胡須

摘 要

針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸可靠性的問題，本文提出了一種可靠性路由協(xié)議RANC，在GAINZ實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)RANC拓?fù)浯罱?，給出了節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)具體過程，實(shí)現(xiàn)可靠路由的最佳通信路徑選擇。

【關(guān)鍵詞】無線傳感器網(wǎng)絡(luò)RANC GAINZ可靠性

1 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSNs）是由多個(gè)微型傳感器節(jié)點(diǎn)面向任務(wù)以自組織方式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，WSNs由多個(gè)微型傳感器節(jié)點(diǎn)通過自組織方式構(gòu)成，其自組織性和容錯(cuò)能力使它非常適合在特殊時(shí)刻和環(huán)境中應(yīng)用。WSNs一般部署在面積廣闊且復(fù)雜惡劣的環(huán)境中，傳感器節(jié)點(diǎn)資源受限，自然環(huán)境損毀和能量耗盡將導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)失效，對(duì)實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)生巨大隱患。這些隱患決定了路由協(xié)議在WSNs研究中的重要性。為了保證WSNs能夠正常通信，必須保證路由在全連通的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸信息。本文首先介紹了一種可靠性路由協(xié)議RANC算法（Routing Algorithm Based on Node Credibility），在此算法基礎(chǔ)上，在GAINZ平臺(tái)實(shí)驗(yàn)環(huán)境實(shí)現(xiàn)WSNs真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

2 RANC協(xié)議簡(jiǎn)介

本節(jié)介紹的RANC路由協(xié)議綜合了鏈路質(zhì)量、傳感器節(jié)點(diǎn)能量、儲(chǔ)存空間等對(duì)路由可靠性的影響，通過可信度數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)路徑的調(diào)整，達(dá)到延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命期的目的。

WSNs中節(jié)點(diǎn)可信度（Node Credibility，NC）的數(shù)學(xué)模型表示為：

（1）

式（1）中，Ere（j）為j的剩余能量，d（j，sink）為節(jié)點(diǎn)j到基站的距離，LQ（i，j）為（i，j）的鏈路質(zhì)量，TC（j）為節(jié)點(diǎn)j的轉(zhuǎn)發(fā)能力。節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)能力與節(jié)點(diǎn)緩存占用率BO和擁塞因子CF有關(guān)，轉(zhuǎn)發(fā)能力的數(shù)學(xué)表達(dá)式可表示為：

（2）

通過式（1）、（2）可以得出節(jié)點(diǎn)可靠性數(shù)學(xué)模型：

（3）

式（3）可以看出節(jié)點(diǎn)可靠性與傳感節(jié)點(diǎn)剩余能量Ere（j）、節(jié)點(diǎn)緩存占用率BO（j）、鏈路質(zhì)量LQ（i，j）、擁塞因子CF（j）正相關(guān)，與節(jié)點(diǎn)到基站的距離負(fù)相關(guān)。因此，在實(shí)驗(yàn)過程中可以選擇節(jié)點(diǎn)剩余能量多的、節(jié)點(diǎn)緩存占用率高的、鏈路質(zhì)量?jī)?yōu)并且與目的節(jié)點(diǎn)距離小的節(jié)點(diǎn)作為通信節(jié)點(diǎn)，使路由數(shù)據(jù)傳輸工作更為可靠。

3 RANC協(xié)議在GAINZ平臺(tái)實(shí)現(xiàn)方案

GAINZ平臺(tái)硬件由微處理器，射頻芯片以及外圍設(shè)備組成，是一款WSNs硬件開發(fā)平臺(tái)，傳感器節(jié)點(diǎn)在AVR單片機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)?；贕AINZ實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)RANC路由協(xié)議搭建的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

3.1 拓?fù)浯罱ㄟ^程

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)過程的具體偽碼如下所示：

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)算法

確定網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，設(shè)定自身網(wǎng)絡(luò)ID

令N=0；

whlie收到節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求

if N

N+1，將該節(jié)點(diǎn)IP、能量信息等加入鄰居列表，并向請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)發(fā)送加入回復(fù)信息

else if N>Nmax

將加入請(qǐng)求信息刪除

end if

end

3.2 RANC拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)

在實(shí)驗(yàn)環(huán)境，硬件環(huán)境由20個(gè)GAINZ節(jié)點(diǎn)，USB電子狗和PC機(jī)組成。軟件環(huán)境分為兩部分，一部分為由C語(yǔ)言編寫的測(cè)試程序；另一部分是在運(yùn)行的Zigbee分析儀。

