地震監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究

摘要：針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在地震監(jiān)測應(yīng)用中的路由需求，汲取現(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種適合于地震監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，稱為能量高效的事件驅(qū)動(dòng)型分簇路由協(xié)議EEECRP(Energy Efficient Eventdriven Clustering Routing Protocol)。仿真結(jié)果表明此路由協(xié)議實(shí)時(shí)性好，能有效延長網(wǎng)絡(luò)生命周期，較好地滿足了應(yīng)用的需求。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；地震監(jiān)測；路由協(xié)議；網(wǎng)絡(luò)能耗；數(shù)據(jù)傳輸延遲

引言
    地震監(jiān)測是防震減災(zāi)、地震科學(xué)研究的必要技術(shù)基礎(chǔ)，目前，國內(nèi)外的地震監(jiān)測系統(tǒng)仍處于初級階段，不能滿足地震預(yù)警的要求，存在漏報(bào)、誤報(bào)、遲報(bào)現(xiàn)象，例如監(jiān)測臺網(wǎng)密度低、監(jiān)測數(shù)據(jù)精度低、信息不豐富、數(shù)據(jù)傳輸速度慢、成本高等。
    融多種信息技術(shù)為一體的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensor Network)是一種新興的信息技術(shù)，在信息領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。相對于傳統(tǒng)的有線和其他無線網(wǎng)絡(luò)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有布設(shè)范圍廣、自組織，低能耗、協(xié)同感知、獨(dú)立電源供電、無人值守等特點(diǎn)，能夠很好地滿足地震監(jiān)測的要求。
    地震監(jiān)測過程中，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸離不開路由協(xié)議，路由協(xié)議的研究是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信層的一個(gè)核心技術(shù)，本文結(jié)合地震監(jiān)測的具體應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)出一種適合地震監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議及其應(yīng)用相關(guān)性
1．1 典型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議及其不足
    最小跳數(shù)(Minimum Hop Count，MHC)路由協(xié)議是一種平面路由協(xié)議，其核心部分是采用經(jīng)典的擴(kuò)散算法，在網(wǎng)絡(luò)中建立一個(gè)最小跳數(shù)場，在最小跳數(shù)場內(nèi)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有到基站(Sink節(jié)點(diǎn))的最小跳數(shù)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送消息時(shí)，它按序選擇自己的父節(jié)點(diǎn)作為下一跳。該協(xié)議因能夠提高消息傳輸?shù)目煽啃?、減少傳輸時(shí)延而倍受關(guān)注。但在該協(xié)議中，傳輸數(shù)據(jù)時(shí)有很大的重復(fù)性，同時(shí)它未考慮節(jié)點(diǎn)在監(jiān)聽狀態(tài)下的耗能情況，造成網(wǎng)絡(luò)性能和壽命下降。
    LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)是Heinzelman等人提出的第一個(gè)分簇路由協(xié)議，在每個(gè)數(shù)據(jù)收集周期開始，一小部分節(jié)點(diǎn)隨機(jī)成為簇首，在數(shù)據(jù)傳輸階段，簇首以單跳通信的方式將融合后的數(shù)據(jù)傳輸給基站。它通過角色輪換達(dá)到能量的均勻分布。但是，LEACH假設(shè)所有的節(jié)點(diǎn)都能直接與簇首以及基站通信，在需要監(jiān)測范圍大的應(yīng)用中不適用；而且它僅僅以節(jié)點(diǎn)的剩余能量多少選擇簇首，形成的簇并不是最優(yōu)的。后來，Heinzelman等人在LEACH的基礎(chǔ)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(chǎn)生的簇較佳，但該協(xié)議由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要向基站周期性地報(bào)告它們的能量和位置等信息，從而導(dǎo)致增加網(wǎng)絡(luò)流量、時(shí)間延遲等。
    TEEN(Threshold-Sensitive Energy Efficient Sensor Network Protocol)是第一個(gè)響應(yīng)型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與LEACH類似，只是它的簇成員不像LEACH算法那樣總是發(fā)送數(shù)據(jù)給簇首。TEEN協(xié)議設(shè)置了硬、軟兩個(gè)閥值，只有當(dāng)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)超過硬閾值并且監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化幅度大于軟閾值時(shí)，節(jié)點(diǎn)才會傳送監(jiān)測數(shù)據(jù)。這樣可以大大減少節(jié)點(diǎn)發(fā)射數(shù)據(jù)的次數(shù)，數(shù)據(jù)傳送消耗的能量較少。但TEEN協(xié)議存在一個(gè)缺陷，如果閥值不能達(dá)到，節(jié)點(diǎn)就不會傳輸任何數(shù)據(jù)，導(dǎo)致用戶在某段時(shí)間不知道節(jié)點(diǎn)是否死亡。
1．2 地震監(jiān)測環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)路由需求
    地震監(jiān)測中的路由協(xié)議具有以下特點(diǎn)：
    ①網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大，分布范圍廣，對網(wǎng)絡(luò)節(jié)能性要求高。地震監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布范圍非常廣，而且地形環(huán)境復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)電池的更換或能量的補(bǔ)給幾乎是不可能的，因此網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)應(yīng)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(xié)議設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)。
    ②地震發(fā)生的概率非常低，而且地震的發(fā)生具有隨機(jī)性，是不可預(yù)測的，因此傳統(tǒng)的時(shí)間周期性傳遞監(jiān)測數(shù)據(jù)的路由協(xié)議不太合適，這里需要的是事件驅(qū)動(dòng)型傳感器網(wǎng)絡(luò)。地震未發(fā)生時(shí)，只需要周期性地傳輸少量的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)健康狀況數(shù)據(jù)，只有地震發(fā)生時(shí)才需要傳輸大量的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。同時(shí)地震發(fā)生時(shí)，監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸對及時(shí)性、可靠性有一定的要求，大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)需要及時(shí)、可靠地傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。
    ③地震監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)會由于能量耗盡或地震破壞等環(huán)境因素造成失效減少，或者也會補(bǔ)充一些傳感器節(jié)點(diǎn)來彌補(bǔ)失效節(jié)點(diǎn)、增加監(jiān)測精度等，從而使網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨之也動(dòng)態(tài)變化。這就要求無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有較強(qiáng)的自組織性，能夠適應(yīng)這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化。

