無線傳感器網(wǎng)絡(luò)帶狀拓?fù)渎酚裳芯颗c應(yīng)用

0 引言
無線傳感器網(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。如今，由美國軍方資助的學(xué)術(shù)研究機(jī)構(gòu)、跨國公司和全球最大的IT供應(yīng)商們均已將傳感器網(wǎng)絡(luò)列入研發(fā)計(jì)劃并積極開展。隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的深入研究和廣泛應(yīng)用，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將逐漸深入到人類生活的各個(gè)領(lǐng)域。

無線傳感器網(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)帶狀的帶狀路由協(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)相對節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性來講，擴(kuò)展性問題并不十分突出；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)性較弱甚至沒有，主要問題變?yōu)槿绾窝娱L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)的變化等問題。

帶狀拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)，如圖1，網(wǎng)絡(luò)呈樹型鏈狀結(jié)構(gòu)，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(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)也可稱為無簇頭的分級網(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)。

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]。

其中，包類型：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)過的跳段數(shù)；廣播ID：由源節(jié)點(diǎn)維護(hù)的序列號，用于唯一標(biāo)識RREQ包。

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；路由過期時(shí)間：路由不再有效的時(shí)間點(diǎn)。
按照建立路由過程中不同節(jié)點(diǎn)的作用，路由建立過程如下：
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和源地址序列對唯一標(biāo)識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。