地震監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議研究

摘要：針對無線傳感器網(wǎng)絡在地震監(jiān)測應用中的路由需求，汲取現(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議的優(yōu)點，提出了一種適合于地震監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議，稱為能量高效的事件驅(qū)動型分簇路由協(xié)議EEECRP(Energy Efficient Eventdriven Clustering Routing Protocol)。仿真結果表明此路由協(xié)議實時性好，能有效延長網(wǎng)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(wǎng)絡；地震監(jiān)測；路由協(xié)議；網(wǎng)絡能耗；數(shù)據(jù)傳輸延遲

引言
    地震監(jiān)測是防震減災、地震科學研究的必要技術基礎，目前，國內(nèi)外的地震監(jiān)測系統(tǒng)仍處于初級階段，不能滿足地震預警的要求，存在漏報、誤報、遲報現(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。
    融多種信息技術為一體的無線傳感器網(wǎng)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(tǒng)的有線和其他無線網(wǎng)絡，無線傳感器網(wǎng)絡具有布設范圍廣、自組織，低能耗、協(xié)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(jiān)測的要求。
    地震監(jiān)測過程中，網(wǎng)絡數(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)絡通信層的一個核心技術，本文結合地震監(jiān)測的具體應用需求，設計出一種適合地震監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議。

1 無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議及其應用相關性
1．1 典型無線傳感器網(wǎng)絡路由協(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)典的擴散算法，在網(wǎng)絡中建立一個最小跳數(shù)場，在最小跳數(shù)場內(nèi)，每個節(jié)點擁有到基站(Sink節(jié)點)的最小跳數(shù)。當節(jié)點需要發(fā)送消息時，它按序選擇自己的父節(jié)點作為下一跳。該協(xié)議因能夠提高消息傳輸?shù)目煽啃浴p少傳輸時延而倍受關注。但在該協(xié)議中，傳輸數(shù)據(jù)時有很大的重復性，同時它未考慮節(jié)點在監(jiān)聽狀態(tài)下的耗能情況，造成網(wǎng)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(xié)議，在每個數(shù)據(jù)收集周期開始，一小部分節(jié)點隨機成為簇首，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。它通過角色輪換達到能量的均勻分布。但是，LEACH假設所有的節(jié)點都能直接與簇首以及基站通信，在需要監(jiān)測范圍大的應用中不適用；而且它僅僅以節(jié)點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)議由于每個節(jié)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(wǎng)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(wǎng)絡路由協(xié)議，其網(wǎng)絡結構與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)議設置了硬、軟兩個閥值，只有當監(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，節(jié)點才會傳送監(jiān)測數(shù)據(jù)。這樣可以大大減少節(jié)點發(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)議存在一個缺陷，如果閥值不能達到，節(jié)點就不會傳輸任何數(shù)據(jù)，導致用戶在某段時間不知道節(jié)點是否死亡。
1．2 地震監(jiān)測環(huán)境下的網(wǎng)絡路由需求
    地震監(jiān)測中的路由協(xié)議具有以下特點：
    ①網(wǎng)絡規(guī)模大，分布范圍廣，對網(wǎng)絡節(jié)能性要求高。地震監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡分布范圍非常廣，而且地形環(huán)境復雜，節(jié)點電池的更換或能量的補給幾乎是不可能的，因此網(wǎng)絡及網(wǎng)絡中的節(jié)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(xié)議設計的首要目標。
    ②地震發(fā)生的概率非常低，而且地震的發(fā)生具有隨機性，是不可預測的，因此傳統(tǒng)的時間周期性傳遞監(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)動型傳感器網(wǎng)絡。地震未發(fā)生時，只需要周期性地傳輸少量的無線傳感器網(wǎng)絡健康狀況數(shù)據(jù)，只有地震發(fā)生時才需要傳輸大量的關鍵數(shù)據(jù)。同時地震發(fā)生時，監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸對及時性、可靠性有一定的要求，大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)需要及時、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)絡節(jié)點會由于能量耗盡或地震破壞等環(huán)境因素造成失效減少，或者也會補充一些傳感器節(jié)點來彌補失效節(jié)點、增加監(jiān)測精度等，從而使網(wǎng)絡的拓撲結構隨之也動態(tài)變化。這就要求無線傳感器網(wǎng)絡有較強的自組織性，能夠適應這種網(wǎng)絡拓撲結構的動態(tài)變化。

