地震監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究

摘要：針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在地震監(jiān)測(cè)應(yīng)用中的路由需求，汲取現(xiàn)有無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種適合于地震監(jiān)測(cè)的無(wú)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(dòng)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(shí)時(shí)性好，能有效延長(zhǎng)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；地震監(jiān)測(cè)；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(cè)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(guó)內(nèi)外的地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)仍處于初級(jí)階段，不能滿足地震預(yù)警的要求，存在漏報(bào)、誤報(bào)、遲報(bào)現(xiàn)象，例如監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)密度低、監(jiān)測(cè)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(wú)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(duì)于傳統(tǒng)的有線和其他無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，無(wú)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(dú)立電源供電、無(wú)人值守等特點(diǎn)，能夠很好地滿足地震監(jiān)測(cè)的要求。
地震監(jiān)測(cè)過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸離不開(kāi)路由協(xié)議，路由協(xié)議的研究是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信層的一個(gè)核心技術(shù)，本文結(jié)合地震監(jiān)測(cè)的具體應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)出一種適合地震監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。

1 無(wú)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(wú)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(gè)最小跳數(shù)場(chǎng)，在最小跳數(shù)場(chǎng)內(nèi)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有到基站(Sink節(jié)點(diǎn))的最小跳數(shù)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送消息時(shí)，它按序選擇自己的父節(jié)點(diǎn)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(shí)延而倍受關(guān)注。但在該協(xié)議中，傳輸數(shù)據(jù)時(shí)有很大的重復(fù)性，同時(shí)它未考慮節(jié)點(diǎn)在監(jiān)聽(tīng)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(gè)分簇路由協(xié)議，在每個(gè)數(shù)據(jù)收集周期開(kāi)始，一小部分節(jié)點(diǎn)隨機(jī)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(guò)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(diǎn)都能直接與簇首以及基站通信，在需要監(jiān)測(cè)范圍大的應(yīng)用中不適用；而且它僅僅以節(jié)點(diǎn)的剩余能量多少選擇簇首，形成的簇并不是最優(yōu)的。后來(lái)，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(gè)節(jié)點(diǎn)都需要向基站周期性地報(bào)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(shí)間延遲等。
TEEN(Threshold-Sensitive Energy Efficient Sensor Network Protocol)是第一個(gè)響應(yīng)型的無(wú)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(gè)閥值，只有當(dāng)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)超過(guò)硬閾值并且監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化幅度大于軟閾值時(shí)，節(jié)點(diǎn)才會(huì)傳送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。這樣可以大大減少節(jié)點(diǎn)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(gè)缺陷，如果閥值不能達(dá)到，節(jié)點(diǎn)就不會(huì)傳輸任何數(shù)據(jù)，導(dǎo)致用戶在某段時(shí)間不知道節(jié)點(diǎn)是否死亡。
1．2 地震監(jiān)測(cè)環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)路由需求
地震監(jiān)測(cè)中的路由協(xié)議具有以下特點(diǎn)：
①網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大，分布范圍廣，對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)能性要求高。地震監(jiān)測(cè)的無(wú)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(diǎn)電池的更換或能量的補(bǔ)給幾乎是不可能的，因此網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)應(yīng)盡量減少能量消耗，以延長(zhǎng)自身的壽命，能源的高效使用成為路由協(xié)議設(shè)計(jì)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(jī)性，是不可預(yù)測(cè)的，因此傳統(tǒng)的時(shí)間周期性傳遞監(jiān)測(cè)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(dòng)型傳感器網(wǎng)絡(luò)。地震未發(fā)生時(shí)，只需要周期性地傳輸少量的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)健康狀況數(shù)據(jù)，只有地震發(fā)生時(shí)才需要傳輸大量的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。同時(shí)地震發(fā)生時(shí)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸對(duì)及時(shí)性、可靠性有一定的要求，大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)需要及時(shí)、可靠地傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。
③地震監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)會(huì)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(huì)補(bǔ)充一些傳感器節(jié)點(diǎn)來(lái)彌補(bǔ)失效節(jié)點(diǎn)、增加監(jiān)測(cè)精度等，從而使網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨之也動(dòng)態(tài)變化。這就要求無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)有較強(qiáng)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(dòng)態(tài)變化。

2 地震監(jiān)測(cè)環(huán)境下的路由協(xié)議設(shè)計(jì)
為滿足地震監(jiān)測(cè)的應(yīng)用需求，本文汲取現(xiàn)有無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種適合于地震監(jiān)測(cè)的路由協(xié)議EEECRP，稱之為能量高效的事件驅(qū)動(dòng)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(cè)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(diǎn)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(diǎn)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(jì)協(xié)議間隔相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間(比如半年、一年)才集中式劃分一次簇，其他時(shí)間則采用異步更換簇首的方法均衡節(jié)點(diǎn)能量的消耗。關(guān)于異步更換簇首的細(xì)節(jié)問(wèn)題在后邊介紹。
(2)簇首骨干網(wǎng)的構(gòu)造
地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)最終通過(guò)簇首“多跳”轉(zhuǎn)發(fā)給Sink節(jié)點(diǎn)，因此網(wǎng)絡(luò)中的簇首節(jié)點(diǎn)形成主干鏈路網(wǎng)絡(luò)。為了保證地震發(fā)生時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠和及時(shí)傳輸，在簇首節(jié)點(diǎn)主干鏈路形成時(shí)，采用基于最小跳數(shù)的路由算法，為每個(gè)簇首建立路由線路。具體算法步驟如下：
①所有簇首節(jié)點(diǎn)設(shè)置其父節(jié)點(diǎn)FATHER_ID=0，并設(shè)置其到達(dá)Sink節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)Min_hop=0；
②由Sink節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)以洪泛方式廣播最小跳數(shù)場(chǎng)構(gòu)建消息Hop_Msg。Hop_Msg由構(gòu)建消息標(biāo)識(shí)、發(fā)送節(jié)點(diǎn)ID和發(fā)送節(jié)點(diǎn)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(diǎn)，設(shè)置其FA-THER_ID=Sink及到達(dá)Sink節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)Min_hop=1，同時(shí)更新Hop_Msg消息中的的Min_hop和FA-THER_ID，繼續(xù)向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播；
④網(wǎng)絡(luò)中收到Hop_Msg消息的簇首節(jié)點(diǎn)，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(diǎn)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(diǎn)FATHER_ID更新，繼續(xù)向鄰居節(jié)點(diǎn)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(diǎn)都擁有自己的父節(jié)點(diǎn)FATHER_ID和到Sink節(jié)點(diǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)都將擁有自己的最小跳數(shù)Min_hop和父節(jié)點(diǎn)FATHER_ID，形成了簇首節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)場(chǎng)，構(gòu)建起了簇首節(jié)點(diǎn)的骨干網(wǎng)路由。