路由協議。其目標是通過使用節點間的協商制度和資源自適應機制，解決擴散法存在的不足之處。為了避免出現擴散法的信息爆炸問題和部分重疊現象，SPIN協議在傳感器節點傳送數據之前彼此進行協商，以確保只傳輸有用數據。同時在傳輸或接收數據之前，每個傳感器節點都檢查各自可用的能量狀況，處于低能量水平時則中斷某些操作。 　　SPIN的缺點在于在傳輸新數據的過程中，直接向鄰居節點廣播ADV數據包，而沒有考慮其所有鄰居節點由于自身能量的原因，不愿承擔起轉發新數據的功能，導致新數據無法傳輸出現“數據盲點”，進而影響整個網絡信息的收集。 　　2.3 MTE協議 　　在MTE協議中，傳感器節點選擇離自己平面距離最近的鄰居節點進行路由中轉。這種路由協議的優點是簡單、開銷小，每個節點只需要找到通往Sink節點的下一跳節點，隨后將數據發送給它便可。而不足之處則在于靠近Sink節點的傳感器節點會一直承擔路由器的角色，節點之間負載不平衡，越靠近Sink節點的傳感器節點可能越快耗盡自己的能源，并最終導致死亡，縮短整個網絡的生命周期。 　　除上述路由協議外，較為成熟的無線傳感器網絡路由協議還包括有Directed Diffusion、LEACH、TEEN、APTEEN協議等，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（基于聚類的路由協議）協議在無線傳感器網絡路由協議中占有重要地位，論文所提到的協議NBLEP（Negotiation-Based Low Energy Protocol）的提出和設計便是基于該基礎上的。 3 NBLEP路由協議設計 　　在無線傳感器網絡路由協議設計過程中，不僅對其要求具有傳統計算機路由協議正確性、健壯性、穩定性、公平性、最優性等特性，更需要考慮無線傳感器網絡的以下具體特殊性能： 　　第一、能源有效性。由于無線傳感器網絡節點能量有限，所以路由協議設計必須將有效利用能源放在第一位。 　　第二、簡單性。相對于傳統網絡而言，傳感器節點的運算能力和存儲能力及其有限，因此需要量身定制一種簡單有效的路由協議。 　　第三、多路性。典型的無線傳感器網絡通常工作在人類無法忍受的惡劣的環境中，為了避免單個節點的失效影響整個網絡的效率，需要要求每個節點盡可能維護多條路由。 　　基于以上理論，作者設計了一種層次型（聚類）、基于協商機制、采用集中式與分布式相結合、維護多條路由、低功耗動態自適應的按需式路由協議—NBLEP路由協議。 　　3.1 層次型 　　NBLEP路由協議把原本地位平等的傳感器節點按照其所處位置和能源的不同情況，依據網絡規模的大小和應用的需要，實現層次劃分。協議將整個無線傳感器網絡劃分成不同的簇類，簇類中的節點處于不同的層次，能源較高的節點處于較高的級別，承擔較多的任務，不僅進行感知和向上層節點傳輸自己的新數據，而且中轉下層節點傳遞過來的數據、進行數據融合;能源較低的節點處于較低的級別，只進行感知和向上層節點傳輸的任務。每個節點的路由表中只需維護其上層節點的信息。 　　3.2協商機制 　　NBLEP路由協議實現在數據傳輸階段，簇內節點采用元數據協商的方式向簇頭節點傳輸自身采集的數據，簇頭節點接收完所有簇內普通節點傳輸的數據，經過數據融合后，再向Sink節點傳輸數據。 　　3.3 多路由維護 　　NBLEP路由協議為了保證路由的可靠性，每個簇類的普通節點都維護著一個備用簇首節點的信息，一旦本簇的簇首節點由于異常原因失效（這種情況在實際應用中很可能發生），立即加入備用簇首節點所在的簇，實現了到Sink節點的多條路由，達到路由健壯性的目的。 　　3.4 低功耗，自適應 　　NBLEP路由協議設計簇內每個普通節點都使用能源控制，在屬于自己的時槽中，才打開發送裝置，進行數據傳輸;在不屬于自己的時槽中，關閉發送裝置。每過一個回合（每個回合由簇形成階段和數據傳輸階段組成）都會進行簇類的動態劃分和簇頭節點的重新選擇，使每個節點成為簇頭節點的機會均等。采用以上幾類方式相結合，實現了節點“睡眠”機制，避免了無效數據的傳輸，有效的節約了能源。 4 NBLEP路由協議仿真測試 　　由于硬件平臺配置的限制，暫時無法在真實環境下運行和測試本路由協議，因此此次的測試工作建立在ns2仿真平臺上。