摘  要： 采用家族譜系的描述方法,，提出了一種適用于復雜現(xiàn)場監(jiān)測的工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡路由和通信資源分配算法。該算法利用無線傳感器網(wǎng)絡的廣播特性,，采用分層,、分時和分頻相結(jié)合的策略實現(xiàn)路由和通信資源的分配，具有條理清晰,、實現(xiàn)簡單的特點,。仿真測試表明，該算法能夠有效提高無線網(wǎng)絡的通信效率,，可靠性高,，并具有良好的可擴展性。
關鍵詞： 工業(yè)現(xiàn)場,；無線網(wǎng)絡,；路由；資源分配

    隨著半導體,、微電子,、通信和計算機技術的飛速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡技術取得了巨大的進步,。由于無線傳感器網(wǎng)絡能夠獲取多種客觀物理信息,，已被應用在軍事國防、工農(nóng)業(yè)控制,、城市管理,、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測,、搶險救災等諸多領域,。尤其是在惡劣環(huán)境下的工業(yè)現(xiàn)場設備監(jiān)測(如大型工廠的冶金設備監(jiān)測、綿延數(shù)千公里的輸油管道監(jiān)測和巨型船舶測試場的監(jiān)測等)是近年來的研究熱點[1],。
    在無線傳感器網(wǎng)絡中,，路由協(xié)議負責將數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點通過網(wǎng)絡轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點。路由的關鍵是要尋找源節(jié)點到目的節(jié)點間通信延遲較小的路徑,，提高整個網(wǎng)絡的利用率,，避免通信擁塞并均衡網(wǎng)絡流量。傳感器網(wǎng)絡的路由機制經(jīng)常與數(shù)據(jù)融合技術一起應用,，通過減少通信量來節(jié)省能量,。WIA-PA工業(yè)無線標準規(guī)定[2]：設備在加入網(wǎng)絡后,，各個路由設備通過發(fā)送信標幀來分配通信資源。信標幀中含有路由設備自身的超幀結(jié)構(gòu)信息,。超幀是一種用來組織網(wǎng)絡通信時間分配的邏輯結(jié)構(gòu),。超幀機制要求通信設備之間的時間精確同步，而時間信息的傳播依賴于網(wǎng)絡的路由,。路由的實現(xiàn)離不開網(wǎng)絡管理者對通信資源的分配，通信資源的分配效率將直接影響網(wǎng)絡各方面的性能,。
1 相關研究
1.1 無線網(wǎng)絡的路由協(xié)議
    隨著無線傳感器網(wǎng)絡技術的發(fā)展,，出現(xiàn)許多專門針對無線傳感器網(wǎng)絡的路由協(xié)議。根據(jù)應用目標的不同,，這些路由協(xié)議大致可分為四種類型：能量感知路由協(xié)議,、基于查詢的路由協(xié)議、地理位置路由協(xié)議和可靠路由協(xié)議,。
    能量感知路由主要是根據(jù)節(jié)點的可用能量(剩余能量)或傳輸路徑上的能量需求,，選擇數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。為了均衡消耗整個網(wǎng)絡的能量,，SHAH R C.等人提出了一種能量多路徑路由機制[3],。其核心思想是在源節(jié)點和目的節(jié)點之間建立多條路徑，根據(jù)路徑上節(jié)點的通信能耗以及節(jié)點的剩余能量,，給每條路徑設置一個被選擇的概率,，將通信能耗分散到多條路徑上，延長網(wǎng)絡的壽命,。
    定向擴散是一種基于查詢的以數(shù)據(jù)為中心的路由機制[4],。匯聚節(jié)點根據(jù)應用需求，廣播興趣消息啟動路由建立過程,。中間節(jié)點通過興趣表建立從數(shù)據(jù)源到匯聚節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸梯度,，自動形成數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩鄺l路徑。在這多條路徑中,，使用路徑加強機制生成一條優(yōu)化的數(shù)據(jù)傳輸路徑,。基于查詢的路由協(xié)議還有適用于數(shù)據(jù)傳輸量較小的傳感器網(wǎng)絡的謠傳路由等,。
