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标题 无线传感器网络不相交多路径路由容错缠绕系统设计
范文 徐忠根+蒋琳



摘 要： 传统网络的容错系统未全面分析网络特征，处理多路径缠绕问题时，存在耗能高以及波动大等问题。因此，设计无线传感器网络不相交多路径路由容错缠绕系统，其采用基于HSV色彩空间分离的节点不相交多路径路由算法建立源节点到目标节点的不相交多路径。系统将色彩平面划分成A类型和B类型，并分别进行路径选择分析，实现不相交多路径路由的容错处理。系统通过动态时间间隔的链路RSSI检索方案检索动态节点，调整多路径缠绕，解决节点路径缠绕问题。实验结果说明，所设计系统可显著增强数据传输稳定性以及网络吞吐量，确保网络能耗最小。
关键词： 无线传感网络； 不相交多路径； 容错； 缠绕
中图分类号： TN711?34； TP393 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）13?0164?04
Abstract： Since the network characteristics of the traditional fault?tolerant system havent been analyzed fully， which has the problems of high energy consumption and large fluctuation while dealing with the problem of multipath winding， a disjoint multipath routing fault?tolerant winging system for wireless sensor network was designed. The node disjoint multipath routing algorithm based on HSV color space separation is used to establish the disjoint multipath from the source node to the target node. The color plane is divided into A?type and B?type by means of the system， for which the path selection analysis is carried out respectively to realize the fault?tolerant treatment of the disjoint multipath routing. The link RSSI retrieval scheme of dynamic time interval is used to retrieve the dynamic nodes of the system. The multipath winding is adjusted to solve the problem of node path winding. The experimental results show that the designed system can enhance the data transmission stability and network throughput significantly， and ensure the minimal network energy consumption.
Keywords： wireless sensor network； disjoint multipath； fault tolerance； winding
0 引 言
无线传感器网络受到恶劣环境、能量约束等因素的干扰，会出现节点损坏以及通信链路断裂的问题，导致数据传输效率大幅度降低[1]。因此，无线传感器网络的容错性能对增强网络性能具有重要作用。网络节点移动过程中会出现缠绕问题，导致网络通信路径断裂，数据传输效率大大降低[2]。而无线传感器网络容错缠绕系统可确保网络出现缠绕问题后，对传输数据进行恢复，增强网络稳定性。
1 无线传感器网络不相交多路径路由容错缠绕
系统设计
1.1 系统路由选择设计
系统采用基于HSV色彩空间分离的不相交多路径路由算法，通过HSV色彩空间模型，面向各链路塑造数值化的三元组，确保各条链路处于不同的色彩平面，获取源节点到目标节点间的不相交多路径[3]，也就是系统的路由。
设置无线传感器网络，包括一个基站节点和排列在特定领域的传感器节点。传感器节点采用多条路径向sink节点传输信息，节点存在动态性，网络存在大幅度的波动，出现缠绕现象[4]。HSV色彩空间模型包括H（色调）、S（饱和度）以及V（亮度）分量，如图1所示。
