无线传感器网络路由协议的设计与实现

张 瑾，刘会芳

（武警山西省总队通信大队，太原 030012）

0 引言

传统的传感器节点通常用于测量诸如温度、压力、湿度等标量物理量，但较新版本的无线多媒体传感器网络（Wireless Multi Sensor Network，WMSN）[1，2]却能够传输诸如音频流、静止图像、视频等一系列多媒体数据。通常，WMSN是由在网络边缘具有一个或若干个接收器的传感器节点所组成，这些接收器可以放置在室内或室外环境中，目前，WMSN已经被广泛应用于建筑物监测、工厂管理、生物种群或野生生物监测和跟踪等多个领域。一方面，WMSN是一种自配置网络，在配置路由路径、电源管理、感知事件、周期性数据采集、数据传输过程中不需要用户接口；另一方面，WMSN要求高可靠性、高数据速率和低计算能力，并具有便携性。然而，这些相互冲突和矛盾的需求显然需要优化，并导致了对服务质量QoS的限制和传感器寿命的缩短。从硬件组件的物理特性来看，WMSN参数的冲突几乎不可能解决，但在能量消耗和QoS之间的最优平衡却是可以实现的。传感器节点的功耗主要由无线收发器和数据计算处理两部分组成。由于数字信号处理器的存在，收发器消耗放大器、模数转换器等模拟器件的高功率，而数据处理部分仅消耗少量的功率。在后者的基础上，QoS是衡量传输延迟的一个重要指标，可以用于纠正在接收器节点接收到的数据包[3-9]。

WMSN路由协议更注重QoS[10]，它支持满足端到端延迟并提供能量效率的流媒体[11]。

无线自组网按需平面距离向量路由协议（Ad hoc on-demand distance vector routing protocol，AODV）[12]使用了两种路由技术：路由发现和路由维护，并使用了三种控制信号：路由请求（Route Request，RREQ）、路由应答（Route Reply，RREP）和路由错误（Route Error，RERR）。当源结点开始向目标节点发送数据时且没有发现有效路径时，路由发现技术将会起作用，源结点将通过向邻居结点发送路由请求RREQ数据包来开始路由发现步骤，这些数据包将被转发给邻居结点，直到到达目标结点或找到具有到达目标结点的新路由路径的中间结点。中间结点通过转发RREQ的过程，在路由表中记录广播包的第一副本中邻居结点的地址，并建立反向路径，随后源节点将忽略稍后接收到的任何RREQ数据包。使用反向路径将RREP数据包进行返回，并在此路径中结点的路由表中设置转发路由条目，该路由条目将在收到REEP后启动。

AODV中的路由维护将在连接失败时使用RERR包。RERR从连接到相应路由源结点连接失败的瞬间开始，通知源节点连接失败，并启动RREQ进程加以修复。

动态按需无线自组织网络（Dynamic MANET On-demand，DYMO）[13]路由协议主要用于VANETs。DYMO的作用类似于AODV，且对于AODV协议没有任何额外的特性或增强。相比较而言，DYMO协议简化了AODV，同时保留了基本的操作步骤。DYMO包括两个协议步骤：路由发现和路由维护。当源结点要将数据包发送到一个不在其路由表内的目标结点时，DYMO的路由发现将会发挥作用。当路由请求消息通过广播被淹没于传感器网络中，且当数据包到达目标结点时，将返回一条回复消息，其中包含发现的路径信息。

贪婪周边无状态路由无线网络（Greedy Perimeter Stateless Routing for Wireless Networks，GPSR）[14，15]使 用 结 点 的 位 置和分组转发决策，并被用于MANETs。与其他协议不同的是，GPSR协议仅利用网络拓扑中路由器近邻的信息进行贪婪转发决策，且基于地理位置路由加以工作。GPSR协议中的每个结点都知道自己的位置和直接的单跳邻居结点位置，并在每个包中包含目标节点的地理位置信息。传感器结点使用贪婪转发技术将数据包发送到距离目标结点最近的近邻结点。如果传感器结点无法使用贪婪转发将数据包发送到其靠近目的地的直接结点，则GPSR将使用周界转发。周界转发将数据包绕洞路由，直到它到达距离目标最近的结点，贪婪转发再次接管路由。

然而，AODV，DYMO和GPSR三种路由协议均存在一定的设计不足。在此背景下，本文提出一种基于贪婪转发的能量感知多路径路由协议（Greedy Forward Energy-aware Multipath Routing Protocol，GFEMRP），该协议能够有效地克服上述三种路由协议的不足，具有良好的端到端时延、丢包率等性能。

1 基于贪婪转发的能量感知多路径路由协议

GFEMRP协议主要设计思路包括可靠路由和数据路由的负载均衡，从而实现提升网络生存期，并减少整个网络中最常用传感器节点的数据排队时间。经典的贪婪转发协议通常使用相同的路由路径，但这会导致能量耗尽和一些结点的关闭，此外，较为复杂的过程也会造成显著的端到端延迟。在GFEMRP协议中，多媒体流通过不同的路径加以发送。在每个转发结点上，基于以下信息决定如何将数据发送到邻居结点并建立连接：

