礦井監(jiān)控系統(tǒng)的zigbee路由協(xié)議的研究

韓雪松，楊 鵑

(承德石油高等?？茖W(xué)校計(jì)算機(jī)與信息工程系，河北 承德 067000)

Zigbee井下監(jiān)控系統(tǒng)基于zigbee射頻通信技術(shù)，主要用于環(huán)境參數(shù)檢測、人員定位和統(tǒng)計(jì)、異常報(bào)警。Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用電池的供電方式，節(jié)點(diǎn)能量有限，井下的復(fù)雜工作環(huán)境，例如粉塵、噪聲、濕度和溫度等多方面的因素影響著射頻信號在信道中的傳輸[1］，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男?、減少節(jié)點(diǎn)的功耗是路由協(xié)議研究的重要內(nèi)容。本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議基于地理路由協(xié)議(GPSR)，該協(xié)議的主旨是減少路由長度、減少路由開銷等，最初由哈佛大學(xué)的Brad Karp和H.T.Kung在2000年的ACM移動(dòng)計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)會議上提出的貪婪周邊無狀態(tài)路由協(xié)議，它利用節(jié)點(diǎn)的地理位置信息，根據(jù)GPSR轉(zhuǎn)發(fā)策略進(jìn)行路由的傳遞。

1 GPSR路由協(xié)議

節(jié)點(diǎn)間通過廣播方式獲取鄰居節(jié)點(diǎn)的地理位置信息，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D按照RNG和GG平面圖規(guī)劃出多區(qū)域。節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)模式分為貪婪轉(zhuǎn)發(fā)和邊界轉(zhuǎn)發(fā)兩種。貪婪轉(zhuǎn)發(fā)下，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)將距離目的節(jié)點(diǎn)最近的一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn)，直到目的節(jié)點(diǎn)或是遇到路由空洞進(jìn)入邊界轉(zhuǎn)發(fā)模式。節(jié)點(diǎn)處于轉(zhuǎn)發(fā)模式時(shí)，節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)的連線做參考，在逆時(shí)針方向上選擇第一條轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，知道數(shù)據(jù)包到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)或者發(fā)現(xiàn)距離目的節(jié)點(diǎn)更近的鄰居節(jié)點(diǎn)重新進(jìn)入貪婪轉(zhuǎn)發(fā)模式。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度較低或是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布置不合理時(shí)，貪婪轉(zhuǎn)發(fā)策略找不到比自己距離目的節(jié)點(diǎn)更近的節(jié)點(diǎn)，便出現(xiàn)了路由空洞。距離目的節(jié)點(diǎn)最近的節(jié)點(diǎn)由于經(jīng)常轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)信息，造成節(jié)點(diǎn)能量損耗過大，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)過早死亡，此類節(jié)點(diǎn)被稱作為熱點(diǎn)路由節(jié)點(diǎn)[2］。針對GPSR存在的路由空洞和熱點(diǎn)路由問題，國內(nèi)外學(xué)者給出了多種改進(jìn)方案。GRA協(xié)議建議當(dāng)遇到路由空洞時(shí)，用泛洪機(jī)制搜素到目的節(jié)點(diǎn)的路由，然后在路由表中保持該路由，以減少將來可能發(fā)生的路由查找過程[3］。該算法的缺點(diǎn)是泛洪機(jī)制的添加會浪費(fèi)節(jié)點(diǎn)大量的能量，減少了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。文獻(xiàn)[4］作者提出了路由算法IGPSR-2，將前向區(qū)域劃分為四個(gè)子區(qū)域，選擇節(jié)點(diǎn)能量方差最小的子區(qū)域作為路由選擇區(qū)域，然后在此區(qū)域中用概率機(jī)制選擇下一跳，有效地均衡了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量消耗。GPSR熱點(diǎn)路由問題導(dǎo)致有些節(jié)點(diǎn)過早死亡，造成網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間的縮短，文獻(xiàn)[5］提出了隨機(jī)性選擇路由和確定性選擇路由兩種策略，在選擇路由時(shí)對節(jié)點(diǎn)的能量狀態(tài)加以考慮，延長了網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。