依据该HSV色彩模型，系统对无线传感器网络中的链路塑造数值化的三元组采用链路着色，确保网络对应不同的色彩平面。其中的取值区域集是R（红）、Y（黄）、G（绿）、B（蓝），的取值区间是[0，1]，的取值区间是[0，1]。按照链路的情况，随机设置一条链路的不同元组分量取值为：
式中：用于描述链路的RSSI；和分别用于描述RSSI的最高值和最低值；用于描述鏈路距sink节点的最低跳数；用于描述网络最高跳数；表示链路至sink节点的距离；表示链路的信号强度。
HSV色彩空间模型内，值不变，则越高色彩饱和度越大，值越低色彩量度越低，颜色越深。则无线传感器链路RSSI值越大，表明颜色越纯，链路至sink节点距离越短，颜色越深。不同色彩平面能够映射相同节点是出节点或入节点的差异链路，将源节点到目标节点的多路径进行准确划分[5]。网络拓扑结构到色彩平面的映射过程如图2所示。
图2（a）表示拓扑结构里有6条链路，也是系统路由，所有链路的数值化元组用图2（b）表示。其中链路以及的色调是R，链路以及的色调是G。在色彩模型相应的圆锥形坐标系里，6条链路映射至以及两个色彩平面的6个点，用图2（c）描述。
在色彩平面区域内，将出节点看成节点的起始链路，顺着颜色加深的方向，从源节点到sink节点获取路径该6个色彩平面可塑造6条路径。
1.2 系统路由容错缠绕处理的实现
1.2.1 无线传感器网络链路着色
系统对1.1小节获取的多路径实施着色，将链路映射到各色彩平面中。实施着色过程中，要求相同节点向sink节点的链路着统一色调，具体过程为：
（1） 对将sink节点当成入节点的链路设置相应的色调，基于RSSI值将链路从高到低进行布置，再为各链路设置6种基本色调，循环运行，直至全部链路都划分到指派色调。再基于式（1）～式（3）塑造三元组，其中用于描述设置色调过程，RSSI用于描述链路质量。向各链路设置一个HA消息，并向其他节点传输该消息，该消息中有链路出节点、入节点以及三元组。
（2） 为收集到HA消息的链路建立三元组，其取值为用于描述消息中的三元组饱和度分量，表示消中颜色三元组的色调分量[6]。最后变成一个RHA消息反馈给sink节点，其中存在链路出节点、入节点以及三元组信息。向目前全部节点为入节点的链路塑造三元组，其中，和值同过程（2）一致，而向各条链路集成一个HA消息，并将该消息传输给其他节点。
（3） 采集其他节点的消息时，采集节点将该消息中的内容存储到当前链路表。
（4） 如果網络中的节点不再形成新HA消息，则终止算法。
上述过程将无线传感器网络中的各链路都映射到色彩空间的某个点值，对应于不同的色彩平面。
1.2.2 不相交多路径路由容错过程
为了增强系统对不相交多路径路由的容错能力，系统将色彩平面划分成A类型和B类型，并分别进行路径选择分析，实现不相交多路径路由的容错处理。若将某节点变成出节点链路[7]，此链路在色彩平面里，则把此彩平面变成当前节点A类型的色彩平面，反之把它设为目标节点B类型的色彩平面。无线传感器网络中的源节点向sink节点输送数据包的进程中，能使用多条不相交的传送路径输送数据包，路由容错进程如下：
（1） A类型色彩平面操作
把源节点当作出节点，且在A类型色彩平面的链路中当成源节点路径的开始链路，在数据包首部存入色调，再向该链路入节点反馈数据包，向暂态链路集中融入该链路。
（2） B类型色彩平面操作
源节点发送REQ消息，检索邻居节点是否含有处于B类型色彩平面的链路，如果存在，则邻居节点会反馈REP消息，源节点分析暂态链路集中是否包含REP消息中的链路，若包含，则将该链路当成开始链路，并向数据包首部融入色调信息，再向链路入节点反馈数据包，终止REP消息的采集[8]，将链路存储在暂态链路集；否则，等待REP消息。直至不再获取REP消息，以及全部REP消息的链路不属于暂态链路集，则结束路径选择，同时将暂态链路集中的内容全部删除。
为了实现数据业务传输的稳定性，在数据业务传输稳定性强的情况下，采用饱和度优先方案选择后续链路；否则采用亮度优先方案选择后续链路。
1.2.3 调整不相交多路径路由缠绕
系统通过动态时间间隔的链路RSSI检索方案检索动态节点，完成不相交多路径缠绕的调整，提高网络通信效率。具体过程为：
如果检索节点驱动RSSI检索事件[9]，则将RSSI检索申请RDQ消息反馈给邻居节点，邻居节点塑造三元组，设置以及分别是邻居节点的下属HA消息的色调和亮度分量，邻居节点将RSSI检索响应REP消息反馈给检索节点。检索节点收集到REP信息后，经过信息中的链路色彩三元组对目前链路列表实行整理。完成RSSI检索后，若新融入的链路和过滤的链路数高于调整链路数，则说明检索节点移向其他位置，否则说明检索节点未变化。系统设置链路RSSI检索的时间间隔是动态变化的，将时间间隔设置成高间隔以及短间隔先将节点链路RSSI检索间隔设置成如果当前检索结果是节点位置变化，则将检索间隔降低一半；否则，将检索间隔提高一半。最终确保动态变化高的节点检索间隔降低；而动态变化低的节点检索间隔增加。
