地震監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究

摘要：針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在地震監(jiān)測應(yīng)用中的路由需求，汲取現(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的優(yōu)點，提出了一種適合于地震監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，稱為能量高效的事件驅(qū)動型分簇路由協(xié)議EEECRP(Energy Efficient Eventdriven Clustering Routing Protocol)。仿真結(jié)果表明此路由協(xié)議實時性好，能有效延長網(wǎng)絡(luò)生命周期，較好地滿足了應(yīng)用的需求。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；地震監(jiān)測；路由協(xié)議；網(wǎng)絡(luò)能耗；數(shù)據(jù)傳輸延遲

引言
地震監(jiān)測是防震減災(zāi)、地震科學(xué)研究的必要技術(shù)基礎(chǔ)，目前，國內(nèi)外的地震監(jiān)測系統(tǒng)仍處于初級階段，不能滿足地震預(yù)警的要求，存在漏報、誤報、遲報現(xiàn)象，例如監(jiān)測臺網(wǎng)密度低、監(jiān)測數(shù)據(jù)精度低、信息不豐富、數(shù)據(jù)傳輸速度慢、成本高等。
融多種信息技術(shù)為一體的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensor Network)是一種新興的信息技術(shù)，在信息領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。相對于傳統(tǒng)的有線和其他無線網(wǎng)絡(luò)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有布設(shè)范圍廣、自組織，低能耗、協(xié)同感知、獨立電源供電、無人值守等特點，能夠很好地滿足地震監(jiān)測的要求。
地震監(jiān)測過程中，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸離不開路由協(xié)議，路由協(xié)議的研究是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信層的一個核心技術(shù)，本文結(jié)合地震監(jiān)測的具體應(yīng)用需求，設(shè)計出一種適合地震監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議及其應(yīng)用相關(guān)性
1．1 典型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議及其不足
最小跳數(shù)(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(kuò)散算法，在網(wǎng)絡(luò)中建立一個最小跳數(shù)場，在最小跳數(shù)場內(nèi)，每個節(jié)點擁有到基站(Sink節(jié)點)的最小跳數(shù)。當(dāng)節(jié)點需要發(fā)送消息時，它按序選擇自己的父節(jié)點作為下一跳。該協(xié)議因能夠提高消息傳輸?shù)目煽啃?、減少傳輸時延而倍受關(guān)注。但在該協(xié)議中，傳輸數(shù)據(jù)時有很大的重復(fù)性，同時它未考慮節(jié)點在監(jiān)聽狀態(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等人提出的第一個分簇路由協(xié)議，在每個數(shù)據(jù)收集周期開始，一小部分節(jié)點隨機成為簇首，在數(shù)據(jù)傳輸階段，簇首以單跳通信的方式將融合后的數(shù)據(jù)傳輸給基站。它通過角色輪換達(dá)到能量的均勻分布。但是，LEACH假設(shè)所有的節(jié)點都能直接與簇首以及基站通信，在需要監(jiān)測范圍大的應(yīng)用中不適用；而且它僅僅以節(jié)點的剩余能量多少選擇簇首，形成的簇并不是最優(yōu)的。后來，Heinzelman等人在LEACH的基礎(chǔ)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)議由于每個節(jié)點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(dǎo)致增加網(wǎng)絡(luò)流量、時間延遲等。
TEEN(Threshold-Sensitive Energy Efficient Sensor Network Protocol)是第一個響應(yīng)型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與LEACH類似，只是它的簇成員不像LEACH算法那樣總是發(fā)送數(shù)據(jù)給簇首。TEEN協(xié)議設(shè)置了硬、軟兩個閥值，只有當(dāng)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)超過硬閾值并且監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化幅度大于軟閾值時，節(jié)點才會傳送監(jiān)測數(shù)據(jù)。這樣可以大大減少節(jié)點發(fā)射數(shù)據(jù)的次數(shù)，數(shù)據(jù)傳送消耗的能量較少。但TEEN協(xié)議存在一個缺陷，如果閥值不能達(dá)到，節(jié)點就不會傳輸任何數(shù)據(jù)，導(dǎo)致用戶在某段時間不知道節(jié)點是否死亡。
1．2 地震監(jiān)測環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)路由需求
地震監(jiān)測中的路由協(xié)議具有以下特點：
①網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大，分布范圍廣，對網(wǎng)絡(luò)節(jié)能性要求高。地震監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布范圍非常廣，而且地形環(huán)境復(fù)雜，節(jié)點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(jié)點應(yīng)盡量減少能量消耗，以延長自身的壽命，能源的高效使用成為路由協(xié)議設(shè)計的首要目標(biāo)。
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(yù)測的，因此傳統(tǒng)的時間周期性傳遞監(jiān)測數(shù)據(jù)的路由協(xié)議不太合適，這里需要的是事件驅(qū)動型傳感器網(wǎng)絡(luò)。地震未發(fā)生時，只需要周期性地傳輸少量的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)健康狀況數(shù)據(jù)，只有地震發(fā)生時才需要傳輸大量的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。同時地震發(fā)生時，監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸對及時性、可靠性有一定的要求，大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)需要及時、可靠地傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。
③地震監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點會由于能量耗盡或地震破壞等環(huán)境因素造成失效減少，或者也會補充一些傳感器節(jié)點來彌補失效節(jié)點、增加監(jiān)測精度等，從而使網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨之也動態(tài)變化。這就要求無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有較強的自組織性，能夠適應(yīng)這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動態(tài)變化。

