地震監測無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )路由協(xié)議研究

摘要：針對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在地震監測應用中的路由需求，汲取現有無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )路由協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種適合于地震監測的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )路由協(xié)議，稱(chēng)為能量高效的事件驅動(dòng)型分簇路由協(xié)議EEECRP(Energy Efficient Eventdriven Clustering Routing Protocol)。仿真結果表明此路由協(xié)議實(shí)時(shí)性好，能有效延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )生命周期，較好地滿(mǎn)足了應用的需求。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )；地震監測；路由協(xié)議；網(wǎng)絡(luò )能耗；數據傳輸延遲

引言
地震監測是防震減災、地震科學(xué)研究的必要技術(shù)基礎，目前，國內外的地震監測系統仍處于初級階段，不能滿(mǎn)足地震預警的要求，存在漏報、誤報、遲報現象，例如監測臺網(wǎng)密度低、監測數據精度低、信息不豐富、數據傳輸速度慢、成本高等。
融多種信息技術(shù)為一體的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )WSN(Wireless Sensor Network)是一種新興的信息技術(shù)，在信息領(lǐng)域有著(zhù)良好的應用前景。相對于傳統的有線(xiàn)和其他無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )具有布設范圍廣、自組織，低能耗、協(xié)同感知、獨立電源供電、無(wú)人值守等特點(diǎn)，能夠很好地滿(mǎn)足地震監測的要求。
地震監測過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò )數據的傳輸離不開(kāi)路由協(xié)議，路由協(xié)議的研究是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )通信層的一個(gè)核心技術(shù)，本文結合地震監測的具體應用需求，設計出一種適合地震監測的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )路由協(xié)議。

1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )路由協(xié)議及其應用相關(guān)性
1．1 典型無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )路由協(xié)議及其不足
最小跳數(Minimum Hop Count，MHC)路由協(xié)議是一種平面路由協(xié)議，其核心部分是采用經(jīng)典的擴散算法，在網(wǎng)絡(luò )中建立一個(gè)最小跳數場(chǎng)，在最小跳數場(chǎng)內，每個(gè)節點(diǎn)擁有到基站(Sink節點(diǎn))的最小跳數。當節點(diǎn)需要發(fā)送消息時(shí)，它按序選擇自己的父節點(diǎn)作為下一跳。該協(xié)議因能夠提高消息傳輸的可靠性、減少傳輸時(shí)延而倍受關(guān)注。但在該協(xié)議中，傳輸數據時(shí)有很大的重復性，同時(shí)它未考慮節點(diǎn)在監聽(tīng)狀態(tài)下的耗能情況，造成網(wǎng)絡(luò )性能和壽命下降。
LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)是Heinzelman等人提出的第一個(gè)分簇路由協(xié)議，在每個(gè)數據收集周期開(kāi)始，一小部分節點(diǎn)隨機成為簇首，在數據傳輸階段，簇首以單跳通信的方式將融合后的數據傳輸給基站。它通過(guò)角色輪換達到能量的均勻分布。但是，LEACH假設所有的節點(diǎn)都能直接與簇首以及基站通信，在需要監測范圍大的應用中不適用；而且它僅僅以節點(diǎn)的剩余能量多少選擇簇首，形成的簇并不是最優(yōu)的。后來(lái)，Heinzelman等人在LEACH的基礎上，提出了LEACH-C。LEACH-C(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy Cent ralized)是集中式的分簇算法，健壯性好且產(chǎn)生的簇較佳，但該協(xié)議由于每個(gè)節點(diǎn)都需要向基站周期性地報告它們的能量和位置等信息，從而導致增加網(wǎng)絡(luò )流量、時(shí)間延遲等。
TEEN(Threshold-Sensitive Energy Efficient Sensor Network Protocol)是第一個(gè)響應型的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )路由協(xié)議，其網(wǎng)絡(luò )結構與LEACH類(lèi)似，只是它的簇成員不像LEACH算法那樣總是發(fā)送數據給簇首。TEEN協(xié)議設置了硬、軟兩個(gè)閥值，只有當監測到的數據超過(guò)硬閾值并且監測數據的變化幅度大于軟閾值時(shí)，節點(diǎn)才會(huì )傳送監測數據。這樣可以大大減少節點(diǎn)發(fā)射數據的次數，數據傳送消耗的能量較少。但TEEN協(xié)議存在一個(gè)缺陷，如果閥值不能達到，節點(diǎn)就不會(huì )傳輸任何數據，導致用戶(hù)在某段時(shí)間不知道節點(diǎn)是否死亡。
1．2 地震監測環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò )路由需求
地震監測中的路由協(xié)議具有以下特點(diǎn)：
①網(wǎng)絡(luò )規模大，分布范圍廣，對網(wǎng)絡(luò )節能性要求高。地震監測的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )分布范圍非常廣，而且地形環(huán)境復雜，節點(diǎn)電池的更換或能量的補給幾乎是不可能的，因此網(wǎng)絡(luò )及網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)應盡量減少能量消耗，以延長(cháng)自身的壽命，能源的高效使用成為路由協(xié)議設計的首要目標。
②地震發(fā)生的概率非常低，而且地震的發(fā)生具有隨機性，是不可預測的，因此傳統的時(shí)間周期性傳遞監測數據的路由協(xié)議不太合適，這里需要的是事件驅動(dòng)型傳感器網(wǎng)絡(luò )。地震未發(fā)生時(shí)，只需要周期性地傳輸少量的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )健康狀況數據，只有地震發(fā)生時(shí)才需要傳輸大量的關(guān)鍵數據。同時(shí)地震發(fā)生時(shí)，監測數據的傳輸對及時(shí)性、可靠性有一定的要求，大量的監測數據需要及時(shí)、可靠地傳輸到監控中心。
③地震監測的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)會(huì )由于能量耗盡或地震破壞等環(huán)境因素造成失效減少，或者也會(huì )補充一些傳感器節點(diǎn)來(lái)彌補失效節點(diǎn)、增加監測精度等，從而使網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構隨之也動(dòng)態(tài)變化。這就要求無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )有較強的自組織性，能夠適應這種網(wǎng)絡(luò )拓撲結構的動(dòng)態(tài)變化。

