WSNs可靠路由协议在GAINZ平台实现的研究

胡须

摘 要

针对无线传感器网络数据传输可靠性的问题，本文提出了一种可靠性路由协议RANC，在GAINZ实验平台上实现RANC拓扑搭建，给出了节点组网具体过程，实现可靠路由的最佳通信路径选择。

【关键词】无线传感器网络RANC GAINZ可靠性

1 引言

无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSNs）是由多个微型传感器节点面向任务以自组织方式构成的网络，WSNs由多个微型传感器节点通过自组织方式构成，其自组织性和容错能力使它非常适合在特殊时刻和环境中应用。WSNs一般部署在面积广阔且复杂恶劣的环境中，传感器节点资源受限，自然环境损毁和能量耗尽将导致节点失效，对实际应用产生巨大隐患。这些隐患决定了路由协议在WSNs研究中的重要性。为了保证WSNs能够正常通信，必须保证路由在全连通的基础上进行数据传输信息。本文首先介绍了一种可靠性路由协议RANC算法（Routing Algorithm Based on Node Credibility），在此算法基础上，在GAINZ平台实验环境实现WSNs真实的网络拓扑。

2 RANC协议简介

本节介绍的RANC路由协议综合了链路质量、传感器节点能量、储存空间等对路由可靠性的影响，通过可信度数学模型的构建实现网络路径的调整，达到延长网络生命期的目的。

WSNs中节点可信度（Node Credibility，NC）的数学模型表示为：

（1）

式（1）中，Ere（j）为j的剩余能量，d（j，sink）为节点j到基站的距离，LQ（i，j）为（i，j）的链路质量，TC（j）为节点j的转发能力。节点的转发能力与节点缓存占用率BO和拥塞因子CF有关，转发能力的数学表达式可表示为：

（2）

通过式（1）、（2）可以得出节点可靠性数学模型：

（3）

式（3）可以看出节点可靠性与传感节点剩余能量Ere（j）、节点缓存占用率BO（j）、链路质量LQ（i，j）、拥塞因子CF（j）正相关，与节点到基站的距离负相关。因此，在实验过程中可以选择节点剩余能量多的、节点缓存占用率高的、链路质量优并且与目的节点距离小的节点作为通信节点，使路由数据传输工作更为可靠。

3 RANC协议在GAINZ平台实现方案

GAINZ平台硬件由微处理器，射频芯片以及外围设备组成，是一款WSNs硬件开发平台，传感器节点在AVR单片机基础上进行设计。基于GAINZ实验平台上，实现RANC路由协议搭建的网络结构。

3.1 拓扑搭建过程

协调器节点组网过程的具体伪码如下所示：

协调器节点组网算法

确定网络环境，设定自身网络ID

令N=0；

whlie收到节点请求

if N

N+1，将该节点IP、能量信息等加入邻居列表，并向请求节点发送加入回复信息

else if N>Nmax

将加入请求信息删除

end if

end

3.2 RANC拓扑实现

在实验环境，硬件环境由20个GAINZ节点，USB电子狗和PC机组成。软件环境分为两部分，一部分为由C语言编写的测试程序；另一部分是在运行的Zigbee分析仪。

图1为 GAINZ平台上的原始拓扑图，通过RANC算法，通过择优选择路由，选择最佳通信路径，提升路由数据传输的可靠性，如图2所示。

4 结语

本文针对WSNs网络中路由选择问题，介绍了RANC路由协议优化网络的通信路径。给出了RANC协议的网络拓扑搭建过程，并且在GAINZ平台上的实现RANC拓扑。通过优化网络通信路径，达到延长网络生命期。

参考文献

[1]李凌晶.能量有效的无线传感器网络路由协议研究[D].南京：南京邮电大学学位论文，2012：6-9.

[2]韩旭，刘迎新，文正江.无线传感器网络路由协议研究[J].中国仪器仪表，2012，9：27-31.

[3]孙佩刚，赵海，罗玎玎等.无线传感器网络链路通信质量测量研究[J].通信学报，2007，28（10）：14-22.

[4]于海滨，曾鹏，王忠峰等.分布式无线传感器网络通信协议研究[J].通信学报，2004，25（10）：102-110.