（1）GFEMRP是一种地理路由协议，每个结点均知道自己的地理坐标和邻居结点。

（2）转发结点到目的结点的距离。

（3）转发结点及其邻居结点的吞吐量。

（4）结点处的剩余能级。

（5）数据包访问的跃点数。

（6）邻居结点与目的结点间的距离。

（7）属于同一流的转发包的历史记录。

（8）传感器结点的速度。

GFEMRP路由协议首先基于使用吞吐量的初始值选择最短路径，并假设所有结点的吞吐量初始值均相等。通常情况下，这个初始值是一个最小值，随后将计算得出一个新的吞吐量值，用于替换初始值。传感器结点中的吞吐量将使用信标消息与邻居结点进行交换。起初，转发结点将检查邻居结点到目的结点的距离是否小于自身到目的节点的距离，若小于则检查结点吞吐量，并将其作为最佳值；其次，将在整个网络中存储结点的地址、结点到目的结点的距离及对应的吞吐量值；最后，将选择吞吐量大、距离较短的结点作为下一跳结点。对应地，信标信息将对传感器结点使用新的吞吐量值和其他信息不断加以更新，其中信标信息的间隔时间将基于传感器结点的速度加以变化。显然，转发结点能够确定下一跳选择过程中的局部最优，GFEMRP协议的执行流程图如图1所示。

图1 GFEMRP协议流程

然而，在某些情况下，转发结点无法找到下一跳结点，即路由路径中出现了网络黑洞，主要有两个原因：静态黑洞主要源于结点所处的结构位置；动态黑洞则是由于能量泄漏导致传感器结点关闭时而产生的。如果无线电发射机区域中有工作结点，则GFEMRP能够对黑洞加以处理并能够使用新的路由路径。当转发结点在贪婪转发中找不到下一跳时，将使用周边转发。以图2为例，转发结点NF查找路由路径中的黑洞，而周长转发用于根据结点的条件将数据转发到Nx1或Ny1，最后一步是GFEMRP将使用贪婪转发模式查找到下一跳结点。

图2 周边转发流程

2 实验结果与分析

为了验证本文所提出的协议的有效性，本节将GFEMRP协议与AODV、DYMO和GPSR三种路由协议进行了比较。仿真场景为1500×500m的区域，并发送20kbps多媒体数据的均匀WMSN网络，传感区域边缘分别有两个源结点和一个目的结点，并使用OMNET++ 5.0和INET框架对协议进行了仿真，详细的仿真参数如表1所示。在移动速度为5、10、15、20m/s的55个传感器结点场景下，对GFEMRP协议在不同流量条件下的有效性进行了仿真实验。

表1 仿真参数

（1）端到端延迟（End-to-End Delay，E2ED）：使用图2所示的多路径传输拓扑可以有效减少E2ED。从图3所示的仿真结果不难看出，在传感器结点的介质密度中，GFEMRP表现出最佳的延迟特性，这是因为路径是基于最短路径和最高吞吐量的邻居结点来选择的；AODV和DYMO路由技术相似，源结点需要发送路由请求并等待，只有在收到RREP后才可以发送数据；GPSR仅使用了最短路径，但由于数据包需要在相邻结点的缓冲区排队，因此最短路径并非总能提供最快路由。因此，基于结点的可用性，GFEMRP协议为多媒体数据实时传输或非延迟容忍业务提供了一条特殊的传输路径。

图3 端到端延迟实验结果

（2）丢包率（Packet Loss Radio，PLR）：PLR是定义WMSN路由协议性能的另一个参数，实验结果如图4所示。与GPSR协议相比，GFEMRP协议在中密度网络中显示出更好的性能；由于移动性造成了源节点位置的改变，导致AODV协议和DYMO协议的仿真结果出现了很高的丢包率。总体来说，与其他协议相比，GFEMRP协议在延迟和包错误率方面均给出了最好的结果，满足了多媒体数据传输的要求，尤其是在具有硬时延约束的应用领域。包错误率的差异主要源于每个协议中使用了不同的路由技术。需要指出的是，GFEMRP协议需要一个预热期来计算吞吐量，在此期间，默认吞吐量将被假定为最小值。由实验结果得到的最高吞吐量值不会超过物理层数据速率的60%。

图4 丢包率实验结果

3 结束语

WMSN应用程序在许多智能应用程序中得到了广泛地部署和使用，WMSN中的路由协议设计。日益面临新的挑战。本文对GFEMRP、GPSR、AODV、DYMO四种路由协议的性能进行了分析与比较。实验结果表明，与其他协议相比，GFEMRP协议具有较好的整体性能，能够满足WMSN的应用需求。