無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )帶狀拓撲路由研究與應用

0 引言
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)目前處于計算機網(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)濟規模的高科技市場(chǎng)。如今，由美國軍方資助的學(xué)術(shù)研究機構、跨國公司和全球最大的IT供應商們均已將傳感器網(wǎng)絡(luò )列入研發(fā)計劃并積極開(kāi)展。隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的深入研究和廣泛應用，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 )在智能交通中應用的有著(zhù)巨大前景，在道路交通中，傳感網(wǎng)又有其特殊的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，帶狀的拓撲結構。本文結合無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)，研究適合帶狀拓撲結構的易實(shí)現的網(wǎng)絡(luò )路由協(xié)議。

1 網(wǎng)絡(luò )結構及路由分析
現有的路由技術(shù)的局限性使其不能直接用于傳感器網(wǎng)絡(luò )，而針對移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )設計的組網(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展性的要求不同，移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )相對節點(diǎn)的移動(dòng)性來(lái)講，擴展性問(wèn)題并不十分突出；而傳感器網(wǎng)絡(luò )要求支持大規模網(wǎng)絡(luò )，節點(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(cháng)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。因此，有必要針對交通示范工程中交通信息數據采集、傳輸等特點(diǎn)，研究傳感器網(wǎng)絡(luò )路由協(xié)議，重點(diǎn)解決提高擴展性、低功耗、適應網(wǎng)絡(luò )拓撲結構的變化等問(wèn)題。

帶狀拓撲的網(wǎng)絡(luò )，如圖1，網(wǎng)絡(luò )呈樹(shù)型鏈狀結構，借用分級網(wǎng)絡(luò )[1]的概念，將網(wǎng)絡(luò )分為兩層，底層是傳感器節點(diǎn)采集環(huán)境參數，高層是網(wǎng)絡(luò )的匯聚節點(diǎn)，或是本地區小網(wǎng)絡(luò )的管理中心，匯聚本地區的信息經(jīng)數據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，合理的簇結構是按鏈的方向分簇，并不指定簇頭，所以底層網(wǎng)絡(luò )也可稱(chēng)為無(wú)簇頭的分級網(wǎng)絡(luò )。正常情況下，不同簇間節點(diǎn)互不通信，所有節點(diǎn)的采集信息經(jīng)本簇節點(diǎn)傳送至上層網(wǎng)絡(luò )。

圖1 帶狀結構的網(wǎng)絡(luò )拓撲圖

如圖1中，將底層分為M、N、P三個(gè)簇，簇內成員數可以在帶狀區域任意擴展。上層網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)B可以高速移動(dòng)[2]。
這樣一個(gè)帶狀結構的網(wǎng)絡(luò )，路由建立與維護都有其特殊性。由于底層節點(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)的節點(diǎn)。所以底層網(wǎng)絡(luò )路由采用表驅動(dòng)方式。由上層網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)來(lái)建立整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的路由，但維護路由的任務(wù)卻由本地節點(diǎn)來(lái)完成。

2 帶狀網(wǎng)絡(luò )結構路由協(xié)議

2.1 路由建立
路由建立過(guò)程的思想是，由上層節點(diǎn)在全網(wǎng)范圍內廣播路由請求數據包RREQ，底層節點(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發(fā)RREQ，但只轉發(fā)同一簇內的RREQ；本地節點(diǎn)在同一簇內建立路由，但維護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]。

其中，包類(lèi)型：用于標明該數據包是RREQ包，廣播包；源地址：發(fā)起RREQ的節點(diǎn)地址，應為上層網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的地址；跳數：源節點(diǎn)到接收到RREQ包的節點(diǎn)經(jīng)過(guò)的跳段數；廣播ID：由源節點(diǎn)維護的序列號，用于唯一標識RREQ包。

其中，目的節點(diǎn)：記錄目的節點(diǎn)地址，應為上層網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的地址；路由狀態(tài)：路由是否有效標志；下一跳：本地節點(diǎn)到目的節點(diǎn)的下一跳節點(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)程中不同節點(diǎn)的作用，路由建立過(guò)程如下：
1）上層移動(dòng)節點(diǎn)：向全網(wǎng)廣播RREQ用于建立路由；接收各個(gè)簇內節點(diǎn)攜帶信息的數據包。如圖1中節點(diǎn)B。由廣播ID和源地址序列對唯一標識RREQ，用于判斷處理是否收到重復的RREQ包
2）可以和移動(dòng)節點(diǎn)直接通信的節點(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)簇內其它節點(diǎn)接入上層節點(diǎn)的出口。

圖2 本地節點(diǎn)建立路由流程

3）底層網(wǎng)絡(luò )中其它節點(diǎn)：M3、N3、P3接到B的RREQ，更新路由表后同樣以廣播的方式轉發(fā)RREQ，此時(shí)不同簇內節點(diǎn)會(huì )互相收到轉發(fā)的RREQ，利用此信息更新本地節點(diǎn)的鄰居鏈表。例如圖1中，N4收到N3轉發(fā)的RREQ，同時(shí)也可能收到M3、P3轉發(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發(fā)RREQ。這樣處理的好處是，在同一簇內廣播RREQ，即建立了路由，記錄了本地節點(diǎn)的所有鄰居節點(diǎn)，包括其它簇內的鄰居節點(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。其它節點(diǎn)均按同樣的方式處理，直到RREQ包達到最大的網(wǎng)絡(luò )半徑。