無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)帶狀拓?fù)渎酚蓱?yīng)用及設(shè)計(jì)

??? 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)目前處于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域的前沿，并有可能發(fā)展成為一個(gè)新的巨大經(jīng)濟(jì)規(guī)模的高科技市場(chǎng)。如今，由美國(guó)軍方資助的學(xué)術(shù)研究機(jī)構(gòu)、跨國(guó)公司和全球最大的IT供應(yīng)商們均已將傳感器網(wǎng)絡(luò)列入研發(fā)計(jì)劃并積極開(kāi)展。隨著無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的深入研究和廣泛應(yīng)用，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)將逐漸深入到人類(lèi)生活的各個(gè)領(lǐng)域。

????? 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能交通中應(yīng)用的有著巨大前景，在道路交通中，傳感網(wǎng)又有其特殊的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，帶狀的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本文結(jié)合無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，研究適合帶狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的易實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。

1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及路由分析

????? 現(xiàn)有的路由技術(shù)的局限性使其不能直接用于傳感器網(wǎng)絡(luò)，而針對(duì)移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的組網(wǎng)和通信協(xié)議一般也不適合于傳感器網(wǎng)絡(luò)。其重要原因之一是其擴(kuò)展性的要求不同，移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)相對(duì)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性來(lái)講，擴(kuò)展性問(wèn)題并不十分突出；而傳感器網(wǎng)絡(luò)要求支持大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性較弱甚至沒(méi)有，主要問(wèn)題變?yōu)槿绾窝娱L(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。這決定了兩種網(wǎng)絡(luò)有不同的優(yōu)化目標(biāo)。因此，有必要針對(duì)交通示范工程中交通信息數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，研究傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，重點(diǎn)解決提高擴(kuò)展性、低功耗、適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化等問(wèn)題。

????? 帶狀拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)，如圖1，網(wǎng)絡(luò)呈樹(shù)型鏈狀結(jié)構(gòu)，借用分級(jí)網(wǎng)絡(luò)[1]的概念，將網(wǎng)絡(luò)分為兩層，底層是傳感器節(jié)點(diǎn)采集環(huán)境參數(shù)，高層是網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點(diǎn)，或是本地區(qū)小網(wǎng)絡(luò)的管理中心，匯聚本地區(qū)的信息經(jīng)數(shù)據(jù)融合后傳至更高層的網(wǎng)絡(luò)。由于帶狀網(wǎng)絡(luò)的特殊性，按地理位置將底層網(wǎng)絡(luò)分為多個(gè)簇，合理的簇結(jié)構(gòu)是按鏈的方向分簇，并不指定簇頭，所以底層網(wǎng)絡(luò)也可稱(chēng)為無(wú)簇頭的分級(jí)網(wǎng)絡(luò)。正常情況下，不同簇間節(jié)點(diǎn)互不通信，所有節(jié)點(diǎn)的采集信息經(jīng)本簇節(jié)點(diǎn)傳送至上層網(wǎng)絡(luò)。

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???????????????????????????????? 圖1 帶狀結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

????? 如圖1中，將底層分為M、N、P三個(gè)簇，簇內(nèi)成員數(shù)可以在帶狀區(qū)域任意擴(kuò)展。上層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)B可以高速移動(dòng)[2]。

????? 這樣一個(gè)帶狀結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，路由建立與維護(hù)都有其特殊性。由于底層節(jié)點(diǎn)無(wú)需移動(dòng)，或在某一范圍緩慢移動(dòng)，其目的是將采集的信息傳至上層移動(dòng)的節(jié)點(diǎn)。所以底層網(wǎng)絡(luò)路由采用表驅(qū)動(dòng)方式。由上層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)來(lái)建立整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的路由，但維護(hù)路由的任務(wù)卻由本地節(jié)點(diǎn)來(lái)完成。

2 帶狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)路由協(xié)議

2.1 路由建立

????? 路由建立過(guò)程的思想是，由上層節(jié)點(diǎn)在全網(wǎng)范圍內(nèi)廣播路由請(qǐng)求數(shù)據(jù)包RREQ，底層節(jié)點(diǎn)收到RREQ后即更新鄰居鏈表，同時(shí)更新路由表，然后同樣以廣播的方式轉(zhuǎn)發(fā)RREQ，但只轉(zhuǎn)發(fā)同一簇內(nèi)的RREQ；本地節(jié)點(diǎn)在同一簇內(nèi)建立路由，但維護(hù)的鄰居鏈表包括整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的鄰居信息，以記錄網(wǎng)絡(luò)的連通性。