2 地震監(jiān)測環(huán)境下的路由協(xié)議設(shè)計(jì)
    為滿足地震監(jiān)測的應(yīng)用需求，本文汲取現(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種適合于地震監(jiān)測的路由協(xié)議EEECRP，稱之為能量高效的事件驅(qū)動(dòng)型分簇路由協(xié)議。
2．1 協(xié)議描述
    (1)簇的劃分
    由于地震監(jiān)測范圍廣，并且要求有很好的自組織性，因此EEECRP協(xié)議采用分簇路由協(xié)議結(jié)構(gòu)。為了獲得較好的簇，采用集中式分簇的方法劃分簇，簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)與簇首之間采用“一跳”通信的方式傳輸數(shù)據(jù)，簇首到Sink節(jié)點(diǎn)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(wǎng)絡(luò)能量消耗，新設(shè)計(jì)協(xié)議間隔相當(dāng)長的時(shí)間(比如半年、一年)才集中式劃分一次簇，其他時(shí)間則采用異步更換簇首的方法均衡節(jié)點(diǎn)能量的消耗。關(guān)于異步更換簇首的細(xì)節(jié)問題在后邊介紹。
    (2)簇首骨干網(wǎng)的構(gòu)造
    地震監(jiān)測數(shù)據(jù)最終通過簇首“多跳”轉(zhuǎn)發(fā)給Sink節(jié)點(diǎn)，因此網(wǎng)絡(luò)中的簇首節(jié)點(diǎn)形成主干鏈路網(wǎng)絡(luò)。為了保證地震發(fā)生時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠和及時(shí)傳輸，在簇首節(jié)點(diǎn)主干鏈路形成時(shí)，采用基于最小跳數(shù)的路由算法，為每個(gè)簇首建立路由線路。具體算法步驟如下：
    ①所有簇首節(jié)點(diǎn)設(shè)置其父節(jié)點(diǎn)FATHER_ID=0，并設(shè)置其到達(dá)Sink節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)Min_hop=0；
    ②由Sink節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)以洪泛方式廣播最小跳數(shù)場構(gòu)建消息Hop_Msg。Hop_Msg由構(gòu)建消息標(biāo)識、發(fā)送節(jié)點(diǎn)ID和發(fā)送節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)Min_hop加1組成；
    ③收到Hop_Msg信息的簇首節(jié)點(diǎn)，設(shè)置其FA-THER_ID=Sink及到達(dá)Sink節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)Min_hop=1，同時(shí)更新Hop_Msg消息中的的Min_hop和FA-THER_ID，繼續(xù)向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播；
    ④網(wǎng)絡(luò)中收到Hop_Msg消息的簇首節(jié)點(diǎn)，檢查該消息中最小跳數(shù)Min_hop是否小于自身的最小跳數(shù)Min_hop，如果是，則更新自身的父節(jié)點(diǎn)FATHER_ID和最小跳數(shù)Min_hop，并將該Hop_Msg消息的最小跳數(shù)Min_hop和父節(jié)點(diǎn)FATHER_ID更新，繼續(xù)向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播，否則將不予處理；
    ⑤重復(fù)步驟④，直到網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)都擁有自己的父節(jié)點(diǎn)FATHER_ID和到Sink節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)Min_hop。算法流程圖如圖1所示。

