矿井监控系统的zigbee路由协议的研究

韩雪松，杨 鹃

(承德石油高等专科学校计算机与信息工程系，河北 承德 067000)

Zigbee井下监控系统基于zigbee射频通信技术，主要用于环境参数检测、人员定位和统计、异常报警。Zigbee网络节点采用电池的供电方式，节点能量有限，井下的复杂工作环境，例如粉尘、噪声、湿度和温度等多方面的因素影响着射频信号在信道中的传输[1］，提高网络传输的效率、减少节点的功耗是路由协议研究的重要内容。本系统的网络路由协议基于地理路由协议(GPSR)，该协议的主旨是减少路由长度、减少路由开销等，最初由哈佛大学的Brad Karp和H.T.Kung在2000年的ACM移动计算和网络会议上提出的贪婪周边无状态路由协议，它利用节点的地理位置信息，根据GPSR转发策略进行路由的传递。

1 GPSR路由协议

节点间通过广播方式获取邻居节点的地理位置信息，网络拓扑图按照RNG和GG平面图规划出多区域。节点转发模式分为贪婪转发和边界转发两种。贪婪转发下，当前节点将距离目的节点最近的一个邻居节点作为下一跳节点，直到目的节点或是遇到路由空洞进入边界转发模式。节点处于转发模式时，节点与目的节点的连线做参考，在逆时针方向上选择第一条转发数据包，知道数据包到达目的节点或者发现距离目的节点更近的邻居节点重新进入贪婪转发模式。

当网络节点密度较低或是网络节点布置不合理时，贪婪转发策略找不到比自己距离目的节点更近的节点，便出现了路由空洞。距离目的节点最近的节点由于经常转发节点信息，造成节点能量损耗过大，导致网络过早死亡，此类节点被称作为热点路由节点[2］。针对GPSR存在的路由空洞和热点路由问题，国内外学者给出了多种改进方案。GRA协议建议当遇到路由空洞时，用泛洪机制搜素到目的节点的路由，然后在路由表中保持该路由，以减少将来可能发生的路由查找过程[3］。该算法的缺点是泛洪机制的添加会浪费节点大量的能量，减少了网络的生命周期。文献[4］作者提出了路由算法IGPSR-2，将前向区域划分为四个子区域，选择节点能量方差最小的子区域作为路由选择区域，然后在此区域中用概率机制选择下一跳，有效地均衡了网络节点的能量消耗。GPSR热点路由问题导致有些节点过早死亡，造成网络生存时间的缩短，文献[5］提出了随机性选择路由和确定性选择路由两种策略，在选择路由时对节点的能量状态加以考虑，延长了网络生存时间。

2 相关的技术内容

路由协议在进行报文转发之前，需根据路由节点所处的位置来调整路由策略，路由协议初始化流程如图1所示。

2.1 空洞边界的确认

空洞区域的确认如图2所示。

节点B0和节点D分别为网络的源节点和目的节点，虚线圆表示目的节点的通信范围，实线圆表示源节点的通信范围，两个圆形的交叉区域就是空洞区域，空洞区域内的路由节点被称之为空洞节点。

网络中的节点周期性的发送信号检测自己是否为空洞节点，最先检测到自己为空洞节点的B0，按右手定则向下一跳邻居节点发送空洞边界检测包，检测包内包含节点的ID和坐标值，收到检测包的节点将自己的节点的ID和坐标值续写到检测包内部，继续按右手定则转发，直到检测包发送给B0，此时空洞边界检测完成，取空洞区域的边界节点连线的最大值的中心点，以中心点O到边界节点的最大距离为半径r，划分空洞覆盖区域。

2.2 感知域的确认

空洞区域确认好后，节点B0将向以O为圆心、以b×r为半径的区域广播空洞发现报文，内容包括空洞区域的报文ID值、B0的ID值、，中心点坐标、半径、参数b、区域内所有空洞边界节点的ID值。空间内收到报文的网络节点首先确认自己的ID值是否在报文内，如果存在这节点确认为感知节点，将报文内容保存并进行转发。从而建立了以O为原点、以b×r为半径的感知区域。当数据包转发到感知区域的网络节点后，选择路由转发策略，建立一条最优的路径。

