無線傳感器網絡帶狀拓撲路由研究與應用

0 引言
無線傳感器網絡技術目前處于計算機網絡研究領域的前沿，并有可能發展成為一個新的巨大經濟規模的高科技市場。如今，由美國軍方資助的學術研究機構、跨國公司和全球最大的IT供應商們均已將傳感器網絡列入研發計劃并積極開展。隨著無線傳感器網絡的深入研究和廣泛應用，無線傳感器網絡將逐漸深入到人類生活的各個領域。

無線傳感器網絡在智能交通中應用的有著巨大前景，在道路交通中，傳感網又有其特殊的網絡拓撲結構，帶狀的拓撲結構。本文結合無線傳感器網絡的特點，研究適合帶狀拓撲結構的易實現的網絡路由協議。

1 網絡結構及路由分析
現有的路由技術的局限性使其不能直接用于傳感器網絡，而針對移動Ad Hoc網絡設計的組網和通信協議一般也不適合于傳感器網絡。其重要原因之一是其擴展性的要求不同，移動Ad Hoc網絡相對節點的移動性來講，擴展性問題并不十分突出；而傳感器網絡要求支持大規模網絡，節點的移動性較弱甚至沒有，主要問題變為如何延長網絡的生存時間。這決定了兩種網絡有不同的優化目標。因此，有必要針對交通示范工程中交通信息數據采集、傳輸等特點，研究傳感器網絡路由協議，重點解決提高擴展性、低功耗、適應網絡拓撲結構的變化等問題。

帶狀拓撲的網絡，如圖1，網絡呈樹型鏈狀結構，借用分級網絡[1]的概念，將網絡分為兩層，底層是傳感器節點采集環境參數，高層是網絡的匯聚節點，或是本地區小網絡的管理中心，匯聚本地區的信息經數據融合后傳至更高層的網絡。由于帶狀網絡的特殊性，按地理位置將底層網絡分為多個簇，合理的簇結構是按鏈的方向分簇，并不指定簇頭，所以底層網絡也可稱為無簇頭的分級網絡。正常情況下，不同簇間節點互不通信，所有節點的采集信息經本簇節點傳送至上層網絡。

圖1 帶狀結構的網絡拓撲圖

如圖1中，將底層分為M、N、P三個簇，簇內成員數可以在帶狀區域任意擴展。上層網絡節點B可以高速移動[2]。
這樣一個帶狀結構的網絡，路由建立與維護都有其特殊性。由于底層節點無需移動，或在某一范圍緩慢移動，其目的是將采集的信息傳至上層移動的節點。所以底層網絡路由采用表驅動方式。由上層網絡節點來建立整個網絡的路由，但維護路由的任務卻由本地節點來完成。

2 帶狀網絡結構路由協議

2.1 路由建立
路由建立過程的思想是，由上層節點在全網范圍內廣播路由請求數據包RREQ，底層節點收到RREQ后即更新鄰居鏈表，同時更新路由表，然后同樣以廣播的方式轉發RREQ，但只轉發同一簇內的RREQ；本地節點在同一簇內建立路由，但維護的鄰居鏈表包括整個網絡的鄰居信息，以記錄網絡的連通性。

借用AODV路由協議中RREQ包格式，定義協議RREQ格式如表1[3,4]。

其中，包類型：用于標明該數據包是RREQ包，廣播包；源地址：發起RREQ的節點地址，應為上層網絡節點的地址；跳數：源節點到接收到RREQ包的節點經過的跳段數；廣播ID：由源節點維護的序列號，用于唯一標識RREQ包。

其中，目的節點：記錄目的節點地址，應為上層網絡節點的地址；路由狀態：路由是否有效標志；下一跳：本地節點到目的節點的下一跳節點地址；路由過期時間：路由不再有效的時間點。
按照建立路由過程中不同節點的作用，路由建立過程如下：
1）上層移動節點：向全網廣播RREQ用于建立路由；接收各個簇內節點攜帶信息的數據包。如圖1中節點B。由廣播ID和源地址序列對唯一標識RREQ，用于判斷處理是否收到重復的RREQ包
2）可以和移動節點直接通信的節點：接收到RREQ后，首先更新鄰居鏈表，然后將本地路由表里的下一跳寫下B，更新路由表。如圖1中，M3、N3、P3此時和B直接相連，分別是三個簇內其它節點接入上層節點的出口。

圖2 本地節點建立路由流程

3）底層網絡中其它節點：M3、N3、P3接到B的RREQ，更新路由表后同樣以廣播的方式轉發RREQ，此時不同簇內節點會互相收到轉發的RREQ，利用此信息更新本地節點的鄰居鏈表。例如圖1中，N4收到N3轉發的RREQ，同時也可能收到M3、P3轉發的RREQ，N4利用此信息更新其鄰居鏈表。但N4用同一簇成員轉發的RREQ更新路由表，路由表中下一跳記錄為N3地址，然后丟掉接收到的其它同一RREQ包。同樣以廣播的方式再次轉發RREQ。這樣處理的好處是，在同一簇內廣播RREQ，即建立了路由，記錄了本地節點的所有鄰居節點，包括其它簇內的鄰居節點，又有效的避免了RREQ在整個網絡中引起“廣播風暴”的問題。其它節點均按同樣的方式處理，直到RREQ包達到最大的網絡半徑。