在仿真過程中，作者使用數組不同參數進行測試，以反應出NBLEP路由協議是否達到了協議的設計目標。 　　4.1 仿真平臺建立 　　ns2是美國DARPA支持的項目VINT中的核心部分，它主要面向網絡協議研究者。由于ns2具有免費、開放源代碼、可擴充性好等優點而在各種網絡的仿真測試中獲得了廣泛應用。 　　在仿真環境中，作者使用100個無線傳感器節點和1個固定位置的Sink節點以實現NBLEP路由協議，無線傳感器節點隨機分布在100 ＊100的平面區域內，Sink節點遠離感知區域，場景如圖1所示。每個無線傳感器節點的初始能源為2J，數據包大小為500Bytes，元數據大小為25Bytes。 　　根據無線傳感器之間、無線傳感器與Sink節點之間接收、發送器距離的不同，會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、發送器之間的距離小于某個臨界值時，使用自由空間模型;如果接收、發送器之間的距離大于某個臨界值，則使用雙路徑模型。模型類型直接決定了節點間的傳輸功率，傳輸功率就是接收的閾值Pr-thresh和發送、接送器之間距離d的函數。 　　由于不同類型節點之間，不同距離通信采用不同的傳輸模型，因此NBLEP路由協議完美實現了低功耗、分層次的性能。而多路由維護、協商機制則體現在報文結構的設計中。圖2顯示了一個回合傳輸的時間圖，包括簇形成階段和數據傳輸階段，簇形成階段較短，數據傳輸階段用時很長，在數據傳輸階段中簇內普通節點向簇頭節點傳輸數據，簇頭節點進行數據處理后，再向Sink節點傳輸。 　　4.2 仿真結果分析 　　對于無線傳感器網絡，目前并沒有統一的標準來評測不同的路由協議，根據實際情況，作者使用以下兩個參數對NBLEP路由協議進行評測： 　　Sink節點接收到的數據包總量：該參數表明了Sink節點在運行過程中所接收到的由簇頭節點傳輸的數據包的總數。 　　存活節點數：這個參數表明了隨著時間的推移，仍然存活的節點的總數，是體現路由協議是否屬于能源有效性協議的一個重要指標。 　　此處以其中一次測試的結果為例來進行說明： 　　由圖3可以看出，隨著時間推移，由于能源的消耗，節點逐漸死去。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，大量節點能源耗盡而死，在2100秒時，存活節點只剩余30個（占節點總數的30%），因此2100秒-3600秒，作者開始轉而采用分布式成簇算法;采用該算法后，節點死亡速度大大減緩，說明分布式成簇算法有效地延長了整個網絡的生命周期。 　　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節點清楚的了解全局拓撲，形成了有效的簇類，所以Sink節點接收到的數據包迅速增長。2100秒以后，從圖3可知，由于節點大量死亡，開始轉而采用分布式成簇算法，節點之間自己選舉產生的簇類不如Sink節點產生的簇類有效，再加上節點繼續死亡，Sink節點接收到的數據包增長相對緩慢。 　　由上述仿真結果可以證實NBLEP路由協議使得整個網絡在較低的能耗水平下獲得較高的吞吐量，獲得較長的生命周期。 5 總結 　　無線傳感器網絡是一種新的信息獲取和處理技術，在特殊領域，它有著傳統技術不可比擬的優勢，同時也必將開辟出不少新穎而有價值的商業應用。由于無線傳感器網絡是一門新興技術，國內在這樣特殊領域所作的研究工作還較少，本文作者根據對目前較為成熟的幾類路由協議的分析借鑒，最后設計出一種層次型、基于協商機制、采用集中式與分布式相結合、維護多條路由、低功耗動態自適應的按需式路由協議——NBLEP路由協議。論文最后使用ns2平臺對NBLEP路由協議進行仿真測試，以證明NBLEP路由協議基本達到了設計要求。 參考文獻： 　　[1] 任豐原,黃海寧,林闖. 無線傳感器網絡. 軟件學報, Vol 14 No.7 2003 1281～1291 　　[2] 徐雷鳴 龐博 趙耀 ns與網絡模擬 北京：人民郵電出版社 2003年 158～174 　　[3]吳振綱，陳虎.PLC的人機接口與編程[J].微計算機信息，2005，8-1：21-23。 　　[4]L. 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