    構(gòu)建完成后，網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都將擁有自己的最小跳數(shù)Min_hop和父節(jié)點(diǎn)FATHER_ID，形成了簇首節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)場，構(gòu)建起了簇首節(jié)點(diǎn)的骨干網(wǎng)路由。
    (3)簇首更換
    在分簇路由協(xié)議中，簇首的能量消耗最大。為了均衡簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)的能量消耗，需要更換簇首。本協(xié)議中簇首的更換采用異步方式進(jìn)行，簇首在自己的能量低于一定閾值時(shí)，向簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)廣播CH_change消息，簇內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)收到CH_change消息后將自己的位置和當(dāng)前能量等信息報(bào)告給簇首。簇首根據(jù)這些信息從中選擇一個(gè)能量和地理位置最優(yōu)的節(jié)點(diǎn)作為新簇首，并把新簇首消息廣播出去。新簇首繼承原簇首的父節(jié)點(diǎn)FATHER_ID和最小跳數(shù)Min_hop等信息，原簇首的下一跳簇首(按照從Sink節(jié)點(diǎn)到離Sink節(jié)點(diǎn)最遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)方向)則需要修改它們的路由表信息，將其父節(jié)點(diǎn)FATHER_ID修改為新當(dāng)選的簇首，簇首更換情況如圖2所示。

    (4)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換
    在地震未發(fā)生時(shí)，盡量使傳感器節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)，這樣可以大大降低網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，延長網(wǎng)絡(luò)的生存周期。傳感器節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換示意圖如圖3所示，本文設(shè)計(jì)的路由協(xié)議中，傳感器節(jié)點(diǎn)多數(shù)情況下是處于睡眠狀態(tài)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)探測到有地震發(fā)生或需要周期性傳遞日常數(shù)據(jù)時(shí)，節(jié)點(diǎn)便從睡眠狀態(tài)轉(zhuǎn)入發(fā)送狀態(tài)；當(dāng)節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)時(shí)，若收到有效的信號，便從睡眠狀態(tài)進(jìn)入到接收狀態(tài)；當(dāng)節(jié)點(diǎn)處于發(fā)送或接收狀態(tài)下，如果在一定時(shí)間內(nèi)沒有收發(fā)數(shù)據(jù)，則傳感器節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)。

2．2 數(shù)據(jù)的傳輸過程
    地震未發(fā)生時(shí)，普通傳感器節(jié)點(diǎn)間隔一定的時(shí)間將自己的能量、位置等少量日常信息發(fā)送給簇首，簇首按照事先構(gòu)建好的路由將這些信息匯聚融合后轉(zhuǎn)發(fā)給Sink節(jié)點(diǎn)。由于日常數(shù)據(jù)信息量小，數(shù)據(jù)傳輸率低，因此傳輸日常數(shù)據(jù)消耗的能量非常少。
    當(dāng)監(jiān)測區(qū)域有地震發(fā)生時(shí)，最先感應(yīng)到地震的節(jié)點(diǎn)向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播喚醒包，同時(shí)本地保存地震信息，喚醒包中攜帶信息包括：本節(jié)點(diǎn)位置、地震關(guān)聯(lián)度degree=0，以及其他一些信息。普通節(jié)點(diǎn)收到喚醒包后馬上監(jiān)測周圍地震的發(fā)生，如果節(jié)點(diǎn)監(jiān)測不到地震，節(jié)點(diǎn)將喚醒包中的地震關(guān)聯(lián)度degree加1，若地震關(guān)聯(lián)度degree大于2，則丟棄該包；否則，轉(zhuǎn)發(fā)喚醒包；若節(jié)點(diǎn)已經(jīng)收到過該喚醒包，則丟棄包；簇首節(jié)點(diǎn)收到喚醒包后，立即廣播ready消息準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)；普通節(jié)點(diǎn)收到ready消息后，如果其地震關(guān)聯(lián)度degree不大于2，則發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)給簇首，簇首節(jié)點(diǎn)將監(jiān)測數(shù)據(jù)沿著事先建立好的最小跳路由傳送給Sink節(jié)點(diǎn)，并在傳輸過程中進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。

