基于anycas的无线传感器路由协议

基于anycas的无线传感器路由协议

无线传感器网络通过集成的小型传感器网络实时监控、感知和收集环境或监控对象的信息。这些信息通过wlanet发送，并通过集群跳网络向用户终端发送电子邮件，以实现物理、计算机和人类社会的连接。目前,它已经成为当前国际上备受关注的、知识高度集成的前沿热点研究领域之一。传感器网络本身有很多资源限制,如计算能力、通信带宽以及能量资源等。因此,如何设计出一种高效的传感器网络路由协议就显得尤为重要。在这种情况下,本文提出了一种基于Anycast技术的无线传感器路由协议。此协议具有如下特点:a)在本协议中,每个传感器节点只需保存相关节点(如父节点)的信息,而无须保存所有邻居节点的信息,此外,传感器节点的路由是通过Anycast树来实现的,并不是建立在某些复杂算法(如Dijkstra或Bellman-Ford)基础上的,因此,本协议具有简单性的特点;b)本协议是针对动态的无线传感器网络提出来的,网络中可以随时加入新的传感器节点,而传感器节点也可以随时移动,因此,本协议具有很好的可扩展性;c)本协议采用Anycast树结构完成传感器节点与会聚点之间的通信,非常适用于大规模的无线传感器网络。1多传感器节点传输时的环境描述本协议需要完成以下基本功能:a)区域内的传感器节点相互合作建立起一个通信网络,并且通过此网络定期(或自发)向最近的会聚点(sinknode)发送感知到的数据;b)当传感器节点由于某些原因(如位置移动或能量不足)失效时,其他有效传感器节点能避开失效节点重新组建路由;c)区域内可以增加新的传感器节点,新节点能与已存在的传感器节点组建路由并与会聚点通信。本协议的适用环境描述如下:一个传感器网络包括少量的会聚点和大量的无线传感器节点,这些会聚点与传感器节点随机地分布在某个区域内。其中,传感器节点的资源是有限的,而会聚点的资源是无限的。每个传感器节点均可随意移动,它们都拥有一个全向天线,使用射频进行通信。考虑到传感器网络中一般都是传感器节点将感知到的数据传送到会聚点,本协议采用多点对单点的通信模式。这里假设N与SN分别代表传感器集合和会聚点集合,那么本协议中的通信对象可表示为(s,d)。其中s∈{N}且d∈{SN}。2基于anyzer的路径协议2.1adv消息的初始接收本路由协议是建立在Anycast树基础之上的。Anycast树具有如下定义:Anycast树的根节点T是会聚点,而Anycast树的中间节点和叶子节点为传感器节点,它们将感知到的数据通过Anycast树路由到T进行处理,此路由用某种距离度量单位来衡量是最优的。在初始状态下,会聚点已经存在,传感器节点被随意分布在特定区域内。Anycast树按照如下步骤进行初始化:a)会聚点首先广播Adv消息以示自己的存在。其中Adv消息中包括此消息距离会聚点的距离参数。本协议采用跳为距离度量单位。b)接收到Adv消息的传感器节点SN如果此时是孤立节点(即没有加入到任何一个Anycast树),那么它在选择要加入的Anycast树之前会等待一段时间T,以期待多个Adv消息的到来;否则,如果SN不是孤立节点,它会放弃此Adv消息,转到f)。c)在时间T之后,SN会查看接收到的所有Adv消息中的距离参数,选择距离参数最小的节点(会聚点或传感器节点)F作为自己的父节点,然后向F发送请求加入Anycast树的Join消息。这里,如果存在多个Adv消息中的距离参数相同,那么SN选择第一个到达的Adv消息所确定的节点为其父节点。d)F接收到Join消息之后,它会将SN加入到自己的孩子节点,然后发送Accept作为应答。e)SN接收到Accept应答之后,它会记录下自己的父节点以及本身到达会聚点的距离参数值,然后将Adv消息中的距离参数增加1,继续广播Adv消息,转到b)。f)过程结束。在初始状态下,处于孤立状态的传感器节点S可能在T时间内没有收到任何Adv消息。在这种情况下,随着传感器节点不断加入Anycast树,以及某些传感器节点位置不断发生移动,本协议规定S会继续等待下一个T时间直到接收到Adv消息为止。Anycast树的初始化过程如图1所示。图1中,如果传感器节点S在T时间内接收到三条Adv消息,那么它会选择距离参数最小的会聚点1作为它的父节点,然后发送Join消息。2.2adv消息的构建当一个新节点N加入到传感器网络后,它会按照如下步骤加入Anycast树:a)N向邻居节点广播一条Req消息;b)接收到Req消息的节点如果已经加入到某个Anycast树,那么它会返回一个Adv消息,消息中包括距离参数;c)N等待T时间以期待多个Adv消息的到来,最后,它会选择返回Adv消息中距离参数值最小的节点F作为父节点,并向F发送Join消息;d)F接收到Join消息之后,它会将N加入到自己的孩子节点,然后发送Accept作为应答;e)N收到Accept应答之后,它会记录下自己的父节点以及自身到达会聚点的距离值,然后构建Adv消息并广播Adv消息以示自己的加入;f)至此,N成功加入Anycast树,如图2所示。图2中,传感器节点S向邻居节点发送Req消息,它在T时间内接收到三条Adv消息,并选择距离参数值最小的会聚点1作为它的父节点,然后发送Join消息。2.3基于adv的路由重建由于传感器节点的能量是有限的,当能量消耗尽后,它们会变为失效节点。