无线传感器网络带状拓扑路由研究与应用

0 引言
无线传感器网络技术目前处于计算机网络研究领域的前沿，并有可能发展成为一个新的巨大经济规模的高科技市场。如今，由美国军方资助的学术研究机构、跨国公司和全球最大的IT供应商们均已将传感器网络列入研发计划并积极开展。随着无线传感器网络的深入研究和广泛应用，无线传感器网络将逐渐深入到人类生活的各个领域。

无线传感器网络在智能交通中应用的有着巨大前景，在道路交通中，传感网又有其特殊的网络拓扑结构，带状的拓扑结构。本文结合无线传感器网络的特点，研究适合带状拓扑结构的易实现的网络路由协议。

1 网络结构及路由分析
现有的路由技术的局限性使其不能直接用于传感器网络，而针对移动Ad Hoc网络设计的组网和通信协议一般也不适合于传感器网络。其重要原因之一是其扩展性的要求不同，移动Ad Hoc网络相对节点的移动性来讲，扩展性问题并不十分突出；而传感器网络要求支持大规模网络，节点的移动性较弱甚至没有，主要问题变为如何延长网络的生存时间。这决定了两种网络有不同的优化目标。因此，有必要针对交通示范工程中交通信息数据采集、传输等特点，研究传感器网络路由协议，重点解决提高扩展性、低功耗、适应网络拓扑结构的变化等问题。

带状拓扑的网络，如图1，网络呈树型链状结构，借用分级网络[1]的概念，将网络分为两层，底层是传感器节点采集环境参数，高层是网络的汇聚节点，或是本地区小网络的管理中心，汇聚本地区的信息经数据融合后传至更高层的网络。由于带状网络的特殊性，按地理位置将底层网络分为多个簇，合理的簇结构是按链的方向分簇，并不指定簇头，所以底层网络也可称为无簇头的分级网络。正常情况下，不同簇间节点互不通信，所有节点的采集信息经本簇节点传送至上层网络。

图1 带状结构的网络拓扑图

如图1中，将底层分为M、N、P三个簇，簇内成员数可以在带状区域任意扩展。上层网络节点B可以高速移动[2]。
这样一个带状结构的网络，路由建立与维护都有其特殊性。由于底层节点无需移动，或在某一范围缓慢移动，其目的是将采集的信息传至上层移动的节点。所以底层网络路由采用表驱动方式。由上层网络节点来建立整个网络的路由，但维护路由的任务却由本地节点来完成。

2 带状网络结构路由协议

2.1 路由建立
路由建立过程的思想是，由上层节点在全网范围内广播路由请求数据包RREQ，底层节点收到RREQ后即更新邻居链表，同时更新路由表，然后同样以广播的方式转发RREQ，但只转发同一簇内的RREQ；本地节点在同一簇内建立路由，但维护的邻居链表包括整个网络的邻居信息，以记录网络的连通性。

借用AODV路由协议中RREQ包格式，定义协议RREQ格式如表1[3,4]。

其中，包类型：用于标明该数据包是RREQ包，广播包；源地址：发起RREQ的节点地址，应为上层网络节点的地址；跳数：源节点到接收到RREQ包的节点经过的跳段数；广播ID：由源节点维护的序列号，用于唯一标识RREQ包。

其中，目的节点：记录目的节点地址，应为上层网络节点的地址；路由状态：路由是否有效标志；下一跳：本地节点到目的节点的下一跳节点地址；路由过期时间：路由不再有效的时间点。
按照建立路由过程中不同节点的作用，路由建立过程如下：
1）上层移动节点：向全网广播RREQ用于建立路由；接收各个簇内节点携带信息的数据包。如图1中节点B。由广播ID和源地址序列对唯一标识RREQ，用于判断处理是否收到重复的RREQ包
2）可以和移动节点直接通信的节点：接收到RREQ后，首先更新邻居链表，然后将本地路由表里的下一跳写下B，更新路由表。如图1中，M3、N3、P3此时和B直接相连，分别是三个簇内其它节点接入上层节点的出口。

图2 本地节点建立路由流程

3）底层网络中其它节点：M3、N3、P3接到B的RREQ，更新路由表后同样以广播的方式转发RREQ，此时不同簇内节点会互相收到转发的RREQ，利用此信息更新本地节点的邻居链表。例如图1中，N4收到N3转发的RREQ，同时也可能收到M3、P3转发的RREQ，N4利用此信息更新其邻居链表。但N4用同一簇成员转发的RREQ更新路由表，路由表中下一跳记录为N3地址，然后丢掉接收到的其它同一RREQ包。同样以广播的方式再次转发RREQ。这样处理的好处是，在同一簇内广播RREQ，即建立了路由，记录了本地节点的所有邻居节点，包括其它簇内的邻居节点，又有效的避免了RREQ在整个网络中引起“广播风暴”的问题。其它节点均按同样的方式处理，直到RREQ包达到最大的网络半径。