作者单位

东华计量测试研究院 江西省南昌市 330029

摘 要

针对无线传感器网络数据传输可靠性的问题，本文提出了一种可靠性路由协议RANC，在GAINZ实验平台上实现RANC拓扑搭建，给出了节点组网具体过程，实现可靠路由的最佳通信路径选择。

【关键词】无线传感器网络RANC GAINZ可靠性

1 引言

无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSNs）是由多个微型传感器节点面向任务以自组织方式构成的网络，WSNs由多个微型传感器节点通过自组织方式构成，其自组织性和容错能力使它非常适合在特殊时刻和环境中应用。WSNs一般部署在面积广阔且复杂恶劣的环境中，传感器节点资源受限，自然环境损毁和能量耗尽将导致节点失效，对实际应用产生巨大隐患。这些隐患决定了路由协议在WSNs研究中的重要性。为了保证WSNs能够正常通信，必须保证路由在全连通的基础上进行数据传输信息。本文首先介绍了一种可靠性路由协议RANC算法（Routing Algorithm Based on Node Credibility），在此算法基础上，在GAINZ平台实验环境实现WSNs真实的网络拓扑。

2 RANC协议简介

本节介绍的RANC路由协议综合了链路质量、传感器节点能量、储存空间等对路由可靠性的影响，通过可信度数学模型的构建实现网络路径的调整，达到延长网络生命期的目的。

WSNs中节点可信度（Node Credibility，NC）的数学模型表示为：

（1）

式（1）中，Ere（j）为j的剩余能量，d（j，sink）为节点j到基站的距离，LQ（i，j）为（i，j）的链路质量，TC（j）为节点j的转发能力。节点的转发能力与节点缓存占用率BO和拥塞因子CF有关，转发能力的数学表达式可表示为：

（2）

通过式（1）、（2）可以得出节点可靠性数学模型：

（3）

式（3）可以看出节点可靠性与传感节点剩余能量Ere（j）、节点缓存占用率BO（j）、链路质量LQ（i，j）、拥塞因子CF（j）正相关，与节点到基站的距离负相关。因此，在实验过程中可以选择节点剩余能量多的、节点缓存占用率高的、链路质量优并且与目的节点距离小的节点作为通信节点，使路由数据传输工作更为可靠。

3 RANC协议在GAINZ平台实现方案

GAINZ平台硬件由微处理器，射频芯片以及外围设备组成，是一款WSNs硬件开发平台，传感器节点在AVR单片机基础上进行设计。基于GAINZ实验平台上，实现RANC路由协议搭建的网络结构。

3.1 拓扑搭建过程

协调器节点组网过程的具体伪码如下所示：

协调器节点组网算法

确定网络环境，设定自身网络ID

令N=0；

whlie收到节点请求

if N

N+1，将该节点IP、能量信息等加入邻居列表，并向请求节点发送加入回复信息

else if N>Nmax

将加入请求信息删除

end if

end

3.2 RANC拓扑实现

在实验环境，硬件环境由20个GAINZ节点，USB电子狗和PC机组成。软件环境分为两部分，一部分为由C语言编写的测试程序；另一部分是在运行的Zigbee分析仪。

图1为 GAINZ平台上的原始拓扑图，通过RANC算法，通过择优选择路由，选择最佳通信路径，提升路由数据传输的可靠性，如图2所示。

4 结语

本文针对WSNs网络中路由选择问题，介绍了RANC路由协议优化网络的通信路径。给出了RANC协议的网络拓扑搭建过程，并且在GAINZ平台上的实现RANC拓扑。通过优化网络通信路径，达到延长网络生命期。

参考文献

[1]李凌晶.能量有效的无线传感器网络路由协议研究[D].南京：南京邮电大学学位论文，2012：6-9.

[2]韩旭，刘迎新，文正江.无线传感器网络路由协议研究[J].中国仪器仪表，2012，9：27-31.

[3]孙佩刚，赵海，罗玎玎等.无线传感器网络链路通信质量测量研究[J].通信学报，2007，28（10）：14-22.

[4]于海滨，曾鹏，王忠峰等.分布式无线传感器网络通信协议研究[J].通信学报，2004，25（10）：102-110.

