【摘要】本文根据井下作业的复杂环境及其对QoS的要求，设计了相应的无线传感器网络路由协议。该协议法求出了每个节点到Sink节点的最少跳数，并存储在每个节点中，在能量有效性、能量均衡性、减小延迟性和投递率方面均都具有很好的性能。
【关键词】无线传感器网络；路由协议；QoS
1.引言
无线传感器网络是由大量密集，布置在监控区域的智能传感器节点组成的网络系统。随着无线通信、微处理器、微机电系统等技术的发展和对无线传感器网络研究的不断深入，应用化已经逐渐成为人们关注的焦点。井下作业频繁事故的发生给人们的生命和财产带来了巨大损坏。把无线传感器网络应用到井下来监控井下环境，预测事故发生的可能性。由于井下环境对消息传播影响较大，为了提高消息传播的可靠性该协议采用了回溯策略，需要在保证网络能量的有效性和能量均衡性的前提下完成的。
2.路由表建立过程
应用迪杰斯特拉算法求出了网络中的每个节点到Sink节点的最小跳数并保存在各个节点中，通过以下过程为每个节点建立一个路由表，表中存储了邻居节点的地址，能量值和到Sink节点的最小跳数。
Sink节点向网络中广播IFM2消息来通知网络中各节点启动路由表的建立过程。Sensor节点收到IFM2消息后也向网络中广播该消息，然后向邻居节点广播消息IEH（Identity with Energy and Hops），该消息中记录着该节点的地址、能量和到Sink节点的最小跳数。邻居节点收到该消息后，在自己的路由表中登记该节点的地址、能量和该节点到Sink节点的最小跳数。每个节点只需成功地广播一次IEH消息和IFM2消息。该过程结束后，每个节点的路由表就建立完成。表格建立后要对最小跳数不同的邻居节点分类，把最小跳数不同的邻居节点分为两类，以保证对不同信息采用选择不同的发送路径。
考虑到井下的特殊环境，把消息分为两种：常态消息——表明没有危险发生，报警消息——表明有危险发生。
当某节点有数据要发送或者转发时，它要从路由表中选下一跳节点。选取策略如下：当节点收到消息后，应用公式T=（E+N）/H（E值是邻居节点的能量大小，H值是邻居节点到Sink节点的最小跳数，N是可以设定的协议常量）计算该节点邻居节点的T值，计算出T值后比较所有邻居节点的竞争参数T，竞选参数T值最大的邻居节点被选为下一跳，如果有T值相等且并列最大的的多个邻居节点，就从这些邻居节点种任选一个作为下一跳。
不同的消息计算T值时N的取值不同。对于常态消息N取零。因为N值取零时，网络在传输常态消息时会最大限度地考虑网络中能量利用地均衡性。对于报警消息，由于报警消息要求及时快速地被传到Sink节点，所以N要取的值较大。通过以上证明可知如果N取值较大，节点在选取下一跳时，到Sink节点跳数值小的节点容易被选上，这样报警消息就能及时快速地被传到Sink节点。N值的具体取值要根据应用而定，如果报警消息发生的较频繁，N值就不能取得过大而弱化了邻居节点能量值在竞争下一跳时的作用，造成短路径被频繁使用而能量消耗殆尽。如果报警消息发生的不频繁，N值可以取得较大而把报警消息及时快速的传给Sink节点，并且网络通过传输数量较大的常态消息使得网络中的能量达到平衡。
用这种策略选下一跳节点，通过改变协议常量N的大小，可以改变节点能量在建立路径过程中作用的大小，来为不同消息服务。能为报警消息选择短路径传输到Sink节点，使得报警消息能及时快速的传播。同时还考虑了能量利用的均衡性和传输路径的优化。
为了适应网络中节点能量随时间动态变化的情况，回复帧ACK中增加了纪录节点能量值的字段。当某节点发送数据给下一跳节点时，如果收到该邻居节点回复帧ACK，它用该回复帧ACK中记录的该邻居节点的能量值替换掉路由表中的旧值；如果收不到下一跳节点的回复帧，那么该节点就认为该邻居节点无法接收数据，它会从路由表中把该邻居节点删掉，然后从路由表中另选下一跳节点接收数据。如果所有的邻居节点都不能接收数据时，该节点就把该数据回传给发送该数据的上一跳节点，由上一跳节点重新选取路径。当某节点收到回传数据时，在收到网络重组消息IFM1之前不会再向回传数据的节点发送数据。这种回溯策略保证了数据的可靠传输。网络中的节点不论自己是否发了数据都要通过接收邻居节点的ACK帧来更新该邻居节点的能量旧值，这样可以确保路由表中的能量大小与邻居节点实际能量大小一致。
3.SAR协议
SAR（Sequential Assignment Routing，有序分配路由）是1999年Katayoun Sohrabi等人在DARPA支持的一个研究中提出的一种主动型平面路由协议。该算法中sink点的所有一跳邻节点都以自己为根创建生成树，在创建生成树过程中考虑节点的能量、时延等QoS参数，各个节点从而反向建立了到sink点的具有不同QoS参数的多条路径，路径的QoS参数存储在该路径上的节点。节点发送数据时选择一条或多条路径进行传输，在选择路径时，节点为不同优先级的数据包选择相应的路径。
每条路径的能量会随着数据的传输次数增加而变化，那么该路径的服务质量也会发生变化。所以，要周期性的由Sink节点启动更新过程来更新路径上节点中记录的QoS参数，使得节点记录的QoS参数跟实际一致。
当数据传输失败时，要由传输数据的节点通过路由表另选路径传输数据。
在下面的仿真中，SAR协议的消息分为两个级别，报警消息为第一级别，常态消息未第二级别。报警消息传播时选择延迟小的路径，而常态消息传播时要考虑能量均衡利用。
4.结论
考虑到煤矿井下监控系统对路由协议的特殊要求，本文设计了RPQ协议。由于井下环境复杂，特别是在事故发生时网络容易遭到破坏，但网络还要把报警消息传到上位机，所以该协议采用了回溯策略，极大限度的保证了网络在损坏的情况下的把数据传输到上位机。由于井下巷道中布置的节点都是静态的，节点中存储的网络信息（最小跳数，路由表等）不用频繁更换，所以采用迪杰斯特拉算法思想求得最小跳数并存储在各个节点中，并采用路由表机制很适合井下环境。该协协议采用了公式T计算T值作为选取下一跳节点的策略，既考虑了能量的有效利用同时还保证了能量利用的均衡性。通过对公式中T中参数N的改变，使得网络满足不同消息QoS的需求。所以，该协议很适合于应用于煤矿井下监控的无线传感器网络。
参考文献
[1]Akyildiz I，SuW，et al.Wireless sensor networks：asurvey[J].Computer Networks，2002，38（4）：393-422.
[2]孙利民，李建中，阵渝，朱红松.无线传感器网络[M].北京：清华大学出版社，2005.
[3]Richard Johnsonbaugh，石纯一，金涬.离散数学[M].北京：人民邮电出版社，2003：249-255.
作者简介：刘学（1983—），男，菏泽学院助教，研究方向：网络信息系统。