在本协议中,如果传感器节点S失效之后,它会造成所在Anycast树所对应的路由中断。在这种情况下,S的孩子节点C会按照如下步骤进行路由重建:a)C向邻居节点广播一条Req消息;b)接收到Req消息的节点如果已经加入到某个Anycast树,并且不是C的子孙节点(避免回路的产生),那么它会返回一个Adv消息,消息中包括距离参数;c)C等待T时间以期待多个Adv消息的到来,最后,它会选择返回Adv消息中距离参数值最小的节点F作为父节点,并向F发送Join消息;d)F接收到Join消息之后,它会将C加入到自己的孩子节点,然后发送Accept作为应答;e)C接收到Accept应答之后,它会记录下自己的父节点以及本身到达会聚点的距离参数;f)至此,C的路由重建成功。本协议定义传感器节点可以随意移动,当传感器节点S发生移动并脱离所属的Anycast树时,它同样会造成所在Anycast树所对应的路由中断。在这种情况下,S的孩子节点C会按照上述父节点失效的情况重建路由,而S也会按照新节点加入到Anycast树的步骤重新加入到一个Anycast树。2.4传感器节点与会聚点的路由通信在本协议中,传感器节点依靠MAC层协议来判断父节点是否失效或发生移动。S在发送数据过程中,可能会由于自身的移动或父节点的移动(或失效)脱离原来的Anycast树而导致数据传输的失败。在这种情况下,S在加入新的Anycast树之后,会重新将感知到的数据传送给所在Anycast树的根节点,即会聚点。在本协议中,一个传感器网络的会聚点之间采用多播进行通信。本协议中,假设传感器节点想将感知到的数据发送给会聚点,那么它首先将数据发送给其父节点,然后父节点再将数据发送到它的父节点,依次类推,直到发送到根节点为止,即会聚点。传感器节点与会聚点的路由通信过程如图3所示。传感器节点S把感知到的数据发送给其父节点F,然后F再将数据发送到它的父节点,即会聚点1。3实验性能分析笔者对本协议的性能进行了仿真和测试。仿真环境采用NS-2系统,初始状态下,在250m×250m的空间内随机放入50个传感器,每个传感器具有50m固定的无线覆盖能力,它们在区域内可以随意移动。为了测试协议的性能,实验中的数据源传输速率设置在128～1024bps,传感器的带宽设置为19.2kbps。为了测试本协议重建路由的能力,实验在测试过程中会定期在区域内增加新的传感器;此外,实验也会使一些传感器节点在测试中途失效。实验中的会聚点同时连接无线网络与有线网络,会聚点之间采用多播通信。在实验初始化过程中,会聚点启动Anycast树的建立。为了分析比较本协议与现存协议的性能,实验还在相同环境下实现了AODV、DSR与DSDV路由协议,并比较了它们的性能。由于DSDV的性能比AODV和DSR要差,实验数据中只是给出了本协议、AODV和DSR的性能分析,如图4所示。这里,本协议采用一个会聚点。实验的性能分析包括以下三个参数:a)数据包接收率,指目的节点接收到的数据包数目与源节点发送数据包数目的比值;b)平均延迟时间,指数据包从源节点到达目的节点的平均延迟时间;c)平均路径长度,指数据包从源节点到达目的节点所经过的平均跳数。数据包接收率显示所用协议的丢包率,通过增加网络的数据传输率,此参数还可以测试一个网络的吞吐量,它最重要的功能就是测试所用协议是否正确和完整;平均时间延迟可以测试所用协议的路由选择算法是否有效,这是路由协议的一个重要指标;平均路径长度可以测试路由协议有效利用网络资源的能力,同时它也是测量路由算法的一个重要指标。为了测试本协议所采用Anycast技术的有效性,实验还针对本协议采用不同会聚点时的性能进行了分析,如图5所示。在图4(a)中,当网络负载增加时,本协议、AODV和DSR的数据包接收率均有所下降,但是AODV和DSR的下降幅度要大于本协议,原因在于网络拥塞会导致传感器节点发送的数据包无法到达下一跳节点,在这种情况下,AODV和DSR会泛播路由请求消息(RREQ)来寻找新的路由,这会直接导致网络更加拥塞。相比之下,本协议只是通过与一跳范围内的邻居节点交互消息来寻找新的路由,因此在网络拥塞的情况下,本协议的数据包接收率比AODV和DSR要高。在图4(b)中,本协议在网络低负载的情况下,可以用最短的时间将数据包传输到目的节点;当网络负载增加时,AODV的平均延迟时间性能表现最为出色,但是代价是它的数据包丢失率接近50%,如图4(a)所示,DSR的平均延迟时间最长,其原因在于它总是尽力将数据包发送到会聚点,而会聚点附近的网络非常拥塞,从而导致延迟时间的增加。在图4(c)中,本协议与DSR的平均路径长度相差不多,AODV在网络低负载的情况下,平均路径长度很长;而网络负载高的情况下,则平均路径长度很短,其原因在于网络高负载下AODV的丢包率较高。实验分别对一个会聚点的DSR、1～3个会聚点的本协议四种情况作了分析和比较,如图5所示。在上述四种情况下,传感器节点都不知道距离自己最近的会聚点的地址,DSR通过泛播RREQ消息来确定会聚点的位置,而本协议通过Anycast技术来确定距离最近的会聚点位置。从图5可以看出,会聚点的增加使得平均路径长度以及网络拥塞程度均有所降低,从而导致数据包接收率的增加以及平均延迟时间的降低。从图5(a)中可以看出,当会聚点增加到三个时,本协议的数据包接收率高达98%。