2 相關(guān)的技術(shù)內(nèi)容

路由協(xié)議在進(jìn)行報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)之前，需根據(jù)路由節(jié)點(diǎn)所處的位置來調(diào)整路由策略，路由協(xié)議初始化流程如圖1所示。

2.1 空洞邊界的確認(rèn)

空洞區(qū)域的確認(rèn)如圖2所示。

節(jié)點(diǎn)B0和節(jié)點(diǎn)D分別為網(wǎng)絡(luò)的源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)，虛線圓表示目的節(jié)點(diǎn)的通信范圍，實(shí)線圓表示源節(jié)點(diǎn)的通信范圍，兩個(gè)圓形的交叉區(qū)域就是空洞區(qū)域，空洞區(qū)域內(nèi)的路由節(jié)點(diǎn)被稱之為空洞節(jié)點(diǎn)。

網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)周期性的發(fā)送信號檢測自己是否為空洞節(jié)點(diǎn)，最先檢測到自己為空洞節(jié)點(diǎn)的B0，按右手定則向下一跳鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送空洞邊界檢測包，檢測包內(nèi)包含節(jié)點(diǎn)的ID和坐標(biāo)值，收到檢測包的節(jié)點(diǎn)將自己的節(jié)點(diǎn)的ID和坐標(biāo)值續(xù)寫到檢測包內(nèi)部，繼續(xù)按右手定則轉(zhuǎn)發(fā)，直到檢測包發(fā)送給B0，此時(shí)空洞邊界檢測完成，取空洞區(qū)域的邊界節(jié)點(diǎn)連線的最大值的中心點(diǎn)，以中心點(diǎn)O到邊界節(jié)點(diǎn)的最大距離為半徑r，劃分空洞覆蓋區(qū)域。

2.2 感知域的確認(rèn)

空洞區(qū)域確認(rèn)好后，節(jié)點(diǎn)B0將向以O(shè)為圓心、以b×r為半徑的區(qū)域廣播空洞發(fā)現(xiàn)報(bào)文，內(nèi)容包括空洞區(qū)域的報(bào)文ID值、B0的ID值、，中心點(diǎn)坐標(biāo)、半徑、參數(shù)b、區(qū)域內(nèi)所有空洞邊界節(jié)點(diǎn)的ID值。空間內(nèi)收到報(bào)文的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)首先確認(rèn)自己的ID值是否在報(bào)文內(nèi)，如果存在這節(jié)點(diǎn)確認(rèn)為感知節(jié)點(diǎn)，將報(bào)文內(nèi)容保存并進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。從而建立了以O(shè)為原點(diǎn)、以b×r為半徑的感知區(qū)域。當(dāng)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到感知區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)后，選擇路由轉(zhuǎn)發(fā)策略，建立一條最優(yōu)的路徑。

2.3 GPRS路由轉(zhuǎn)發(fā)策略

本文對該轉(zhuǎn)發(fā)過程進(jìn)行改進(jìn)，將左手法則和右手法則結(jié)合使用[6］，確認(rèn)數(shù)據(jù)包的下一跳的具體位置，縮短轉(zhuǎn)發(fā)路徑。首先對感知域進(jìn)行分區(qū)，假設(shè)S為進(jìn)入感知域的節(jié)點(diǎn)，D為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)為兩節(jié)點(diǎn)的連接線段，將感知域劃分為兩部分。沿向量方向，左側(cè)區(qū)域定義為右手法則區(qū)，右側(cè)區(qū)域?yàn)樽髠?cè)法則區(qū)，區(qū)域轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議按照以下算法進(jìn)行。

1)首先根據(jù)右手法則，確定S節(jié)點(diǎn)的下一跳節(jié)點(diǎn)位置。

2)如果進(jìn)入到右手法則區(qū)，則采用左手法則進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。反之，如果進(jìn)入左手法則區(qū)，則采用右手法則進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

3)邊界轉(zhuǎn)發(fā)過程中，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)距離目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離小于邊界閾值時(shí)，路由轉(zhuǎn)發(fā)策略轉(zhuǎn)為貪婪轉(zhuǎn)發(fā)模式。