    在某些應用中,，節(jié)點需要獲取它的位置信息，如森林防火,。地理位置路由假設節(jié)點已知自己的地理位置信息,，以及目的節(jié)點或目的區(qū)域的地理位置，并依據(jù)這些地理信息選擇路由,。相關研究包括：GEAR(Geographical and Energy Aware Routing)機制[5],、GEM(Graph Embedding)路由[6]和邊界定位地理路由[7]等,。還有些應用對數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃杂休^高要求，因此可靠路由協(xié)議是路由協(xié)議研究的一個重要方向,。例如基于不相交路徑的多路徑路由機制,，在這種機制中由于各個路徑被設置成不同的優(yōu)先級，當主路徑失效時,，次優(yōu)路徑將成為新的主路徑,。
1.2 無線網(wǎng)絡的通信資源分配算法
    由于無線通信設備的信道有限，并且信息傳播存在干擾,，通信資源的分配效率對網(wǎng)絡的性能影響很大,。近年來出現(xiàn)了許多無線通信技術，用于提高無線網(wǎng)絡的通信能力,。
    碼分多址接入CDMA(Code Division Multiple Access)是在擴頻通信技術上發(fā)展起來的一種嶄新而成熟的無線通信技術,。CDMA技術的原理是基于擴頻技術，即將需傳送的具有一定信號帶寬信息數(shù)據(jù),，用一個帶寬遠大于信號帶寬的高速偽隨機碼進行調(diào)制,，使原數(shù)據(jù)信號的帶寬被擴展，再經(jīng)載波調(diào)制并發(fā)送出去,。接收端使用完全相同的偽隨機碼,，與接收的帶寬信號作相關處理，把寬帶信號換成原信息數(shù)據(jù)的窄帶信號即解擴,，以實現(xiàn)信息通信,。
    時分多址接入TDMA(Time Division Multiple Access)是把一個傳輸通道進行時間分割以傳送若干話路的信息，把N個話路設備接到一條公共的通道上,，按一定的次序輪流地給各個設備分配一段使用通道的時間,。當輪到某個設備時，這個設備與通道接通,，執(zhí)行操作,。與此同時，其他設備與通道的聯(lián)系均被切斷,。待指定的使用時間間隔一到,，則通過時分多路轉(zhuǎn)換開關把通道連接到下一個要連接的設備上去。
    頻分多址接入FDMA(Frequency Division Multiple Access)是數(shù)據(jù)通信中的一種技術,，即不同的用戶分配在時隙相同而頻率不同的信道上,。按照這種技術，把在頻分多路傳輸系統(tǒng)中集中控制的頻段根據(jù)要求分配給用戶,。同固定分配系統(tǒng)相比,，頻分多址使通道容量可根據(jù)要求動態(tài)地進行交換。
2 基于工業(yè)無線網(wǎng)絡的路由協(xié)議
2.1 家族譜系描述方法
    家族譜系也稱“家譜”，是一種記載一個以血緣關系為主體的家族世系繁衍和重要人物事跡的特殊圖書體裁,。世系圖是家譜的一個重要組成部分,。家譜在立譜時，便確定了家族世系命名的輩分序列,，而且事先標定字號,、輩分。本文從網(wǎng)絡拓撲角度出發(fā),，借用家譜的術語和結(jié)構(gòu)關系進行網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和路由協(xié)議的描述,。
    圖1所示為典型的樹型結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡拓撲。樹型結(jié)構(gòu)是一類重要的非線性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),。該結(jié)構(gòu)中,，有且僅有一個根(Root)，如A節(jié)點,?；パa相交的有限集均稱為子樹,。節(jié)點的子樹的根稱為該節(jié)點的孩子(Child),，該節(jié)點相應地稱為孩子的雙親(Parent)。同一個雙親的孩子之間互稱為兄弟(Sibling),。沒有孩子的節(jié)點的節(jié)點也被稱為葉子(Leaf),。這是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中對樹的定義。

