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(luò)路由和通信資源分配算法,。該算法利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(luò)的通信效率,，可靠性高，并具有良好的可擴展性,。
關(guān)鍵詞： 工業(yè)現(xiàn)場,；無線網(wǎng)絡(luò)；路由,；資源分配

    隨著半導體,、微電子、通信和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展,，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)取得了巨大的進步,。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠獲取多種客觀物理信息，已被應(yīng)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(lǐng)域,。尤其是在惡劣環(huán)境下的工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備監(jiān)測(如大型工廠的冶金設(shè)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(luò)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(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點。路由的關(guān)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(luò)的利用率,，避免通信擁塞并均衡網(wǎng)絡(luò)流量。傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由機制經(jīng)常與數(shù)據(jù)融合技術(shù)一起應(yīng)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(shè)備在加入網(wǎng)絡(luò)后，各個路由設(shè)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(shè)備自身的超幀結(jié)構(gòu)信息,。超幀是一種用來組織網(wǎng)絡(luò)通信時間分配的邏輯結(jié)構(gòu),。超幀機制要求通信設(shè)備之間的時間精確同步,，而時間信息的傳播依賴于網(wǎng)絡(luò)的路由。路由的實現(xiàn)離不開網(wǎng)絡(luò)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(luò)各方面的性能,。
1 相關(guān)研究
1.1 無線網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議
    隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)許多專門針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議,。根據(jù)應(yīng)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(luò)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(shè)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(luò)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(yīng)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(luò)的謠傳路由等,。
    在某些應(yīng)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(shè)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(guān)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(yīng)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(shè)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(luò)的通信資源分配算法
    由于無線通信設(shè)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(luò)的性能影響很大。近年來出現(xiàn)了許多無線通信技術(shù),，用于提高無線網(wǎng)絡(luò)的通信能力,。
    碼分多址接入CDMA(Code Division Multiple Access)是在擴頻通信技術(shù)上發(fā)展起來的一種嶄新而成熟的無線通信技術(shù)。CDMA技術(shù)的原理是基于擴頻技術(shù),，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(guān)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(shè)備接到一條公共的通道上,，按一定的次序輪流地給各個設(shè)備分配一段使用通道的時間。當輪到某個設(shè)備時,，這個設(shè)備與通道接通,，執(zhí)行操作。與此同時,，其他設(shè)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(guān)把通道連接到下一個要連接的設(shè)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(shù),，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(shù)，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(luò)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(guān)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(luò)拓撲角度出發(fā),，借用家譜的術(shù)語和結(jié)構(gòu)關(guān)系進行網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(yīng)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(guān)系,，將其對應(yīng)到樹型結(jié)構(gòu)中的節(jié)點和節(jié)點之間的關(guān)系。使得對網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(guān)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(luò)建立之初,，當網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(guān)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(shè)置為(i+1)，并回復“父子關(guān)系確認”數(shù)據(jù)包,。這個過程蔓延下去,，直到網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(shè)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(shè)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(luò)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(yīng)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(luò)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(luò)的通信特點,，不同設(shè)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(shè)置n層作為一個信道重復周期,。假設(shè)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(luò)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(luò)管理者,，負責全網(wǎng)絡(luò)通信資源的分配,。實驗節(jié)點以中科院自主設(shè)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(luò)協(xié)議用Visual C++開發(fā),，網(wǎng)絡(luò)拓撲由.ned文件生成,。
    在網(wǎng)絡(luò)正常監(jiān)控階段，當用戶端有查詢?nèi)蝿?wù)時,，查詢報文將沿著網(wǎng)絡(luò)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(luò)拓撲以及路由協(xié)議建立的樹型結(jié)構(gòu)。查詢?nèi)蝿?wù)一般具有周期性，沿網(wǎng)絡(luò)的梯度方向傳播,。

    網(wǎng)絡(luò)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(guān),。
    在仿真實驗中，保持監(jiān)控區(qū)域面積不變,，改變網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的數(shù)目,，為達到應(yīng)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(guān),。圖8為網(wǎng)絡(luò)能耗代價與節(jié)點數(shù)目之間的變化關(guān)系。

    工業(yè)無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是無線網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)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(luò)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(luò)的特性,，能夠有效提高無線網(wǎng)絡(luò)的通信效率,。由于工業(yè)無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的工作環(huán)境具有多樣性，因此,，未來的一個重要任務(wù)就是提高路由和通信資源分配算法的適應(yīng)性和可靠性,，克服外界環(huán)境變化造成的影響。
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