圖1為 GAINZ平臺(tái)上的原始拓?fù)鋱D，通過RANC算法，通過擇優(yōu)選擇路由，選擇最佳通信路徑，提升路由數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，如圖2所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)WSNs網(wǎng)絡(luò)中路由選擇問題，介紹了RANC路由協(xié)議優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的通信路徑。給出了RANC協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浯罱ㄟ^程，并且在GAINZ平臺(tái)上的實(shí)現(xiàn)RANC拓?fù)?。通過優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)通信路徑，達(dá)到延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命期。

參考文獻(xiàn)

[1]李凌晶.能量有效的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究[D].南京：南京郵電大學(xué)學(xué)位論文，2012：6-9.

[2]韓旭，劉迎新，文正江.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究[J].中國(guó)儀器儀表，2012，9：27-31.

[3]孫佩剛，趙海，羅玎玎等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)鏈路通信質(zhì)量測(cè)量研究[J].通信學(xué)報(bào)，2007，28（10）：14-22.

[4]于海濱，曾鵬，王忠峰等.分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議研究[J].通信學(xué)報(bào)，2004，25（10）：102-110.

作者單位

東華計(jì)量測(cè)試研究院 江西省南昌市 330029

摘 要

針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸可靠性的問題，本文提出了一種可靠性路由協(xié)議RANC，在GAINZ實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)RANC拓?fù)浯罱?，給出了節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)具體過程，實(shí)現(xiàn)可靠路由的最佳通信路徑選擇。

【關(guān)鍵詞】無線傳感器網(wǎng)絡(luò)RANC GAINZ可靠性

1 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSNs）是由多個(gè)微型傳感器節(jié)點(diǎn)面向任務(wù)以自組織方式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，WSNs由多個(gè)微型傳感器節(jié)點(diǎn)通過自組織方式構(gòu)成，其自組織性和容錯(cuò)能力使它非常適合在特殊時(shí)刻和環(huán)境中應(yīng)用。WSNs一般部署在面積廣闊且復(fù)雜惡劣的環(huán)境中，傳感器節(jié)點(diǎn)資源受限，自然環(huán)境損毀和能量耗盡將導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)失效，對(duì)實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)生巨大隱患。這些隱患決定了路由協(xié)議在WSNs研究中的重要性。為了保證WSNs能夠正常通信，必須保證路由在全連通的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸信息。本文首先介紹了一種可靠性路由協(xié)議RANC算法（Routing Algorithm Based on Node Credibility），在此算法基礎(chǔ)上，在GAINZ平臺(tái)實(shí)驗(yàn)環(huán)境實(shí)現(xiàn)WSNs真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

2 RANC協(xié)議簡(jiǎn)介

本節(jié)介紹的RANC路由協(xié)議綜合了鏈路質(zhì)量、傳感器節(jié)點(diǎn)能量、儲(chǔ)存空間等對(duì)路由可靠性的影響，通過可信度數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)路徑的調(diào)整，達(dá)到延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命期的目的。

WSNs中節(jié)點(diǎn)可信度（Node Credibility，NC）的數(shù)學(xué)模型表示為：

（1）

式（1）中，Ere（j）為j的剩余能量，d（j，sink）為節(jié)點(diǎn)j到基站的距離，LQ（i，j）為（i，j）的鏈路質(zhì)量，TC（j）為節(jié)點(diǎn)j的轉(zhuǎn)發(fā)能力。節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)能力與節(jié)點(diǎn)緩存占用率BO和擁塞因子CF有關(guān)，轉(zhuǎn)發(fā)能力的數(shù)學(xué)表達(dá)式可表示為：

（2）

通過式（1）、（2）可以得出節(jié)點(diǎn)可靠性數(shù)學(xué)模型：

（3）

式（3）可以看出節(jié)點(diǎn)可靠性與傳感節(jié)點(diǎn)剩余能量Ere（j）、節(jié)點(diǎn)緩存占用率BO（j）、鏈路質(zhì)量LQ（i，j）、擁塞因子CF（j）正相關(guān)，與節(jié)點(diǎn)到基站的距離負(fù)相關(guān)。因此，在實(shí)驗(yàn)過程中可以選擇節(jié)點(diǎn)剩余能量多的、節(jié)點(diǎn)緩存占用率高的、鏈路質(zhì)量?jī)?yōu)并且與目的節(jié)點(diǎn)距離小的節(jié)點(diǎn)作為通信節(jié)點(diǎn)，使路由數(shù)據(jù)傳輸工作更為可靠。