3 基于GPSR路由協(xié)議的應(yīng)用

所有節(jié)點(diǎn)都維護(hù)著鄰居表，鄰居表內(nèi)存儲著單跳鄰節(jié)點(diǎn)的ID和坐標(biāo)。GPSR協(xié)議的數(shù)據(jù)包頭字段如表1所示，以M字段表征目前數(shù)據(jù)包的發(fā)送模式。

表1 GPSR協(xié)議的數(shù)據(jù)包頭字段

源節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備向目的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文時(shí)，首先判定節(jié)點(diǎn)是否處于感知區(qū)域，如果處于感知區(qū)域則采用右手守則執(zhí)行下一跳。在每次轉(zhuǎn)發(fā)到下一跳節(jié)點(diǎn)時(shí)，都應(yīng)首先判定與目的節(jié)點(diǎn)的距離，小于閾值則進(jìn)入貪婪模式，否則進(jìn)入左右判定的區(qū)域轉(zhuǎn)發(fā)模式。基于左右手規(guī)則的路由轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議的流程如圖3所示。

貪婪模式的路由轉(zhuǎn)發(fā)，應(yīng)注意熱點(diǎn)路由的問題，選擇下一跳網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)考慮因素除了要考慮網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)距離目的節(jié)點(diǎn)的距離，還要考慮節(jié)點(diǎn)自身的能量因素，選擇通往目的地已知代價(jià)最小的鄰居節(jié)點(diǎn)作為下一跳。協(xié)議需建立和維護(hù)節(jié)點(diǎn)的已知代價(jià)值h(S，D)，S代表當(dāng)前節(jié)點(diǎn)，D代表下一跳節(jié)點(diǎn)，已知代價(jià)采用鄰居節(jié)點(diǎn)M的已知代價(jià)最小來實(shí)現(xiàn)，按照公式(1)進(jìn)行定義。

節(jié)點(diǎn)選擇價(jià)值最小的鄰節(jié)點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)S設(shè)置自己的已知代價(jià)值如公式(2)所示。

貪婪模式的缺點(diǎn)在于數(shù)據(jù)在區(qū)域內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)采用泛洪方式，造成了更多的能量消耗。在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模增大時(shí)，路由空洞出現(xiàn)的概率升高，隨著路由空洞的擴(kuò)大，網(wǎng)絡(luò)的連通性就無法保證，也會縮短網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間[7］?；谧笥沂址▌t的GPSR區(qū)域轉(zhuǎn)發(fā)恰好可以彌補(bǔ)貪婪模式造成的缺點(diǎn)，提高了網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用性。

4 協(xié)議仿真與分析

4.1 仿真平臺

為了驗(yàn)證路由協(xié)議的有效性，采用NS-2仿真平臺對本文的路由協(xié)議進(jìn)行建模仿真。仿真環(huán)境的設(shè)置如表2所示。

表2 仿真環(huán)境的設(shè)置

4.2 仿真結(jié)果

1)路由成本。仿真結(jié)果如圖4所示。根據(jù)仿真的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，基于左右手法則的GPSR協(xié)議比基于右手法則的路由成本低，這是由于改進(jìn)后的協(xié)議解決了原協(xié)議繞行的可能，有效降低了路由轉(zhuǎn)發(fā)的成本。

2)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間對比如圖5所示。由圖5可以看出，隨著通信流的增加，改進(jìn)后的路由協(xié)議相比于傳統(tǒng)的GPSR協(xié)議生存時(shí)間有了明顯的提高。當(dāng)通信流數(shù)量增加時(shí)，數(shù)據(jù)在感知區(qū)域傳輸?shù)母怕试黾樱芰块_銷增加，但是由于采用了基于能量和距離的貪婪模式轉(zhuǎn)發(fā)，靠近目的節(jié)點(diǎn)的熱點(diǎn)路由選用了均衡能量的方式，能量消耗比較均衡。

5 結(jié)束語

本文主要針對GPSR協(xié)議研究了路由空洞和熱點(diǎn)路由的問題，對于路由空洞采用左右法守則處理區(qū)域路由空洞的問題，對于熱點(diǎn)路由采用能量均衡的方法予以解決。協(xié)議的改進(jìn)經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)表明，改進(jìn)后的協(xié)議無論從路由成本還是網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間方面都有了很大的提高，未來應(yīng)將研究的重點(diǎn)集中在如何減少泛洪通信確定感知區(qū)域。

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