无线传感器跨层路由机制设计分析

摘　要：摘要：在无线传感器网络中，路由协议不仅关系单个节点的能量消耗，更关系整个网络的能量的均衡消耗，降低消耗才能延长整个网络的生存期。因此，在无线传感器网络体系结构中，网络层的路由技术对无线传感器网络的生命周期至关重要。同时，无线传感器网络的特点是以数据为中心，这在路由协议中的表现最为突出。选择路径可以不用根据节点的编址，更多的是根据感兴趣的数据建立数据源到汇聚节点之间的转发路径。

关键词：关键词：无线传感器；跨层；协议

中图分类号：TP302.1    文献标识码：A     文章编号：
1.前言
　 在无线传感器网络中，传感器的移动、传感器故障和信道变化导致频繁的路径失效。当路径失效时，往往需要立即启动路径修复和重新路由来寻找一条可用路径。否则会引发数据包的大量丢失和时延的迅速增长。尽管在路由协议设计方面已经有很多研究成果，但这些协议和算法并不适用于大规模的动态无线传感器网络。主要的原因在于：（1）鲁棒性不高，个别节点失败就会导致路径失败，需要频繁的路径维护和重建；（2）收敛时间长，重新路由往往需要在全网范围内寻找新的路径，造成网络状态不稳定；（3）控制开销太大，往往引发控制分组泛洪，占用过多带宽，同时消耗过多能量，对于大规模无线传感器网络来说问题尤为突出。设计并实现具备快速反应、鲁棒性和低控制开销这些特性的路由协议对于动态无线传感器网络来说尤为迫切，同时对于大规模无线传感器网络来说也十分具有挑战性。
2.跨层路径分析
　 当路径上的一跳失效时，利用无线传输的广播特性，通过分集技术可以通过局部的协作自适应地修复失效链路。要充分发挥分集技术的优势，需要协调失效链路周围的传感器，避免传感器间的传输冲突，选择最佳的修复路径。从而降低带宽和能量的浪费，快速恢复消息投递。因此提出通过传感器节点间的相互协作，结合MAC 机制和路由协议的跨层设计是有效的解决方案。当路径失效时，MAC 协议和路由协议的跨层设计能够降低甚至避免由于路由修复或重路由引发的性能下降等效应。
　 无线传输具有广播特性。当一个传感器发送数据给下一跳传感器节点时，发送传感器的所有邻居传感器节点都可以接收到信号。这种特性，被称之为无线广播优势（Wireless Broadcast Advantage），可以被用来提高传输的可靠性。接收到发送节点的分组的所有邻居节点都可以作为接收节点的缓存节点。下一跳传感器节点可以从任何一个缓存节点获取数据分组。
　 如图1-1所示，假设传感器1 试图通过路径1-3-5传递分组给传感器5。当1 向3 发送分组时，2 和6 可能（考虑到链路丢包）会同时也接收到这一分组。通过合理利用这种特性，2、4 和6 之间的协作可以提高路由的鲁棒性和能效。当1 和3 之间的链路失败时，3 不能接收到来自1 的分组。分层方法需要在链路1-3 上进行多次重传，然后报告链路失败给网络层，再启动路由修复。而利用无线广播优势，替代链路2-4 或者6-5 可以主动代替链路3-5 完成分组传递，实现快速局部修复，避免数据丢失和降低由于链路失败引起的额外延迟。同时，从1 到5 的总传输次数仍然维持在2 次，大大少于重传机制所需要的传输次数。这种方法使得分组实际上在一个区域内传递，而区域内的所有传感器合作将分组传递到目的地。有别于每一跳只有一个中继传感器的路由协议，在区域路由中，每一跳有多个中继传感器，形成了一条粗路径。这种方法的理论依据在于同时使用多条链路传输的成功率要高于使用单条链路的成功率。
 