3 RANC協(xié)議在GAINZ平臺(tái)實(shí)現(xiàn)方案

GAINZ平臺(tái)硬件由微處理器，射頻芯片以及外圍設(shè)備組成，是一款WSNs硬件開發(fā)平臺(tái)，傳感器節(jié)點(diǎn)在AVR單片機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)。基于GAINZ實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)RANC路由協(xié)議搭建的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

3.1 拓?fù)浯罱ㄟ^程

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)過程的具體偽碼如下所示：

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)算法

確定網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，設(shè)定自身網(wǎng)絡(luò)ID

令N=0；

whlie收到節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求

if N

N+1，將該節(jié)點(diǎn)IP、能量信息等加入鄰居列表，并向請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)發(fā)送加入回復(fù)信息

else if N>Nmax

將加入請(qǐng)求信息刪除

end if

end

3.2 RANC拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)

在實(shí)驗(yàn)環(huán)境，硬件環(huán)境由20個(gè)GAINZ節(jié)點(diǎn)，USB電子狗和PC機(jī)組成。軟件環(huán)境分為兩部分，一部分為由C語(yǔ)言編寫的測(cè)試程序；另一部分是在運(yùn)行的Zigbee分析儀。

圖1為 GAINZ平臺(tái)上的原始拓?fù)鋱D，通過RANC算法，通過擇優(yōu)選擇路由，選擇最佳通信路徑，提升路由數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，如圖2所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)WSNs網(wǎng)絡(luò)中路由選擇問題，介紹了RANC路由協(xié)議優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的通信路徑。給出了RANC協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浯罱ㄟ^程，并且在GAINZ平臺(tái)上的實(shí)現(xiàn)RANC拓?fù)?。通過優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)通信路徑，達(dá)到延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命期。

參考文獻(xiàn)

[1]李凌晶.能量有效的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究[D].南京：南京郵電大學(xué)學(xué)位論文，2012：6-9.

[2]韓旭，劉迎新，文正江.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究[J].中國(guó)儀器儀表，2012，9：27-31.

[3]孫佩剛，趙海，羅玎玎等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)鏈路通信質(zhì)量測(cè)量研究[J].通信學(xué)報(bào)，2007，28（10）：14-22.

[4]于海濱，曾鵬，王忠峰等.分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議研究[J].通信學(xué)報(bào)，2004，25（10）：102-110.

作者單位

東華計(jì)量測(cè)試研究院 江西省南昌市 330029

摘 要

針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸可靠性的問題，本文提出了一種可靠性路由協(xié)議RANC，在GAINZ實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)RANC拓?fù)浯罱ǎo出了節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)具體過程，實(shí)現(xiàn)可靠路由的最佳通信路徑選擇。

【關(guān)鍵詞】無線傳感器網(wǎng)絡(luò)RANC GAINZ可靠性

1 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSNs）是由多個(gè)微型傳感器節(jié)點(diǎn)面向任務(wù)以自組織方式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，WSNs由多個(gè)微型傳感器節(jié)點(diǎn)通過自組織方式構(gòu)成，其自組織性和容錯(cuò)能力使它非常適合在特殊時(shí)刻和環(huán)境中應(yīng)用。WSNs一般部署在面積廣闊且復(fù)雜惡劣的環(huán)境中，傳感器節(jié)點(diǎn)資源受限，自然環(huán)境損毀和能量耗盡將導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)失效，對(duì)實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)生巨大隱患。這些隱患決定了路由協(xié)議在WSNs研究中的重要性。為了保證WSNs能夠正常通信，必須保證路由在全連通的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸信息。本文首先介紹了一種可靠性路由協(xié)議RANC算法（Routing Algorithm Based on Node Credibility），在此算法基礎(chǔ)上，在GAINZ平臺(tái)實(shí)驗(yàn)環(huán)境實(shí)現(xiàn)WSNs真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

