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一种融合MAC和路由的无线传感器网络跨层设计节能协议摘要：融合MAC和路由功能的跨层协议设计方案是高效的无线传感器网络协议的重要解决思路。在深入研究AIMRP协议的基础上，提出一种增强型的协议E-AIMRP。它针对事件检测与快速报告型应用，跨层融合设计MAC和路由功能，并解决了AIMRP中由于多节点检测和报告而造成的能量浪费问题，同时扩展了AIMRP的单节点检测拓扑模型。仿真结果表明，相对于AIMRP，E-AIMRP增强了协议的扩展性，进一步提高了节能效率和减少时延。关键词：无线传感器网络，跨层设计，能量高效，E-AIMRPA Cross Layer Energy-Efficient Protocol for Wirelesses Sensor Networks with MAC and Routing integrated【Abstract】Cross layer mechanisms with MAC and routing integrated is an important solution for wireless sensor networks(WSN) protocols. This paper studied AIMRP in-depth and proposed an enhanced AIMRP protocol E-AIMRP. Designing for the event detect applications ,it integrate MAC and Routing with Cross Layer mechanisms, furthermore it solved the problems in AIMRP of low energy efficient resulting from the multi-node event detecting and reports, and enhance the topology. The simulation results show that E-AIMRP outperforms AIMRP for energy efficiency and time delay in the event-detection applications.【Key words】wireless sensor networks, cross layer design, energy efficient, E-AIMRP1 引言无线传感器网络(wireless sensor networks，WSN)是一种特殊的无线多跳分布式网络，它不需要固定网络的支持，具有快速组网、休眠节能、抗毁性强等特点。WSN相对于传统的无线网络，有明显的资源吝惜和动态变化的特点，对其通信协议提出了特别的要求1。因此，使用一般性办法来设计的无线传感器网络协议通常不能利用应用特性的优点，从而使协议达到最优，并且这种一般性的协议有时在特定的应用中可能不适用。现在大多数的WSN应用可以分为以下四中类型2(1)事件检测与报告。(2)监控与周期报告。(3)目标检测与追踪。(4)上面三种的混合型。本文的工作主要是针对第一种类型的应用，即事件检测和快速报告。这种类型的应用具有四个比较重要特点(1)长时间处于不活动状态直到某一兴趣时间被检测到。(2)一旦事件被检测到，要求快速汇报给汇集节点。(3)事件汇报数据中通常需求有事件发生的位置信息。(4)多对单的通信模型。因此设计这类无线传感器网络应用的协议时，必须满足时延、位置需求，同时具备最小的能耗。在传统的通信网络中，对模块化和互操作性的需求导致了层次参考模型协议的出现。然而，对于WSNs，满足应用的特定需求和能量有效是最重要的。因此，当我们想有效地减少协议负载和减轻协议栈时，对协议的跨层操作和融合将成为我们的重要解决思路4。1.AIMRP协议分析1.1 AIMRP的应用模型和特点AIMRP3的应用模型是事件检测及快速汇报型WSN，如火灾检测应用。相应于它的应用模型，AIMRP的设计有以下的几个特点。(1)融合MAC和路由来最小化协议负载消耗，这是由AIMRP特定的网络拓扑决定的寻址机制。(2)没有每节点全局唯一固定的MAC地址和网络地址的机制，AIMRP使用随机的标识符作为此次发送数据的MAC地址，使用网络拓扑的层号作为路由地址。(3)不用节点之间交换信息的能量节省模型。AIMRP有几个假设前提：汇集节点不需要与特定的节点通信，只需要在配置阶段进行一种广播的操作；事件能够被兴趣区域内的节点等概率地感知，并且仅仅只有一个节点能够感知和汇报此事件。1.2 AIMRP的拓扑结构和帧格式AIMRP的拓扑结构如图1所示。AIMRP中假设所有的节点都是以汇集节点为中心来配置的，通过初始配置阶段，整个网络被组织成以汇集节点为中心的分层结构，从最里面层开始，各层分别被编号为1，2，3，这样第n层节点可以通过n跳把数据转接给汇集节点。