3 仿真分析
    為驗(yàn)證本文新提出協(xié)議EEECRP的性能，在NS2環(huán)境下進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，主要從網(wǎng)絡(luò)能量消耗和數(shù)據(jù)的傳輸延時(shí)兩方面進(jìn)行評估，并將仿真結(jié)果與最小跳數(shù)(MHC)路由協(xié)議進(jìn)行了對比分析。
    仿真主要參數(shù)設(shè)置如下：在200×200的區(qū)域中，隨機(jī)分布100個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置已知，基站(Sink節(jié)點(diǎn))位于坐標(biāo)(x=0，y=0)處；節(jié)點(diǎn)初始能量為2 j；仿真總時(shí)間為600 s，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)每隔5 s發(fā)送一次口常數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包長度為768位，仿真到300 s時(shí)某處節(jié)點(diǎn)隨機(jī)發(fā)生一次模擬地震，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包為4 332 678位。

    圖4比較了兩種協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)總能量消耗情況。從圖4中可以看出，MHC路由協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行到412 s時(shí)，節(jié)點(diǎn)兒乎用完了網(wǎng)絡(luò)所有能量，而EEECRP協(xié)議在運(yùn)行到601 s左右才用完所有能量。在網(wǎng)絡(luò)的整個(gè)運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，EEECRP協(xié)議節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)總能耗要明顯少于MHC路由協(xié)議。

    圖5比較了兩種算法在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)。從圖5中可以看出，地震未發(fā)生時(shí)，采用EEECRP協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)總體上與MHC路由協(xié)議相當(dāng)，或者略次于MHC路由協(xié)議；但當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，EEECRP協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)要好于MHC路由協(xié)議，故EEECRP協(xié)議更適合丁地震監(jiān)測的應(yīng)用環(huán)境。
    本文對EEECRP協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)進(jìn)行了多次仿真實(shí)驗(yàn)，在相同的模擬時(shí)間內(nèi)，不同的模擬地震節(jié)點(diǎn)數(shù)或者模擬地震時(shí)產(chǎn)生的總數(shù)據(jù)量對平均數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)均有影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所列。

    從表1中可以看出，在模擬地震節(jié)點(diǎn)數(shù)較少，并且平均產(chǎn)生的總數(shù)據(jù)量較少時(shí)，平均數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)非常短，僅為1 00多ms。隨著模擬地震節(jié)點(diǎn)數(shù)的增多和模擬地震時(shí)產(chǎn)生的總數(shù)據(jù)量增大，平均數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)會增加，但相對于目前已有的地震監(jiān)測手段，平均數(shù)據(jù)延時(shí)仍然是非常短的，能夠滿足地震監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信要求，證實(shí)了該協(xié)議在地震監(jiān)測中的有效件。

結(jié)語
    以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在地震監(jiān)測中的應(yīng)用為研究背景，分析了該應(yīng)用環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)路由需求，提出了一個(gè)適用于地震監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議EEECRP。該協(xié)議具有自組織性，可擴(kuò)展性好，適合大規(guī)模地震監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；協(xié)議節(jié)能性好，并且各簇首之間采用基于最小跳數(shù)的路由傳輸，保證了監(jiān)測數(shù)據(jù)的及時(shí)、可靠。仿真結(jié)果表明該協(xié)議的能量利用率高，實(shí)時(shí)性好，能有效延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期，較好地滿足了地震監(jiān)測應(yīng)用的需求。