2 地震監(jiān)測環(huán)境下的路由協(xié)議設計
    為滿足地震監(jiān)測的應用需求，本文汲取現(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議的優(yōu)點，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)議結構。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)絡能量消耗，新設計協(xié)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(jié)點能量的消耗。關于異步更換簇首的細節(jié)問題在后邊介紹。
    (2)簇首骨干網(wǎng)的構造
    地震監(jiān)測數(shù)據(jù)最終通過簇首“多跳”轉發(fā)給Sink節(jié)點，因此網(wǎng)絡中的簇首節(jié)點形成主干鏈路網(wǎng)絡。為了保證地震發(fā)生時監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠和及時傳輸，在簇首節(jié)點主干鏈路形成時，采用基于最小跳數(shù)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(jié)點設置其父節(jié)點FATHER_ID=0，并設置其到達Sink節(jié)點的最小跳數(shù)Min_hop=0；
    ②由Sink節(jié)點向網(wǎng)絡內(nèi)以洪泛方式廣播最小跳數(shù)場構建消息Hop_Msg。Hop_Msg由構建消息標識、發(fā)送節(jié)點ID和發(fā)送節(jié)點的最小跳數(shù)Min_hop加1組成；
    ③收到Hop_Msg信息的簇首節(jié)點，設置其FA-THER_ID=Sink及到達Sink節(jié)點的最小跳數(shù)Min_hop=1，同時更新Hop_Msg消息中的的Min_hop和FA-THER_ID，繼續(xù)向鄰居節(jié)點廣播；
    ④網(wǎng)絡中收到Hop_Msg消息的簇首節(jié)點，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FATHER_ID更新，繼續(xù)向鄰居節(jié)點廣播，否則將不予處理；
    ⑤重復步驟④，直到網(wǎng)絡中所有節(jié)點都擁有自己的父節(jié)點FATHER_ID和到Sink節(jié)點的最小跳數(shù)Min_hop。算法流程圖如圖1所示。

    構建完成后，網(wǎng)絡中每個節(jié)點都將擁有自己的最小跳數(shù)Min_hop和父節(jié)點FATHER_ID，形成了簇首節(jié)點的最小跳數(shù)場，構建起了簇首節(jié)點的骨干網(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行，簇首在自己的能量低于一定閾值時，向簇內(nèi)節(jié)點廣播CH_change消息，簇內(nèi)每個節(jié)點收到CH_change消息后將自己的位置和當前能量等信息報告給簇首。簇首根據(jù)這些信息從中選擇一個能量和地理位置最優(yōu)的節(jié)點作為新簇首，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)點到離Sink節(jié)點最遠的節(jié)點方向)則需要修改它們的路由表信息，將其父節(jié)點FATHER_ID修改為新當選的簇首，簇首更換情況如圖2所示。

    (4)節(jié)點狀態(tài)的轉換
    在地震未發(fā)生時，盡量使傳感器節(jié)點處于睡眠狀態(tài)，這樣可以大大降低網(wǎng)絡的能量消耗，延長網(wǎng)絡的生存周期。傳感器節(jié)點工作狀態(tài)轉換示意圖如圖3所示，本文設計的路由協(xié)議中，傳感器節(jié)點多數(shù)情況下是處于睡眠狀態(tài)，當節(jié)點探測到有地震發(fā)生或需要周期性傳遞日常數(shù)據(jù)時，節(jié)點便從睡眠狀態(tài)轉入發(fā)送狀態(tài)；當節(jié)點處于睡眠狀態(tài)時，若收到有效的信號，便從睡眠狀態(tài)進入到接收狀態(tài)；當節(jié)點處于發(fā)送或接收狀態(tài)下，如果在一定時間內(nèi)沒有收發(fā)數(shù)據(jù)，則傳感器節(jié)點轉入睡眠狀態(tài)。