配置阶段完成后，整个路由发现也就跟随着完成，基于这样的规则：一个n层的节点可以转接比它更远层节点的数据，如n+1，n+2，。在每一跳中，节点通过比较数据包中的层号码来决定是否需要向底层转接此数据包。以这样的方式，AIMRP在层寻址的层次上完成路由功能，它比全局编址的路由寻址法使用更少的能量。图1 AIMRP的网络拓扑除了两个重要的不同点外，AIMRP中的介质访问机制与IEEE 802.11中的DCF相似。这两点为：(1)AIMRP不适用预先分配的，全局唯一的MAC地址进行通信，而是在每次准备通信时，使用一个全新的短随机标识符作为临时的MAC地址。(2)AIMRP使用RTR(Reruest_to_Relay)与CTR(Clear_TO_Relay)来取代IEEE 802.11中的RTS和CTS，这一点是非常重要的，因为它把一跳一跳的路由功能集成在MAC中。AIMRP一共有五种类型的帧，结构如图2所示。AIMRP使用其中的RTR帧来寻找靠近汇集节点的接收者来转接数据，接收者使用CTR来在网络确定它作为下一节点的地位。TIER帧是AIMRP的特有帧，它被使用来在网络配置阶段进行路由发现。DATA帧和ACK为一般的数据和确认帧。图2 AIMRP帧结构1.3 AIMRP的主要运行机制AIMRP协议节点的运行分两个阶段：配置和路由发现阶段与活动阶段。另外，AIMRP包括协议死锁避免机制，路由修复机制，能量节省模型。对于配置路由发现、活动阶段，主要有以下机制：在网络的初始化阶段，有两种路由发现机制。(1)由汇集节点发送不同功率的TIER帧，分别为 (n=1,2,3其中n为层ID) 然后其他节点根据接受到的帧的层ID而被分进不同的层。(2)汇集节点只发送一个能量等级为的TIER帧，然后接受到此帧的节点被划分为第一层节点，接着第一层节点发送能量等级为，接受到此帧的节点被划分为第二层，依此类推完成路由发现的配置。活动阶段的节点有两种状态；监听状态和睡眠状态。监听状态和睡眠状态的切换由AIMRP的能量节省模型控制。当节点检测到一个事件或是必须从其它的节点转接数据时，它就进入监听状态，节点在发送数据之前先等待一个安全时间tg来可靠地估计信道的空闲情况，等待超时或是信道变为空闲后，节点再等待一个随机监听时间tl来确保没有其它的节点在同一时刻发送数据以免造成冲突。这两个等待时间过后，节点发送一个RTR消息，然后节点转入请求状态。如果这个RTR消息成功被底层的节点接收，那么底层节点在响应源节点发送CTR消息之前等待一个随机的避退时间tb进行信道监听来避免与其它潜在下一跳节点的冲突。如果源节点处于请求状态超过tw时间，并且没有被其它节点响应，那么源节点将重发RTR消息直到被效应为止。在源节点与下一结点分别成功接收CTR与RTR消息之后，一个DATA与ACK消息立即被交换。AIMRP分别使用td和ta来检测DATA消息与ACK消息的丢失。AIMRP以这种方式来完成检测数据的上传，节点的状态转换图如图3所示。图3 AIMRP节点状态转换图AIMRP在信道接人控制、路由和MAC地址的配置与处理、数据的传递上是高效的，且算法简易可行。在针对事件检测与快速报告型应用的WSN网络应用中能达到很好的性能。但该协议仍有值得进一步完善的方面。2 E-AIMRP协议的设计2.1 AIMRP的不足及E-AIMRP的提出深入分析AIMRP协议的主要实现机制，发现有以下问题需要解决，以进一步提高协议性能：a)AIMRP没有解决多个节点对同一事件进行多次报告而造成能量浪费的问题，从而导致汇集节点能量过早耗完而使网络生命结束，而这类WSN应用中，多个节点检测到同一事件的情况是经常有的。b)AIMRP没有任何具体的机制来防止通信量的突然激增。c)对于节点的移除或加入，AIMRP并不提供机制应对，对于节点移除，作者只是提出一种局部修复或全局重新配置的选择，没有提出具体选择的策略。作者也没有进一步说明对于新加入的节点如何入网。针对以上问题，本文基于AIMRP协议及其应用模型提出了一种增强型的AIMRP(enhanced-AIMRP，E-AIMRP)。2.2 E-AIMRP协议的设计E-AIMRP仍针对事件检测与快速报告型应用，协议的设计与运行仍然采用MAC与路由融合策略。能量节省模型、协议死锁避免等采用AIMRP的控制策略和算法，但使用一种改进的RTR帧结构和控制方式，主要的改进工作如下：a)修改RTR帧中的NAV域为两个，分别为NAVsc，NAVdc，使该帧能够在同路由层中传播一定距离，避免同路由层的其它节点对同一事件的报告。b)在RTR帧中加入一个Thre域，同时在每一个节点中增加一个全局的ThreadValue变量和一个EventTime变量，只有当节点采集的数据比ThreadValue大，并且这次检测到事件的时间距上次检测到事件的事件比EventTime大时才对此事件进行报告。改进的RTR帧如图4所示。图4 改进的RTR消息c)增加对新加入节点的处理，对于新加入节点，我们让它等到下一个检测事件发生并汇报时才加入网络。对于节点的移除，我们采用AIMRP的局部修复办法，这些办法与AODV，DSDV中的路由修复策略相似。