作者单位

东华计量测试研究院 江西省南昌市 330029

摘 要

针对无线传感器网络数据传输可靠性的问题，本文提出了一种可靠性路由协议RANC，在GAINZ实验平台上实现RANC拓扑搭建，给出了节点组网具体过程，实现可靠路由的最佳通信路径选择。

【关键词】无线传感器网络RANC GAINZ可靠性

1 引言

无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSNs）是由多个微型传感器节点面向任务以自组织方式构成的网络，WSNs由多个微型传感器节点通过自组织方式构成，其自组织性和容错能力使它非常适合在特殊时刻和环境中应用。WSNs一般部署在面积广阔且复杂恶劣的环境中，传感器节点资源受限，自然环境损毁和能量耗尽将导致节点失效，对实际应用产生巨大隐患。这些隐患决定了路由协议在WSNs研究中的重要性。为了保证WSNs能够正常通信，必须保证路由在全连通的基础上进行数据传输信息。本文首先介绍了一种可靠性路由协议RANC算法（Routing Algorithm Based on Node Credibility），在此算法基础上，在GAINZ平台实验环境实现WSNs真实的网络拓扑。

2 RANC协议简介

本节介绍的RANC路由协议综合了链路质量、传感器节点能量、储存空间等对路由可靠性的影响，通过可信度数学模型的构建实现网络路径的调整，达到延长网络生命期的目的。

WSNs中节点可信度（Node Credibility，NC）的数学模型表示为：

（1）

式（1）中，Ere（j）为j的剩余能量，d（j，sink）为节点j到基站的距离，LQ（i，j）为（i，j）的链路质量，TC（j）为节点j的转发能力。节点的转发能力与节点缓存占用率BO和拥塞因子CF有关，转发能力的数学表达式可表示为：

（2）

通过式（1）、（2）可以得出节点可靠性数学模型：

（3）

式（3）可以看出节点可靠性与传感节点剩余能量Ere（j）、节点缓存占用率BO（j）、链路质量LQ（i，j）、拥塞因子CF（j）正相关，与节点到基站的距离负相关。因此，在实验过程中可以选择节点剩余能量多的、节点缓存占用率高的、链路质量优并且与目的节点距离小的节点作为通信节点，使路由数据传输工作更为可靠。

3 RANC协议在GAINZ平台实现方案

GAINZ平台硬件由微处理器，射频芯片以及外围设备组成，是一款WSNs硬件开发平台，传感器节点在AVR单片机基础上进行设计。基于GAINZ实验平台上，实现RANC路由协议搭建的网络结构。

3.1 拓扑搭建过程

协调器节点组网过程的具体伪码如下所示：

协调器节点组网算法

确定网络环境，设定自身网络ID

令N=0；

whlie收到节点请求

if N

N+1，将该节点IP、能量信息等加入邻居列表，并向请求节点发送加入回复信息

else if N>Nmax

将加入请求信息删除

end if

end

3.2 RANC拓扑实现

在实验环境，硬件环境由20个GAINZ节点，USB电子狗和PC机组成。软件环境分为两部分，一部分为由C语言编写的测试程序；另一部分是在运行的Zigbee分析仪。

图1为 GAINZ平台上的原始拓扑图，通过RANC算法，通过择优选择路由，选择最佳通信路径，提升路由数据传输的可靠性，如图2所示。

4 结语

本文针对WSNs网络中路由选择问题，介绍了RANC路由协议优化网络的通信路径。给出了RANC协议的网络拓扑搭建过程，并且在GAINZ平台上的实现RANC拓扑。通过优化网络通信路径，达到延长网络生命期。

参考文献

[1]李凌晶.能量有效的无线传感器网络路由协议研究[D].南京：南京邮电大学学位论文，2012：6-9.

[2]韩旭，刘迎新，文正江.无线传感器网络路由协议研究[J].中国仪器仪表，2012，9：27-31.

[3]孙佩刚，赵海，罗玎玎等.无线传感器网络链路通信质量测量研究[J].通信学报，2007，28（10）：14-22.

[4]于海滨，曾鹏，王忠峰等.分布式无线传感器网络通信协议研究[J].通信学报，2004，25（10）：102-110.

作者单位

东华计量测试研究院 江西省南昌市 330029