关键字：无线传感器网络;协商机制;NBLEP;NS2
wireless sensor network
Abstract: Wireless Sensor network（WSN）, which is integrated with sensor，nested computation, networks and wireless communication technologies, is a novel technology about acquiring and processing information. Paper is based on sorts of mature routing protocols, and intent on lower-consummation and extended network lifecycle, then author put forward a new and efficient routing protocol what is a negotiation based hierarchical routing protocol—NBLEP. At last, through simulation testing on NS2 platform, NBLEP routing protocol achieved the design goal for wireless sensor network.
Keywords: wireless sensor network; negotiation based; NBLEP; NS2
1 引言
无线传感器网络是一种无基础设施的无线网络，它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术，能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些数据进行处理，获得详尽而准确的信息，随后传送到需要这些信息的用户。
麻省理工学院的《技术评论》杂志（Technology Review）评出了对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术，无线传感器网络即位于这十种新技术之首。无线传感器网络处于新技术的最前沿，目前尚存在着许多值得探讨的热点课题，国内外学者正在进行深入研究。不同的研究人员对无线传感器网络的许多问题都有不同观点。
2 现有路由协议分析
无线传感器网络的路由协议目前正是国外研究的热点，各种路由协议在不同的应用环境和性能评价指标下各有千秋。论文简要介绍其中一些典型的路由协议，这里将分析这些协议的基本原理，借鉴前人的设计思想，从而结合无线传感器网络的特点，设计出新的更适合的路由协议。
2.1扩散法
扩散法（Flooding）是一种传统的网络路由协议。当节点S需要发送数据给节点D时，节点S首先通过网络将数据副本传送给它的每一个邻居节点，每一个邻居节点又将其传输给各自的每一个邻居节点，除了刚刚给它们发送数据副本的节点S外。如此继续下去，直到将数据传输到目标节点D或者为该数据所设定的生命期限变为零为止，亦或所有节点均拥有此数据副本。
扩散法实现简单，不需要消耗太多的计算资源，适用于健壮性要求高的场合。但是该方式同时存在信息爆炸，部分重叠等问题，盲目资源消耗，一个节点可能出现一个数据多个副本的现象。
2.2 SPIN协议
SPIN是一种以数据为中心的自适应通信路由协议。其目标是通过使用节点间的协商制度和资源自适应机制，解决扩散法存在的不足之处。为了避免出现扩散法的信息爆炸问题和部分重叠现象，SPIN协议在传感器节点传送数据之前彼此进行协商，以确保只传输有用数据。同时在传输或接收数据之前，每个传感器节点都检查各自可用的能量状况，处于低能量水平时则中断某些操作。
SPIN的缺点在于在传输新数据的过程中，直接向邻居节点广播ADV数据包，而没有考虑其所有邻居节点由于自身能量的原因，不愿承担起转发新数据的功能，导致新数据无法传输出现“数据盲点”，进而影响整个网络信息的收集。
2.3 MTE协议
在MTE协议中，传感器节点选择离自己平面距离最近的邻居节点进行路由中转。这种路由协议的优点是简单、开销小，每个节点只需要找到通往Sink节点的下一跳节点，随后将数据发送给它便可。而不足之处则在于靠近Sink节点的传感器节点会一直承担路由器的角色，节点之间负载不平衡，越靠近Sink节点的传感器节点可能越快耗尽自己的能源，并最终导致死亡，缩短整个网络的生命周期。
除上述路由协议外，较为成熟的无线传感器网络路由协议还包括有Directed Diffusion、LEACH、TEEN、APTEEN协议等，由于篇幅的原因在这里便不一一叙述了。但值得提出的是LEACH（基于聚类的路由协议）协议在无线传感器网络路由协议中占有重要地位，论文所提到的协议NBLEP（Negotiation-Based Low Energy Protocol）的提出和设计便是基于该基础上的。
3 NBLEP路由协议设计
在无线传感器网络路由协议设计过程中，不仅对其要求具有传统计算机路由协议正确性、健壮性、稳定性、公平性、最优性等特性，更需要考虑无线传感器网络的以下具体特殊性能：
第一、能源有效性。由于无线传感器网络节点能量有限，所以路由协议设计必须将有效利用能源放在第一位。
第二、简单性。相对于传统网络而言，传感器节点的运算能力和存储能力及其有限，因此需要量身定制一种简单有效的路由协议。
第三、多路性。典型的无线传感器网络通常工作在人类无法忍受的恶劣的环境中，为了避免单个节点的失效影响整个网络的效率，需要要求每个节点尽可能维护多条路由。