对于E-AIMRP的应用模型，拓扑改变不是经常的，不需要周期运行路由发现协议来修复路由；另外，兴趣区域的事件发生很频繁时，我们可以通过TheadValue变量和EventTime变量来控制信息量的大小，防止汇集节点过早死亡，但同时我们可以自适应地调整EventTime的值从而达到不减弱不同事件报告的及时性。因此，E-AIMRP的改进是合理的。2.3E-AIMRP的主要运行机制分析E-AIMRP继承了AIMRP的主要机制，包括高效的路由发现算法以及协议死锁避免机制。但E-AIMRP通过允许TIER消息在同层传递一定距离从而降低了不同节点对同一事件的检测和报告。用time out机制减少了不同路由层之间节点冲突，从而减少了监听能耗和提高了事件报告的时延。E-AIMRP通过局部修复算法可以处理节点的移除与增加提高了网络的动态适应性和扩展性。E-AIMRP使用原协议的配置和路由发现算法，但在配置阶段所有节点的TheadValue和EventTime都初始化为0，并且每一个节点配置一个事件上下限表，。当节点检测到兴趣事件后，节点竞争信道发送RTR消息，这个改进的RTR消息是E-AIMRP优于AIMRP的重要小消息。下面分析以下这个消息的传递过程和网络相关节点的状态：节点检测到兴趣事件后（称为源节点），等待一个固定的安全时间。接着节点再等待一个随机监听时间或是监听到信道空闲而直接转入发送RTR消息的状态。这两个等待时间在上文有说明。节点发送完RTR消息后马上进入请求状态，下面我们以接受到此RTR消息的节点（称为下一节点）的可能性分两种情况讨论：大于或等于源节点路由层的节点：接收到此RTR消息的节点如果也检测到了某一事件，只是在竞争信道时被其它有事件报告的节点首先占用了信道的使用权而转入信道监听状态，那么此节点使用RTR中的THR值与自己检测到的事件值进行比较，如果自己检测到的事件值与THR中的值同时落在上下限表中的同一个域中，并且EventTime还没为0时，代表他们检测到的事件是相同的或者待转接的事件是相同的，下一跳结点对RTR消息中域NAVsc的值减一后转发该RTR消息，同时删除自己的该待发事件，不对源节点发ACK帧。如果EventTime为0则不转发该消息。该RTR消息在同路由层传递直到NAVsc为0为止。一般我们开始统一设置NAVsc为2，这样我们就最少抑制了同一路由层中2跳以内有相同事件报告的通信量。这类RTR消息的传递如图5所示低路由层节点：如果接收到此RTR消息的节点也检测到了某一事件，如果自己检测到的事件与待转接的事件是同一事件，并设置ACK帧中的重叠事件标志以告诉源节点结束此事件的报告，转而由该节点报告此事件。接着该节点作为源节点报告此事件，并设置自己的ThreadValue和EventTime值以避免转接不同节点检测到的相同事件。如果接收到RTR消息的节点没有检测到此事件或则检测到的事件与此事件不相同，那么该节点就以AIMRP的方式完成这一事件数据的交换，并设置ThreadValue和EventTime值。这种情况下的RTR消息传递如图6所示以上过程为E-AIMRP一次数据的交换过程，它就是以这样的数据推进方式完成检测事件的报告，并有效地抑制相同事件的重复报告，同时使用AIMRP的睡眠机制进行能量控制。下文仿真实验将证明E-AIMRP协议在节能效率上比原协议优越，时延性能在节点密集时比原协议损失小。 图5大于等于源路由层的情况 图6 小于源路由层的情况3 仿真与实验分析本文提出的E-AIMRP协议在NS-2平台中进行仿真，实验数据用MATLAB辅助分析。测试的性能指标有节能效率和时延。实验模型参考原AIMRP的实验，网络结构如图1所示，仿真参数如下表所示，仿真时间为10000秒。表1 仿真参数RLEventTimeNAVsc100m500m0.50.6s60s3其中为路由层宽度参数，为最大允许时延参数。这里我们假设所有的传输都没有错误和碰撞冲突，这个假设在低事件发生率时是正确的，仿真结果如图7、图8所示，图中的为节点密度参数。31实验分析从图7、图8中我们可以看到网络在事件发生不是很频繁时，网络能耗由节点密度决定，这是必然的，因为网络的节点密度决定着冲突的出现几率。这时两种协议的网络时延几乎时相同的，但是随着事件发生的频率增大时，E-AIMRP的节能性能和时延性能明显优于AIMRP，这是因为E-AIMRP通过允许RTR帧在相同或高层路由层中传递，并使用抑制机制和事件等待时间机制压抑相同事件发送（在事件检测型应用中，这种事件等待与比较机制的假设是合理的），滤除一些冗余的事件，从而使得信道一直处于比较通畅的状态，达到节能和减少时延的效果。4 结束语本文着重研究融合MAC和路由的事件检测型WSN协议，深入研究了典型的跨层设计协议AIMRP，并指出其不足，提出了一种增强型的协议E-AIMRP。E-AIMRP针对事件检测与快速报告型应用，通过修改RTR帧，解决了AIMRP协议中由于多节点检测和报告而造成的能量浪费问题，同时扩展了AIMRP的单节点检测拓扑模型。仿真结果表明，相对于AIMR