2 地震監(jiān)測環(huán)境下的路由協(xié)議設(shè)計
為滿足地震監(jiān)測的應(yīng)用需求，本文汲取現(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的優(yōu)點，提出了一種適合于地震監(jiān)測的路由協(xié)議EEECRP，稱之為能量高效的事件驅(qū)動型分簇路由協(xié)議。
2．1 協(xié)議描述
(1)簇的劃分
由于地震監(jiān)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(jié)構(gòu)。為了獲得較好的簇，采用集中式分簇的方法劃分簇，簇內(nèi)成員節(jié)點與簇首之間采用“一跳”通信的方式傳輸數(shù)據(jù)，簇首到Sink節(jié)點的傳輸則采用“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(shè)計協(xié)議間隔相當(dāng)長的時間(比如半年、一年)才集中式劃分一次簇，其他時間則采用異步更換簇首的方法均衡節(jié)點能量的消耗。關(guān)于異步更換簇首的細(xì)節(jié)問題在后邊介紹。
(2)簇首骨干網(wǎng)的構(gòu)造
地震監(jiān)測數(shù)據(jù)最終通過簇首“多跳”轉(zhuǎn)發(fā)給Sink節(jié)點，因此網(wǎng)絡(luò)中的簇首節(jié)點形成主干鏈路網(wǎng)絡(luò)。為了保證地震發(fā)生時監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠和及時傳輸，在簇首節(jié)點主干鏈路形成時，采用基于最小跳數(shù)的路由算法，為每個簇首建立路由線路。具體算法步驟如下：
①所有簇首節(jié)點設(shè)置其父節(jié)點FATHER_ID=0，并設(shè)置其到達(dá)Sink節(jié)點的最小跳數(shù)Min_hop=0；
②由Sink節(jié)點向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)以洪泛方式廣播最小跳數(shù)場構(gòu)建消息Hop_Msg。Hop_Msg由構(gòu)建消息標(biāo)識、發(fā)送節(jié)點ID和發(fā)送節(jié)點的最小跳數(shù)Min_hop加1組成；
③收到Hop_Msg信息的簇首節(jié)點，設(shè)置其FA-THER_ID=Sink及到達(dá)Sink節(jié)點的最小跳數(shù)Min_hop=1，同時更新Hop_Msg消息中的的Min_hop和FA-THER_ID，繼續(xù)向鄰居節(jié)點廣播；
④網(wǎng)絡(luò)中收到Hop_Msg消息的簇首節(jié)點，檢查該消息中最小跳數(shù)Min_hop是否小于自身的最小跳數(shù)Min_hop，如果是，則更新自身的父節(jié)點FATHER_ID和最小跳數(shù)Min_hop，并將該Hop_Msg消息的最小跳數(shù)Min_hop和父節(jié)點FATHER_ID更新，繼續(xù)向鄰居節(jié)點廣播，否則將不予處理；
⑤重復(fù)步驟④，直到網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點都擁有自己的父節(jié)點FATHER_ID和到Sink節(jié)點的最小跳數(shù)Min_hop。算法流程圖如圖1所示。

構(gòu)建完成后，網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點都將擁有自己的最小跳數(shù)Min_hop和父節(jié)點FATHER_ID，形成了簇首節(jié)點的最小跳數(shù)場，構(gòu)建起了簇首節(jié)點的骨干網(wǎng)路由。