????? 借用AODV路由協(xié)議中RREQ包格式，定義協(xié)議RREQ格式如表1[3,4]。

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????? 其中，包類(lèi)型：用于標(biāo)明該數(shù)據(jù)包是RREQ包，廣播包；源地址：發(fā)起RREQ的節(jié)點(diǎn)地址，應(yīng)為上層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的地址；跳數(shù)：源節(jié)點(diǎn)到接收到RREQ包的節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)的跳段數(shù)；廣播ID：由源節(jié)點(diǎn)維護(hù)的序列號(hào)，用于唯一標(biāo)識(shí)RREQ包。

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????? 其中，目的節(jié)點(diǎn)：記錄目的節(jié)點(diǎn)地址，應(yīng)為上層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的地址；路由狀態(tài)：路由是否有效標(biāo)志；下一跳：本地節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的下一跳節(jié)點(diǎn)地址；路由過(guò)期時(shí)間：路由不再有效的時(shí)間點(diǎn)。
按照建立路由過(guò)程中不同節(jié)點(diǎn)的作用，路由建立過(guò)程如下：

??????1）上層移動(dòng)節(jié)點(diǎn)：向全網(wǎng)廣播RREQ用于建立路由；接收各個(gè)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)攜帶信息的數(shù)據(jù)包。如圖1中節(jié)點(diǎn)B。由廣播ID和源地址序列對(duì)唯一標(biāo)識(shí)RREQ，用于判斷處理是否收到重復(fù)的RREQ包

????? 2）可以和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)直接通信的節(jié)點(diǎn)：接收到RREQ后，首先更新鄰居鏈表，然后將本地路由表里的下一跳寫(xiě)下B，更新路由表。如圖1中，M3、N3、P3此時(shí)和B直接相連，分別是三個(gè)簇內(nèi)其它節(jié)點(diǎn)接入上層節(jié)點(diǎn)的出口。

圖2 本地節(jié)點(diǎn)建立路由流程

????? 3）底層網(wǎng)絡(luò)中其它節(jié)點(diǎn)：M3、N3、P3接到B的RREQ，更新路由表后同樣以廣播的方式轉(zhuǎn)發(fā)RREQ，此時(shí)不同簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)會(huì)互相收到轉(zhuǎn)發(fā)的RREQ，利用此信息更新本地節(jié)點(diǎn)的鄰居鏈表。例如圖1中，N4收到N3轉(zhuǎn)發(fā)的RREQ，同時(shí)也可能收到M3、P3轉(zhuǎn)發(fā)的RREQ，N4利用此信息更新其鄰居鏈表。但N4用同一簇成員轉(zhuǎn)發(fā)的RREQ更新路由表，路由表中下一跳記錄為N3地址，然后丟掉接收到的其它同一RREQ包。同樣以廣播的方式再次轉(zhuǎn)發(fā)RREQ。這樣處理的好處是，在同一簇內(nèi)廣播RREQ，即建立了路由，記錄了本地節(jié)點(diǎn)的所有鄰居節(jié)點(diǎn)，包括其它簇內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)，又有效的避免了RREQ在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中引起“廣播風(fēng)暴”的問(wèn)題。其它節(jié)點(diǎn)均按同樣的方式處理，直到RREQ包達(dá)到最大的網(wǎng)絡(luò)半徑。

????? 路由建立的過(guò)程見(jiàn)圖2的流程圖。

2.2 路由維護(hù)

????? 在帶狀的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)里，同一簇內(nèi)鄰居節(jié)點(diǎn)有限，多數(shù)情況下只有左右兩個(gè)節(jié)點(diǎn)是其鄰居節(jié)點(diǎn)，如果某一節(jié)點(diǎn)由于能量耗盡，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)可能會(huì)斷開(kāi)，將影響網(wǎng)絡(luò)的健壯性和可擴(kuò)展性，如圖3，節(jié)點(diǎn)N4由于某種原因不再具有傳感器節(jié)點(diǎn)的功能，N4以右的節(jié)點(diǎn)按先前發(fā)現(xiàn)的路由無(wú)法將數(shù)據(jù)傳送至目的節(jié)點(diǎn)B，因此必須采取某種措施以維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的連通性。節(jié)點(diǎn)同時(shí)擁有其它簇內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)，可以借助其它簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)續(xù)傳數(shù)據(jù)包。

圖3 網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)路由的維護(hù)

????? 鑒于帶狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特殊性，數(shù)據(jù)報(bào)文在找到目的節(jié)點(diǎn)的方向(即路由)后，如“接力”的方式依次往下傳，所以不采用端到端的應(yīng)答方式，而采用點(diǎn)到點(diǎn)的應(yīng)答，這樣節(jié)點(diǎn)能夠知道下一節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，如果不能收到下一跳節(jié)點(diǎn)的應(yīng)答包，則重復(fù)發(fā)送一次，仍然沒(méi)有應(yīng)答情況下，即認(rèn)為下一跳發(fā)生故障，立刻從鄰居鏈表中選擇其它簇內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn)，由此簇節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)傳送數(shù)據(jù)包。

