地震監測無線傳感器網絡路由協議研究

摘要：針對無線傳感器網絡在地震監測應用中的路由需求，汲取現有無線傳感器網絡路由協議的優點，提出了一種適合于地震監測的無線傳感器網絡路由協議，稱為能量高效的事件驅動型分簇路由協議EEECRP(Energy Efficient Eventdriven Clustering Routing Protocol)。仿真結果表明此路由協議實時性好，能有效延長網絡生命周期，較好地滿足了應用的需求。
關鍵詞：無線傳感器網絡；地震監測；路由協議；網絡能耗；數據傳輸延遲

引言
地震監測是防震減災、地震科學研究的必要技術基礎，目前，國內外的地震監測系統仍處于初級階段，不能滿足地震預警的要求，存在漏報、誤報、遲報現象，例如監測臺網密度低、監測數據精度低、信息不豐富、數據傳輸速度慢、成本高等。
融多種信息技術為一體的無線傳感器網絡WSN(Wireless Sensor Network)是一種新興的信息技術，在信息領域有著良好的應用前景。相對于傳統的有線和其他無線網絡，無線傳感器網絡具有布設范圍廣、自組織，低能耗、協同感知、獨立電源供電、無人值守等特點，能夠很好地滿足地震監測的要求。
地震監測過程中，網絡數據的傳輸離不開路由協議，路由協議的研究是無線傳感器網絡通信層的一個核心技術，本文結合地震監測的具體應用需求，設計出一種適合地震監測的無線傳感器網絡路由協議。

1 無線傳感器網絡路由協議及其應用相關性
1．1 典型無線傳感器網絡路由協議及其不足
最小跳數(Minimum Hop Count，MHC)路由協議是一種平面路由協議，其核心部分是采用經典的擴散算法，在網絡中建立一個最小跳數場，在最小跳數場內，每個節點擁有到基站(Sink節點)的最小跳數。當節點需要發送消息時，它按序選擇自己的父節點作為下一跳。該協議因能夠提高消息傳輸的可靠性、減少傳輸時延而倍受關注。但在該協議中，傳輸數據時有很大的重復性，同時它未考慮節點在監聽狀態下的耗能情況，造成網絡性能和壽命下降。
LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)是Heinzelman等人提出的第一個分簇路由協議，在每個數據收集周期開始，一小部分節點隨機成為簇首，在數據傳輸階段，簇首以單跳通信的方式將融合后的數據傳輸給基站。它通過角色輪換達到能量的均勻分布。但是，LEACH假設所有的節點都能直接與簇首以及基站通信，在需要監測范圍大的應用中不適用；而且它僅僅以節點的剩余能量多少選擇簇首，形成的簇并不是最優的。后來，Heinzelman等人在LEACH的基礎上，提出了LEACH-C。LEACH-C(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy Cent ralized)是集中式的分簇算法，健壯性好且產生的簇較佳，但該協議由于每個節點都需要向基站周期性地報告它們的能量和位置等信息，從而導致增加網絡流量、時間延遲等。
TEEN(Threshold-Sensitive Energy Efficient Sensor Network Protocol)是第一個響應型的無線傳感器網絡路由協議，其網絡結構與LEACH類似，只是它的簇成員不像LEACH算法那樣總是發送數據給簇首。TEEN協議設置了硬、軟兩個閥值，只有當監測到的數據超過硬閾值并且監測數據的變化幅度大于軟閾值時，節點才會傳送監測數據。這樣可以大大減少節點發射數據的次數，數據傳送消耗的能量較少。但TEEN協議存在一個缺陷，如果閥值不能達到，節點就不會傳輸任何數據，導致用戶在某段時間不知道節點是否死亡。
1．2 地震監測環境下的網絡路由需求
地震監測中的路由協議具有以下特點：
①網絡規模大，分布范圍廣，對網絡節能性要求高。地震監測的無線傳感器網絡分布范圍非常廣，而且地形環境復雜，節點電池的更換或能量的補給幾乎是不可能的，因此網絡及網絡中的節點應盡量減少能量消耗，以延長自身的壽命，能源的高效使用成為路由協議設計的首要目標。
②地震發生的概率非常低，而且地震的發生具有隨機性，是不可預測的，因此傳統的時間周期性傳遞監測數據的路由協議不太合適，這里需要的是事件驅動型傳感器網絡。地震未發生時，只需要周期性地傳輸少量的無線傳感器網絡健康狀況數據，只有地震發生時才需要傳輸大量的關鍵數據。同時地震發生時，監測數據的傳輸對及時性、可靠性有一定的要求，大量的監測數據需要及時、可靠地傳輸到監控中心。
③地震監測的無線傳感器網絡節點會由于能量耗盡或地震破壞等環境因素造成失效減少，或者也會補充一些傳感器節點來彌補失效節點、增加監測精度等，從而使網絡的拓撲結構隨之也動態變化。這就要求無線傳感器網絡有較強的自組織性，能夠適應這種網絡拓撲結構的動態變化。

2 地震監測環境下的路由協議設計
為滿足地震監測的應用需求，本文汲取現有無線傳感器網絡路由協議的優點，提出了一種適合于地震監測的路由協議EEECRP，稱之為能量高效的事件驅動型分簇路由協議。
2．1 協議描述
(1)簇的劃分
由于地震監測范圍廣，并且要求有很好的自組織性，因此EEECRP協議采用分簇路由協議結構。為了獲得較好的簇，采用集中式分簇的方法劃分簇，簇內成員節點與簇首之間采用“一跳”通信的方式傳輸數據，簇首到Sink節點的傳輸則采用“多跳”傳輸方式。另外，為了減少集中式分簇造成的網絡能量消耗，新設計協議間隔相當長的時間(比如半年、一年)才集中式劃分一次簇，其他時間則采用異步更換簇首的方法均衡節點能量的消耗。關于異步更換簇首的細節問題在后邊介紹。
(2)簇首骨干網的構造
地震監測數據最終通過簇首“多跳”轉發給Sink節點，因此網絡中的簇首節點形成主干鏈路網絡。為了保證地震發生時監測數據的可靠和及時傳輸，在簇首節點主干鏈路形成時，采用基于最小跳數的路由算法，為每個簇首建立路由線路。具體算法步驟如下：
①所有簇首節點設置其父節點FATHER_ID=0，并設置其到達Sink節點的最小跳數Min_hop=0；
②由Sink節點向網絡內以洪泛方式廣播最小跳數場構建消息Hop_Msg。Hop_Msg由構建消息標識、發送節點ID和發送節點的最小跳數Min_hop加1組成；
③收到Hop_Msg信息的簇首節點，設置其FA-THER_ID=Sink及到達Sink節點的最小跳數Min_hop=1，同時更新Hop_Msg消息中的的Min_hop和FA-THER_ID，繼續向鄰居節點廣播；
④網絡中收到Hop_Msg消息的簇首節點，檢查該消息中最小跳數Min_hop是否小于自身的最小跳數Min_hop，如果是，則更新自身的父節點FATHER_ID和最小跳數Min_hop，并將該Hop_Msg消息的最小跳數Min_hop和父節點FATHER_ID更新，繼續向鄰居節點廣播，否則將不予處理；
⑤重復步驟④，直到網絡中所有節點都擁有自己的父節點FATHER_ID和到Sink節點的最小跳數Min_hop。算法流程圖如圖1所示。

構建完成后，網絡中每個節點都將擁有自己的最小跳數Min_hop和父節點FATHER_ID，形成了簇首節點的最小跳數場，構建起了簇首節點的骨干網路由。