2.3 GPRS路由转发策略

本文对该转发过程进行改进，将左手法则和右手法则结合使用[6］，确认数据包的下一跳的具体位置，缩短转发路径。首先对感知域进行分区，假设S为进入感知域的节点，D为目标节点为两节点的连接线段，将感知域划分为两部分。沿向量方向，左侧区域定义为右手法则区，右侧区域为左侧法则区，区域转发协议按照以下算法进行。

1)首先根据右手法则，确定S节点的下一跳节点位置。

2)如果进入到右手法则区，则采用左手法则进行转发。反之，如果进入左手法则区，则采用右手法则进行转发。

3)边界转发过程中，当前节点距离目标节点的距离小于边界阈值时，路由转发策略转为贪婪转发模式。

3 基于GPSR路由协议的应用

所有节点都维护着邻居表，邻居表内存储着单跳邻节点的ID和坐标。GPSR协议的数据包头字段如表1所示，以M字段表征目前数据包的发送模式。

表1 GPSR协议的数据包头字段

源节点准备向目的节点转发报文时，首先判定节点是否处于感知区域，如果处于感知区域则采用右手守则执行下一跳。在每次转发到下一跳节点时，都应首先判定与目的节点的距离，小于阈值则进入贪婪模式，否则进入左右判定的区域转发模式。基于左右手规则的路由转发协议的流程如图3所示。

贪婪模式的路由转发，应注意热点路由的问题，选择下一跳网络节点考虑因素除了要考虑网络节点距离目的节点的距离，还要考虑节点自身的能量因素，选择通往目的地已知代价最小的邻居节点作为下一跳。协议需建立和维护节点的已知代价值h(S，D)，S代表当前节点，D代表下一跳节点，已知代价采用邻居节点M的已知代价最小来实现，按照公式(1)进行定义。

节点选择价值最小的邻节点作为下一跳节点，节点S设置自己的已知代价值如公式(2)所示。

贪婪模式的缺点在于数据在区域内转发时采用泛洪方式，造成了更多的能量消耗。在网络规模增大时，路由空洞出现的概率升高，随着路由空洞的扩大，网络的连通性就无法保证，也会缩短网络生存时间[7］。基于左右手法则的GPSR区域转发恰好可以弥补贪婪模式造成的缺点，提高了网络的应用性。

4 协议仿真与分析

4.1 仿真平台

为了验证路由协议的有效性，采用NS-2仿真平台对本文的路由协议进行建模仿真。仿真环境的设置如表2所示。

表2 仿真环境的设置

4.2 仿真结果

1)路由成本。仿真结果如图4所示。根据仿真的结果发现，基于左右手法则的GPSR协议比基于右手法则的路由成本低，这是由于改进后的协议解决了原协议绕行的可能，有效降低了路由转发的成本。

2)网络生存时间。网络生存时间对比如图5所示。由图5可以看出，随着通信流的增加，改进后的路由协议相比于传统的GPSR协议生存时间有了明显的提高。当通信流数量增加时，数据在感知区域传输的概率增加，能量开销增加，但是由于采用了基于能量和距离的贪婪模式转发，靠近目的节点的热点路由选用了均衡能量的方式，能量消耗比较均衡。

5 结束语

本文主要针对GPSR协议研究了路由空洞和热点路由的问题，对于路由空洞采用左右法守则处理区域路由空洞的问题，对于热点路由采用能量均衡的方法予以解决。协议的改进经仿真实验表明，改进后的协议无论从路由成本还是网络生存时间方面都有了很大的提高，未来应将研究的重点集中在如何减少泛洪通信确定感知区域。

[1]杨鹃，韩雪松.无线传感网络节点定位技术[J］.承德石油高等专科学校学报，2014，16(4):53－56.

[2]丁心体.zigbee协议栈及WSN路由协议的研究[D］.太原:太原理工大学，2013.

[3]Jain R，PuriA，Sengupta R.Geographical RoutingUsing Partial Information forWireless AdHoc Networks[J］.Personal Communication，2001，80(4):48 －57.

[4]吴三斌，柳强，李成博，等.基于能量均衡的无线传感器网络路由算法[J］.计算机应用研究，2012，29(4):1465－1470.

[5]刘宇，赵志军，沈强，等.能量感知的GPSR动态路由负载均衡[J］.计算机工程与应用，2011，47(6):23－25.

[6]王丽娟.基于地理位置的贪婪无边状态路由算法理论及应用研究[D］.太原:太原理工大学，2013.

[7]魏刚.一种基于地理位置信息的高能效的WSN路由协议的研究[D］.沈阳:东北大学，2008.