上述描述的链路RSSI检索方案，不仅可检测节点的位置变化情况[10]，并且还可对链路情况进行调整，实现不相交多路径缠绕问题的调整。
2 仿真实验分析
采用仿真实验将本文方法同DCBM方法相对比，分析两种方法的数据传输成功率、网络吞吐量以及能量消耗。实验仿真场景将全部节点任意安装在500 m×500 m的范围中，sink节点处于范围的核心，将节点的发射功率传输距离设置成40 m，设置网络数据传输速率为300 Kb/s，信道滞后为0.2 s。
2.1 数据传输成功率
本文方法和DCBM方法的数据传输成功率对比情况如图3所示，其中图3（a）用于描述单路径传输下，节点最高移动效率随着数据传输成功率的波动情况；图3（b）用于描述节点在最高移动效率固定状态中，通过多条路径传输数据的成功率情况。分析图3（a）可得，多路径传输数据状态下，在节点移动效率不断提升时，两种方法的数据传输成功率都降低，并且DCBM方法降低的幅度更大。本文方法在最高移动效率低于5 m/s的状态下，单路径数据传输成功率高于70%。分析图3（b）可得，在节点最高移动效率为3 m/s的情况下，采用多路径传输数据时，本文方法的数据传输成功率远远高于DCBM方法，如果路径数量高于3，本文方法的数据传输成功率高于86%，主要是因为本文方法可对不相交多路径缠绕问题进行调整，提高网络数据传输的成功率。
2.2 网络吞吐量
实验检测两种方法下的网络吞吐量，结果如图4所示。实验将sink节点在单位时间中采集的数据包量看成网络吞吐量。所有节点间距0.22 s产生一个数据包，经过多个路径向sink节点传输数据包，sink节点对采集到的数据包量进行汇总。图4（a）用于描述节点最高移动效率增加后，两种方法的网络吞吐量波动情况；图4（b）用于描述节点数量的不断提升后，两种方法的网络吞吐量波动情况。分析图4可得，相对于DCBM方法，在节点动态变化状态下，本文方法可获取更高网络吞吐量，关键是因为本文方法在多个不相交的路径缠绕情况下，能获得更高的输送成功率，大大增加了网络节点采集数据包量的成功率。
2.3 能量消耗
实验对比分析了两种方法对不相交路径路由容错缠绕调整过程的耗能情况，设置网络节点数量为300，最高移动效率是3 m/s，随着sink节点采集到的数据包量的增加，两种方法的能耗如图5所示。实验采用网络节点输送1个数据包损耗2个单位能量，收集1个数据包耗费1个单位能量，节点间距1 s产生一个数据包，并将该数据包传输给sink节点。从图5中能够看出，本文方法的能耗比DCBM方法低，本文方法能够通过动态时间间隔对信息的传输频率进行管理，最终使得网络数据包传输能耗降低。
3 結 论
本文设计并实现了一种无线传感器网络不相交多路径路由容错缠绕系统，其经过对链路着色，达到不相交的多个路径检索及划分，并根据RSSI检索路径的调整方案解决节点路径缠绕问题。
参考文献
[1] 刘长征，张荣华.一种安全有效的无线传感器网络数据收集方案[J].传感器与微系统，2014，33（7）：141?143.
[2] 李欣，徐亮.利用传感器距离和能耗约束的无线传感器网络路由优化[J].计算机测量与控制，2015，23（7）：2589?2591.
[3] 王长杰，王卫华.基于链路同态解析的WSN路由选择算法[J].科技通报，2015，31（8）：228?230.
[4] 崔济麟，张军杰.多路传感器信号采集与传输系统的设计[J].电子设计工程，2016，24（13）：92?94.
[5] 于磊磊，周永利，黄玉.无线传感器网络多路径缠绕模型及其容错路由机制[J].计算机应用，2016，36（3）：606?609.
[6] 黄帅，刘海颖，吴风喜.一种多传感器故障诊断系统的设计[J].计算机仿真，2014，31（7）：59?62.
[7] 乔阳，唐昊，程文娟，等.一种基于多Agent强化学习的无线传感器网络多路径路由协议[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2016，39（7）：896?899.
[8] 任秀丽，王冲.基于三维空间与区域协同进化的无线传感网多路径路由协议[J].计算机应用，2015，35（3）：610?614.
[9] 蒋丽丽，陈国彬，张广泉.基于微电机系统的多参数传感器与检测系统设计[J].科学技术与工程，2016，16（6）：187?190.
[10] 潘守伟，蒋道霞.无线传感器网络中基于路由协议的拥塞控制技术研究[J].科技创新导报，2014，11（5）：11?13.
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更新时间：2024/12/22 23:48:42