    本文根據(jù)家族譜系中的稱謂和關系,，將其對應到樹型結(jié)構(gòu)中的節(jié)點和節(jié)點之間的關系,。使得對網(wǎng)絡拓撲和路由協(xié)議的描述更加清晰、方便,、易于理解,。
    Root節(jié)點稱為根節(jié)點，也叫祖先節(jié)點,。以圖1為例,，與根節(jié)點直接相連的孩子節(jié)點統(tǒng)稱為“第1代”(B、C,、D節(jié)點),，“第1代”的孩子節(jié)點統(tǒng)稱為“第2代”(E、F,、H,、I、J節(jié)點),，以此類推,。根節(jié)點也稱為“第0代”。節(jié)點的子樹的根稱為該節(jié)點“兒子”,，相應地,，該節(jié)點稱為兒子的“父親”,。例如：A節(jié)點是B節(jié)點的父親，B節(jié)點是A節(jié)點的兒子,。同一個父親的兒子之間互為“親兄弟”,，親兄弟有排行順序，稱為“家內(nèi)排行”,。父親節(jié)點位于同一代的節(jié)點之間互為“堂兄弟”,。例如：F節(jié)點和H節(jié)點互為堂兄弟。堂兄弟有排行順序,，稱為“族內(nèi)排行”,。節(jié)點與上一代的節(jié)點(除了自己的父親節(jié)點以外)構(gòu)成“叔侄”關系。例如：C節(jié)點為F節(jié)點的叔父,，F(xiàn)節(jié)點為C節(jié)點的子侄,。
2.2 拓撲結(jié)構(gòu)的建立與路由協(xié)議
    網(wǎng)絡建立之初，當網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器上電后,，根節(jié)點廣播發(fā)出“子嗣發(fā)現(xiàn)”數(shù)據(jù)包,，其中包含發(fā)送節(jié)點的層變量(level=0)和節(jié)點ID。根節(jié)點的鄰居節(jié)點接收到根節(jié)點發(fā)出的“子嗣發(fā)現(xiàn)”數(shù)據(jù)包后,，將自己的層變量設置為1(level=1),，即確定自己為“第1代”中的一員；同時,，“第1代”需要向父節(jié)點發(fā)送一個“父子關系確認”數(shù)據(jù)包(包含節(jié)點自身ID),，發(fā)送時間根據(jù)節(jié)點ID適當延遲，以避免碰撞,。然后,，“第1代”的節(jié)點繼續(xù)廣播“子嗣發(fā)現(xiàn)”數(shù)據(jù)包。沒有確定層變量的節(jié)點在收到“第i代”節(jié)點的“子嗣發(fā)現(xiàn)”數(shù)據(jù)包后,，記錄發(fā)送方的ID,，將自己的層變量設置為(i+1)，并回復“父子關系確認”數(shù)據(jù)包,。這個過程蔓延下去,，直到網(wǎng)絡內(nèi)的所有節(jié)點都被賦予一個層變量值，屬于家族樹中的某一代,，擁有唯一的父節(jié)點和若干子節(jié)點,。在家族樹的建立過程中，父節(jié)點在收到所有子節(jié)點發(fā)來的確認報文后,，需要廣播一個“長幼順序”數(shù)據(jù)包,，其中包含所有子節(jié)點的排列順序。子節(jié)點收到“長幼順序”數(shù)據(jù)包后，記錄自己的在兄弟中的排行,，也就是“家內(nèi)排行”,。數(shù)據(jù)包的交互過程如圖2所示。

    由于網(wǎng)絡的樹型結(jié)構(gòu)需要通過數(shù)據(jù)報文被不斷傳播,，本協(xié)議還設計了一種具有針對性的樹型結(jié)構(gòu)線性存儲方式,。該存儲方式結(jié)構(gòu)清晰，所占空間較小,，便于節(jié)點設備在本地存儲自己的子樹結(jié)構(gòu),，以及將自己的子樹結(jié)構(gòu)以數(shù)據(jù)報文的形式發(fā)送出去。其數(shù)據(jù)格式如圖3所示,，數(shù)據(jù)舉例部分依據(jù)圖1的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),，根節(jié)點的ID為13，其余節(jié)點的ID以字母順序編號,。當一個子節(jié)點接收到其所有子節(jié)點發(fā)送的“子樹報告”數(shù)據(jù)包后,，它應組織一個包含自己所有子樹的“子樹報告”數(shù)據(jù)包發(fā)送給父節(jié)點。