2．2 數(shù)據(jù)的傳輸過程
    地震未發(fā)生時，普通傳感器節(jié)點間隔一定的時間將自己的能量、位置等少量日常信息發(fā)送給簇首，簇首按照事先構建好的路由將這些信息匯聚融合后轉發(fā)給Sink節(jié)點。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。
    當監(jiān)測區(qū)域有地震發(fā)生時，最先感應到地震的節(jié)點向鄰居節(jié)點廣播喚醒包，同時本地保存地震信息，喚醒包中攜帶信息包括：本節(jié)點位置、地震關聯(lián)度degree=0，以及其他一些信息。普通節(jié)點收到喚醒包后馬上監(jiān)測周圍地震的發(fā)生，如果節(jié)點監(jiān)測不到地震，節(jié)點將喚醒包中的地震關聯(lián)度degree加1，若地震關聯(lián)度degree大于2，則丟棄該包；否則，轉發(fā)喚醒包；若節(jié)點已經(jīng)收到過該喚醒包，則丟棄包；簇首節(jié)點收到喚醒包后，立即廣播ready消息準備接收數(shù)據(jù)；普通節(jié)點收到ready消息后，如果其地震關聯(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，并在傳輸過程中進行數(shù)據(jù)融合。

3 仿真分析
    為驗證本文新提出協(xié)議EEECRP的性能，在NS2環(huán)境下進行了仿真實驗，主要從網(wǎng)絡能量消耗和數(shù)據(jù)的傳輸延時兩方面進行評估，并將仿真結果與最小跳數(shù)(MHC)路由協(xié)議進行了對比分析。
    仿真主要參數(shù)設置如下：在200×200的區(qū)域中，隨機分布100個節(jié)點，每個節(jié)點的坐標位置已知，基站(Sink節(jié)點)位于坐標(x=0，y=0)處；節(jié)點初始能量為2 j；仿真總時間為600 s，監(jiān)測節(jié)點每隔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時某處節(jié)點隨機發(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)絡節(jié)點總能量消耗情況。從圖4中可以看出，MHC路由協(xié)議在網(wǎng)絡運行到412 s時，節(jié)點兒乎用完了網(wǎng)絡所有能量，而EEECRP協(xié)議在運行到601 s左右才用完所有能量。在網(wǎng)絡的整個運行時間內(nèi)，EEECRP協(xié)議節(jié)點的網(wǎng)絡總能耗要明顯少于MHC路由協(xié)議。

    圖5比較了兩種算法在網(wǎng)絡運行過程中的數(shù)據(jù)傳輸延時。從圖5中可以看出，地震未發(fā)生時，采用EEECRP協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸延時總體上與MHC路由協(xié)議相當，或者略次于MHC路由協(xié)議；但當?shù)卣鸢l(fā)生時，EEECRP協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸延時要好于MHC路由協(xié)議，故EEECRP協(xié)議更適合丁地震監(jiān)測的應用環(huán)境。
    本文對EEECRP協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸延時進行了多次仿真實驗，在相同的模擬時間內(nèi)，不同的模擬地震節(jié)點數(shù)或者模擬地震時產(chǎn)生的總數(shù)據(jù)量對平均數(shù)據(jù)傳輸延時均有影響，實驗結果如表1所列。

    從表1中可以看出，在模擬地震節(jié)點數(shù)較少，并且平均產(chǎn)生的總數(shù)據(jù)量較少時，平均數(shù)據(jù)傳輸延時非常短，僅為1 00多ms。隨著模擬地震節(jié)點數(shù)的增多和模擬地震時產(chǎn)生的總數(shù)據(jù)量增大，平均數(shù)據(jù)傳輸延時會增加，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)絡的通信要求，證實了該協(xié)議在地震監(jiān)測中的有效件。

結語
    以無線傳感器網(wǎng)絡在地震監(jiān)測中的應用為研究背景，分析了該應用環(huán)境下的網(wǎng)絡路由需求，提出了一個適用于地震監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議EEECRP。該協(xié)議具有自組織性，可擴展性好，適合大規(guī)模地震監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡；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、可靠。仿真結果表明該協(xié)議的能量利用率高，實時性好，能有效延長網(wǎng)絡的生命周期，較好地滿足了地震監(jiān)測應用的需求。