基于以上理论，作者设计了一种层次型（聚类）、基于协商机制、采用集中式与分布式相结合、维护多条路由、低功耗动态自适应的按需式路由协议—NBLEP路由协议。
3.1 层次型
NBLEP路由协议把原本地位平等的传感器节点按照其所处位置和能源的不同情况，依据网络规模的大小和应用的需要，实现层次划分。协议将整个无线传感器网络划分成不同的簇类，簇类中的节点处于不同的层次，能源较高的节点处于较高的级别，承担较多的任务，不仅进行感知和向上层节点传输自己的新数据，而且中转下层节点传递过来的数据、进行数据融合;能源较低的节点处于较低的级别，只进行感知和向上层节点传输的任务。每个节点的路由表中只需维护其上层节点的信息。
3.2协商机制
NBLEP路由协议实现在数据传输阶段，簇内节点采用元数据协商的方式向簇头节点传输自身采集的数据，簇头节点接收完所有簇内普通节点传输的数据，经过数据融合后，再向Sink节点传输数据。
3.3 多路由维护
NBLEP路由协议为了保证路由的可靠性，每个簇类的普通节点都维护着一个备用簇首节点的信息，一旦本簇的簇首节点由于异常原因失效（这种情况在实际应用中很可能发生），立即加入备用簇首节点所在的簇，实现了到Sink节点的多条路由，达到路由健壮性的目的。
3.4 低功耗，自适应
NBLEP路由协议设计簇内每个普通节点都使用能源控制，在属于自己的时槽中，才打开发送装置，进行数据传输;在不属于自己的时槽中，关闭发送装置。每过一个回合（每个回合由簇形成阶段和数据传输阶段组成）都会进行簇类的动态划分和簇头节点的重新选择，使每个节点成为簇头节点的机会均等。采用以上几类方式相结合，实现了节点“睡眠”机制，避免了无效数据的传输，有效的节约了能源。
4 NBLEP路由协议仿真测试
由于硬件平台配置的限制，暂时无法在真实环境下运行和测试本路由协议，因此此次的测试工作建立在ns2仿真平台上。在仿真过程中，作者使用数组不同参数进行测试，以反应出NBLEP路由协议是否达到了协议的设计目标。
4.1 仿真平台建立
ns2是美国DARPA支持的项目VINT中的核心部分，它主要面向网络协议研究者。由于ns2具有免费、开放源代码、可扩充性好等优点而在各种网络的仿真测试中获得了广泛应用。
在仿真环境中，作者使用100个无线传感器节点和1个固定位置的Sink节点以实现NBLEP路由协议，无线传感器节点随机分布在100 ＊100的平面区域内，Sink节点远离感知区域，场景如图1所示。每个无线传感器节点的初始能源为2J，数据包大小为500Bytes，元数据大小为25Bytes。
根据无线传感器之间、无线传感器与Sink节点之间接收、发送器距离的不同，会使用自由空间传播和多路衰减模型两种不同的模型。如果接收、发送器之间的距离小于某个临界值时，使用自由空间模型;如果接收、发送器之间的距离大于某个临界值，则使用双路径模型。模型类型直接决定了节点间的传输功率，传输功率就是接收的阈值Pr-thresh和发送、接送器之间距离d的函数。
由于不同类型节点之间，不同距离通信采用不同的传输模型，因此NBLEP路由协议完美实现了低功耗、分层次的性能。而多路由维护、协商机制则体现在报文结构的设计中。图2显示了一个回合传输的时间图，包括簇形成阶段和数据传输阶段，簇形成阶段较短，数据传输阶段用时很长，在数据传输阶段中簇内普通节点向簇头节点传输数据，簇头节点进行数据处理后，再向Sink节点传输。
4.2 仿真结果分析
对于无线传感器网络，目前并没有统一的标准来评测不同的路由协议，根据实际情况，作者使用以下两个参数对NBLEP路由协议进行评测：
Sink节点接收到的数据包总量：该参数表明了Sink节点在运行过程中所接收到的由簇头节点传输的数据包的总数。
存活节点数：这个参数表明了随着时间的推移，仍然存活的节点的总数，是体现路由协议是否属于能源有效性协议的一个重要指标。
此处以其中一次测试的结果为例来进行说明：
由图3可以看出，随着时间推移，由于能源的消耗，节点逐渐死去。其中0秒-2100秒期间，作者采用集中式成簇算法;1200秒-2100秒期间，大量节点能源耗尽而死，在2100秒时，存活节点只剩余30个（占节点总数的30%），因此2100秒-3600秒，作者开始转而采用分布式成簇算法;采用该算法后，节点死亡速度大大减缓，说明分布式成簇算法有效地延长了整个网络的生命周期。
再由图4可以看出，在0秒-2100秒期间，作者采用集中式成簇算法;由于Sink节点清楚的了解全局拓扑，形成了有效的簇类，所以Sink节点接收到的数据包迅速增长。2100秒以后，从图3可知，由于节点大量死亡，开始转而采用分布式成簇算法，节点之间自己选举产生的簇类不如Sink节点产生的簇类有效，再加上节点继续死亡，Sink节点接收到的数据包增长相对缓慢。
由上述仿真结果可以证实NBLEP路由协议使得整个网络在较低的能耗水平下获得较高的吞吐量，获得较长的生命周期。
5 总结
无线传感器网络是一种新的信息获取和处理技术，在特殊领域，它有着传统技术不可比拟的优势，同时也必将开辟出不少新颖而有价值的商业应用。由于无线传感器网络是一门新兴技术，国内在这样特殊领域所作的研究工作还较少，本文作者根据对目前较为成熟的几类路由协议的分析借鉴，最后设计出一种层次型、基于协商机制、采用集中式与分布式相结合、维护多条路由、低功耗动态自适应的按需式路由协议——NBLEP路由协议。论文最后使用ns2平台对NBLEP路由协议进行仿真测试，以证明NBLEP路由协议基本达到了设计要求。
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