2 RANC協(xié)議簡(jiǎn)介

本節(jié)介紹的RANC路由協(xié)議綜合了鏈路質(zhì)量、傳感器節(jié)點(diǎn)能量、儲(chǔ)存空間等對(duì)路由可靠性的影響，通過可信度數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)路徑的調(diào)整，達(dá)到延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命期的目的。

WSNs中節(jié)點(diǎn)可信度（Node Credibility，NC）的數(shù)學(xué)模型表示為：

（1）

式（1）中，Ere（j）為j的剩余能量，d（j，sink）為節(jié)點(diǎn)j到基站的距離，LQ（i，j）為（i，j）的鏈路質(zhì)量，TC（j）為節(jié)點(diǎn)j的轉(zhuǎn)發(fā)能力。節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)能力與節(jié)點(diǎn)緩存占用率BO和擁塞因子CF有關(guān)，轉(zhuǎn)發(fā)能力的數(shù)學(xué)表達(dá)式可表示為：

（2）

通過式（1）、（2）可以得出節(jié)點(diǎn)可靠性數(shù)學(xué)模型：

（3）

式（3）可以看出節(jié)點(diǎn)可靠性與傳感節(jié)點(diǎn)剩余能量Ere（j）、節(jié)點(diǎn)緩存占用率BO（j）、鏈路質(zhì)量LQ（i，j）、擁塞因子CF（j）正相關(guān)，與節(jié)點(diǎn)到基站的距離負(fù)相關(guān)。因此，在實(shí)驗(yàn)過程中可以選擇節(jié)點(diǎn)剩余能量多的、節(jié)點(diǎn)緩存占用率高的、鏈路質(zhì)量?jī)?yōu)并且與目的節(jié)點(diǎn)距離小的節(jié)點(diǎn)作為通信節(jié)點(diǎn)，使路由數(shù)據(jù)傳輸工作更為可靠。

3 RANC協(xié)議在GAINZ平臺(tái)實(shí)現(xiàn)方案

GAINZ平臺(tái)硬件由微處理器，射頻芯片以及外圍設(shè)備組成，是一款WSNs硬件開發(fā)平臺(tái)，傳感器節(jié)點(diǎn)在AVR單片機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)。基于GAINZ實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)RANC路由協(xié)議搭建的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

3.1 拓?fù)浯罱ㄟ^程

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)過程的具體偽碼如下所示：

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)算法

確定網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，設(shè)定自身網(wǎng)絡(luò)ID

令N=0；

whlie收到節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求

if N

N+1，將該節(jié)點(diǎn)IP、能量信息等加入鄰居列表，并向請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)發(fā)送加入回復(fù)信息

else if N>Nmax

將加入請(qǐng)求信息刪除

end if

end

3.2 RANC拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)

在實(shí)驗(yàn)環(huán)境，硬件環(huán)境由20個(gè)GAINZ節(jié)點(diǎn)，USB電子狗和PC機(jī)組成。軟件環(huán)境分為兩部分，一部分為由C語(yǔ)言編寫的測(cè)試程序；另一部分是在運(yùn)行的Zigbee分析儀。

圖1為 GAINZ平臺(tái)上的原始拓?fù)鋱D，通過RANC算法，通過擇優(yōu)選擇路由，選擇最佳通信路徑，提升路由數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕鐖D2所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)WSNs網(wǎng)絡(luò)中路由選擇問題，介紹了RANC路由協(xié)議優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的通信路徑。給出了RANC協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浯罱ㄟ^程，并且在GAINZ平臺(tái)上的實(shí)現(xiàn)RANC拓?fù)?。通過優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)通信路徑，達(dá)到延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命期。

參考文獻(xiàn)

[1]李凌晶.能量有效的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究[D].南京：南京郵電大學(xué)學(xué)位論文，2012：6-9.

[2]韓旭，劉迎新，文正江.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究[J].中國(guó)儀器儀表，2012，9：27-31.

[3]孫佩剛，趙海，羅玎玎等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)鏈路通信質(zhì)量測(cè)量研究[J].通信學(xué)報(bào)，2007，28（10）：14-22.

[4]于海濱，曾鵬，王忠峰等.分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議研究[J].通信學(xué)報(bào)，2004，25（10）：102-110.

作者單位

東華計(jì)量測(cè)試研究院 江西省南昌市 330029