　 　 　 　 图1-1 无线传感器路由架构
　 发送传感器和接收传感器之间有多个有助于提高传输可靠性的中继传感器。如果盲目使用这些传感器反而会引起区域内冲突。因此，要充分发挥无线广播优势在路由中的作用，需要协调这些传感器的传输，并选择一条最佳的替代路径。这时，结合MAC 协议和路由选择的跨层设计具有显著的优势[3]。跨层设计能够减少协议中的握手次数，迅速做出路由决策。还能将具有最好链路质量的传感器作为最优先选择对象，从而避免传感器节点间的传输冲突。并且，结合MAC协议和路由协议的跨层设计可以根据网络拓扑的改变自适应地调整路由区域，将路径失效的影响控制在较小的范围。
3.跨层节能优化的解决方案
　 随着对无线传感器网络跨层设计方法的深入研究，以及能耗对无线传感器网络起着至关重要的作用，许多基于跨层设计的节能算法被相继提出。只有当构建任务的状态是wait时，这个任务才能开始执行构建活动。这时，构建任务的状态为begin，即清理构建环境。根据构建任务提交者的信息，设置构建工具的配置文件，创建该构建任务数据的存放目录，并下载构建工具准备搭建新的构建环境。接着，服务器开始下载构建项目对应版本的代码压缩包，构建任务的状态为downloading。解压缩下载的压缩包，构建任务的状态为uncompressing。下载指定的修改文件并替换项目代码中的同名文件，此时构建任务的状态为extracting。构建任务的状态从begin到extracting，都是在进行构建环境的搭建，并未开始构建项目。构建环境搭建完成之后，构建任务进入building状态，开始构建项目。等到项目构建完成，构建任务的状态可能是complete或者failed。如果构建任务的状态是complete，说明构建任务成功完成，没有发生系统错误，项目的所有组件也都顺利通过构建，没有发生任务错误。
　 针对固定的侦听/睡眠调度机制引起的不必要的空闲侦听所造成的额外的延迟和能量浪费，提出了一种带有自适应侦听/休眠机制的低延迟、高能效的MAC协议，命名为ALLEE-MAC，并利用该MAC协议选取恰当的路由。在这个协议中，两种新的调度机制被引入，一种是持续数据传送调度，另一种是早睡调度。在ALLEE-MAC中，当流量较小时，节点发送数据与在SMAC中一样。随着流量负载的增加，越来越多的包在接口队列中被排列。当侦听周期SYNC帧开始时，每个节点将检查接口队列的长度，当到达门限值时，持续数据传送调度模型就被触发，节点会创建一个临时缓存用于包的重新排列，并一次从队列中获取其中的一些包进行发送。持续数据传送打破了原有的包的序列，使其在当前循环窗口中尽可能的发送更多的包，从而降低了延迟。早睡调度的目的就是减少由于固定的侦听/休眠周期而引起的能量浪费。在ALLEE-MAC中，节点通过SYNC包周期性的广播它的调度，SYNC包中有 dataToTx参数告知它的邻居在当前循环中是否有包需要传送。路由层再根据MAC层的早睡调度信息选择相应的路由。这种算法虽然降低了延迟，减少了能量消耗，并引入了跨层架构。但是它的跨层交互依然较少，依然有较大的改进空间。
4.结束语
　 提出一种MAC层和网络层的跨层路由机制，它针对DSR、DSDV等一般的自组网路由协议不适用于存储容量和计算能力都受限的传感器节点的问题以及由于动态交错休眠会引起较大延迟并对路由发现的过程造成困难，提出利用一种按层逐步扩散的方法来完成节点休眠和协调监听。其中同步包包括了网络的拓扑信息，然后进行逐层扩散，这样就为路由层提供了必要的同步信息，从而降低了网络延迟，提高了吞吐量，增加了节点的睡眠时间。不过这种方法所采取的逐层扩散机制也相应增加了一定的系统开销。
参考文献：
[1]尹露娟;苑津莎;一种基于跨层机制的中继选择策略及实现[J];电力系统通信;2009年11期
[2]洪路峰;杨晓非;刘占军;;基于中断概率的协作伙伴选择策略[J];广东通信技术;2010年02期
[3]尹露娟;陈智雄;苑津莎;;基于译码前传的跨层中继选择策略研究[J];华北电力大学学报(自然科学版);2010年03期
[4]韩维稼;陈前斌;唐伦;;基于瞬时信道状态信息的串行多中继选择方法[J];计算机应用研究;2010年06期
[5]季一木;宗平;陈超;;基于机会性中继的加权协同路由算法[J];系统工程与电子技术;2009年11期
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