????? 在圖3中，N5以右的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至N5后，由于N5沒(méi)有收到N4的應(yīng)答， N5需要從鄰居鏈表中選擇其一作為下一跳，如果有簇內(nèi)其它鄰居節(jié)點(diǎn)（如N3也是N5鄰居），優(yōu)先選擇（注意避免路由環(huán)），如果沒(méi)有，選擇其它簇內(nèi)鄰居，圖中N5選擇M5，N5將數(shù)據(jù)包成功的交給簇M內(nèi)的成員，由簇M負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點(diǎn)。此時(shí)N5路由表下一跳字段更改為M5，路由過(guò)期時(shí)間為鄰居節(jié)點(diǎn)M5的過(guò)期時(shí)間，直至N5再次收到同簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的RREQ更新路由。同時(shí)N5將N4的故障信息及時(shí)通知上層網(wǎng)絡(luò)。

????? 路由維護(hù)的過(guò)程見(jiàn)圖4流程圖。

圖4 本地節(jié)點(diǎn)維護(hù)路由流程

3 帶狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在道路交通中的應(yīng)用與實(shí)踐

????? 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離可靠的數(shù)據(jù)傳輸。傳感器節(jié)點(diǎn)自組成網(wǎng)，快速形成相對(duì)穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。道路交通中的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是帶狀網(wǎng)絡(luò)的典型應(yīng)用。在道路交通中，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)具有以下功能：傳感數(shù)據(jù)迅速可靠地傳輸?shù)接脩?hù)終端；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨上層節(jié)點(diǎn)位置而變化；網(wǎng)絡(luò)關(guān)斷或增加某個(gè)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)變化強(qiáng)；節(jié)點(diǎn)唯一編號(hào)，在上層部分匯總傳感信息；根據(jù)上層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)收到的信息在用戶(hù)終端復(fù)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化過(guò)程；例如，沿道路兩旁布下傳感器節(jié)點(diǎn)，采集路面信息等，上層網(wǎng)絡(luò)可以是相互獨(dú)立的快速移動(dòng)的汽車(chē)節(jié)點(diǎn)，汽車(chē)可以根據(jù)需要接收底層網(wǎng)絡(luò)傳來(lái)的信息，這樣汽車(chē)可以及時(shí)準(zhǔn)確的知道前后路面的狀況。汽車(chē)可以將信息通過(guò)更高層的網(wǎng)絡(luò)傳到交通控制空心。

????? 項(xiàng)目中，射頻芯片選擇CC1100，頻率選擇433MHz，最大有效射程調(diào)為150米左右。處理器選擇LPC2210，操作系統(tǒng)移植代碼公開(kāi)的μC/OSⅡ.同時(shí)，由于項(xiàng)目的特殊應(yīng)用環(huán)境，來(lái)自汽車(chē)的噪聲影響嚴(yán)重，必須嚴(yán)格控制數(shù)據(jù)包的正確性。應(yīng)用實(shí)踐表明，本方案路由協(xié)議簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)且路由開(kāi)銷(xiāo)小。

????? 針對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)帶狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特殊性，提出分級(jí)網(wǎng)絡(luò)管理的方法，底層網(wǎng)絡(luò)采用無(wú)簇頭的分簇結(jié)構(gòu)，這樣對(duì)網(wǎng)絡(luò)的路由建立與維護(hù)都容易實(shí)現(xiàn)。對(duì)帶狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究，極大推動(dòng)傳感網(wǎng)在道路交通中的應(yīng)用。改變目前道路信息采集手段單一的技術(shù)手段。通過(guò)傳感網(wǎng)采集的多元交通信息的數(shù)據(jù)融合處理，提高道路交通信息的準(zhǔn)確性、可靠性。

????? 本文作者創(chuàng)新點(diǎn)，針對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)在道路交通中的應(yīng)用，根據(jù)其特殊的帶狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將網(wǎng)絡(luò)分為兩級(jí)，提出無(wú)簇頭的易實(shí)現(xiàn)的分簇路由協(xié)議，即由上層移動(dòng)節(jié)點(diǎn)建立路由、底層節(jié)點(diǎn)維護(hù)路由的機(jī)制。該路由協(xié)議在道路交通應(yīng)用中表明，易實(shí)現(xiàn)，開(kāi)銷(xiāo)小，容易維護(hù)。