2 地震監測環(huán)境下的路由協(xié)議設計
為滿(mǎn)足地震監測的應用需求，本文汲取現有無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )路由協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種適合于地震監測的路由協(xié)議EEECRP，稱(chēng)之為能量高效的事件驅動(dòng)型分簇路由協(xié)議。
2．1 協(xié)議描述
(1)簇的劃分
由于地震監測范圍廣，并且要求有很好的自組織性，因此EEECRP協(xié)議采用分簇路由協(xié)議結構。為了獲得較好的簇，采用集中式分簇的方法劃分簇，簇內成員節點(diǎn)與簇首之間采用“一跳”通信的方式傳輸數據，簇首到Sink節點(diǎn)的傳輸則采用“多跳”傳輸方式。另外，為了減少集中式分簇造成的網(wǎng)絡(luò )能量消耗，新設計協(xié)議間隔相當長(cháng)的時(shí)間(比如半年、一年)才集中式劃分一次簇，其他時(shí)間則采用異步更換簇首的方法均衡節點(diǎn)能量的消耗。關(guān)于異步更換簇首的細節問(wèn)題在后邊介紹。
(2)簇首骨干網(wǎng)的構造
地震監測數據最終通過(guò)簇首“多跳”轉發(fā)給Sink節點(diǎn)，因此網(wǎng)絡(luò )中的簇首節點(diǎn)形成主干鏈路網(wǎng)絡(luò )。為了保證地震發(fā)生時(shí)監測數據的可靠和及時(shí)傳輸，在簇首節點(diǎn)主干鏈路形成時(shí)，采用基于最小跳數的路由算法，為每個(gè)簇首建立路由線(xiàn)路。具體算法步驟如下：
①所有簇首節點(diǎn)設置其父節點(diǎn)FATHER_ID=0，并設置其到達Sink節點(diǎn)的最小跳數Min_hop=0；
②由Sink節點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò )內以洪泛方式廣播最小跳數場(chǎng)構建消息Hop_Msg。Hop_Msg由構建消息標識、發(fā)送節點(diǎn)ID和發(fā)送節點(diǎn)的最小跳數Min_hop加1組成；
③收到Hop_Msg信息的簇首節點(diǎn)，設置其FA-THER_ID=Sink及到達Sink節點(diǎn)的最小跳數Min_hop=1，同時(shí)更新Hop_Msg消息中的的Min_hop和FA-THER_ID，繼續向鄰居節點(diǎn)廣播；
④網(wǎng)絡(luò )中收到Hop_Msg消息的簇首節點(diǎn)，檢查該消息中最小跳數Min_hop是否小于自身的最小跳數Min_hop，如果是，則更新自身的父節點(diǎn)FATHER_ID和最小跳數Min_hop，并將該Hop_Msg消息的最小跳數Min_hop和父節點(diǎn)FATHER_ID更新，繼續向鄰居節點(diǎn)廣播，否則將不予處理；
⑤重復步驟④，直到網(wǎng)絡(luò )中所有節點(diǎn)都擁有自己的父節點(diǎn)FATHER_ID和到Sink節點(diǎn)的最小跳數Min_hop。算法流程圖如圖1所示。

構建完成后，網(wǎng)絡(luò )中每個(gè)節點(diǎn)都將擁有自己的最小跳數Min_hop和父節點(diǎn)FATHER_ID，形成了簇首節點(diǎn)的最小跳數場(chǎng)，構建起了簇首節點(diǎn)的骨干網(wǎng)路由。