3 基于工業(yè)無線網(wǎng)絡的通信資源分配算法
3.1 信道與時隙的分配原則
    由于無線傳感器網(wǎng)絡的通信特點,，不同設備在相互通信時存在干擾,。要想同時通信，相鄰層之間不可分配相同的信道,。對于信道的分配,，可以設置n層作為一個信道重復周期,。假設n=3,，如圖4所示，Root節(jié)點與第1代通信使用ch1信道,，第1代與第2代通信使用ch2信道,，第2代與第3代通信使用ch3信道，第3代與第4代通信可以重復使用ch1信道,，如此循環(huán),。
    由于無線傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點一般只裝備一套射頻裝置，所以節(jié)點之間進行單播通信時需要分時,。
    父節(jié)點可以向所有子節(jié)點發(fā)送廣播報文,，例如：時間同步報文、數(shù)據(jù)查詢報文等,。如果不同父節(jié)點發(fā)送的廣播報文覆蓋范圍重合,，子節(jié)點在接收時就存在干擾，需要分時,。如圖4所示,，節(jié)點1的廣播范圍覆蓋節(jié)點4、5，節(jié)點2的廣播范圍覆蓋節(jié)點6,，則節(jié)點5和節(jié)點6不能同時接收父節(jié)點發(fā)送的廣播報文,。在家族樹結(jié)構(gòu)中，需要分時通信的情況還包括：父節(jié)點相同的節(jié)點在與其父節(jié)點通信時,，需要分時,；存在干擾的堂兄弟節(jié)點在與其父節(jié)點通信時，需要分時,。

3.2 通信資源的分配算法
  
    若同一代的節(jié)點發(fā)送廣播報文的覆蓋范圍都重合,，并且堂兄弟節(jié)點在與其父節(jié)點通信時均存在干擾，以圖4的拓撲結(jié)構(gòu)為例,，資源的分配結(jié)果如圖5(a)所示,；若同一代的節(jié)點發(fā)送廣播報文的覆蓋范圍都重合，而堂兄弟節(jié)點在與其父節(jié)點通信時均不存在干擾,，以圖4的拓撲結(jié)構(gòu)為例,，資源的分配結(jié)果如圖5(b)所示。

4 仿真實驗及分析
    仿真實驗在OMNet++平臺上進行,，拓撲采用8×8的Mesh結(jié)構(gòu),，64個節(jié)點中包含一個網(wǎng)絡管理者，負責全網(wǎng)絡通信資源的分配,。實驗節(jié)點以中科院自主設計的GAINS-2節(jié)點為原型,，該節(jié)點與Mica2節(jié)點兼容。節(jié)點的微控制器采用Atmega128L,，射頻芯片采用CC1000,。網(wǎng)絡協(xié)議用Visual C++開發(fā)，網(wǎng)絡拓撲由.ned文件生成,。
    在網(wǎng)絡正常監(jiān)控階段,，當用戶端有查詢?nèi)蝿諘r，查詢報文將沿著網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)傳播,。圖6為模擬系統(tǒng)隨機生成的網(wǎng)絡拓撲以及路由協(xié)議建立的樹型結(jié)構(gòu),。查詢?nèi)蝿找话憔哂兄芷谛裕鼐W(wǎng)絡的梯度方向傳播,。

    網(wǎng)絡維護代價,、平均加入時延和平均傳輸時延是衡量路由協(xié)議和通信資源分配算法性能的一個重要指標。仿真實驗結(jié)果如圖7所示,，數(shù)據(jù)的傳輸時延與鏈路的質(zhì)量密切相關,。
    在仿真實驗中，保持監(jiān)控區(qū)域面積不變,，改變網(wǎng)絡中節(jié)點的數(shù)目,，為達到應用要求,，需要增加節(jié)點的射頻距離，則能耗代價與節(jié)點的數(shù)目密切相關,。圖8為網(wǎng)絡能耗代價與節(jié)點數(shù)目之間的變化關系,。

    工業(yè)無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡技術是無線網(wǎng)絡研究領域的一個新的研究方向。本文采用家族譜系的描述方法,，提出了一種適用于復雜工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)測的工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡的路由和通信資源分配算法,。這種通信資源分配算法采用分層、分時,、分頻相結(jié)合的通信策略,，充分利用了無線傳感器網(wǎng)絡的特性，能夠有效提高無線網(wǎng)絡的通信效率,。由于工業(yè)無線監(jiān)測網(wǎng)絡的工作環(huán)境具有多樣性,，因此，未來的一個重要任務就是提高路由和通信資源分配算法的適應性和可靠性,，克服外界環(huán)境變化造成的影響,。
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