2024年4月27日发(作者：手机app应用市场)

0

|

INTELLIGENT

SENSING

|

智能传感

无线传感器网络中低时延的路由协议硏究

Research

on

Low

Delay

Routing

Protocol

in

Wireless

Sensor

Networks

青岛科技大学

周琪栋

Zhou

Qidong

薛冰洁

Xue

Bingjie

摘

要

：

无线传感器网络

(Wireless

Sensor

Networks,

WSN)

作为物联网发展的重要技术

，

可应用于生

物医疗

、

环境检测

、

工农业控制等诸多领域

。

路由协议是无线传感器网络支撑技术之一

，

对路由协议

的研究具有重要意义

。

对于执行实时监控任务的

WSN

而言

，

传感器节点监测的参数实时变化

，而且要

求快速获取到采集的信息

，

进行分析

。

这要求路由协议支持低时延的数据传输

，

因此研究WSN

中低时

延的路由协议具有重要的意义

。

关键词

：

无线传感器网络低时延路由协议

Abstract:

Wireless

Sensor

Networks

(WSN),as

an

im

porta

nt

technology

in the

developme

nt

of

the

Internet

of

Things,can

be

applied

in

biomedical,environmentai

detection,

industrial

and

agricult

ural

con

trol

and

other

fields.

Routi

ng

protocol

is

one

of

the

supporti

ng

tech

no

logies

in

wireless

sensor

networks,

the

research

of

routing

protocol

is

of

great

significance.

For

performing

real-time

mon

itoring

tasks

in

WSN,

The

parameters

mon

ito

red

by

sensor

nodes

cha

nge

in

real

time,

and

the

collected

information

needs

to

be

acquired

quickly

for

analysis.

This

requires

the

routing

protocol

to

support

low-latency

data

tran

smission,

so

it

is

of

great

sign

ificance

to

study

the

low-latency

routing

protocol

in

WSN.

Key

words:

WSN

low

latency

routing

protocol

【

中图分类号

】

TP212.9

【

文献标识码】B

文章编号

1606-5123

(2020)

07-0072-03

1

引言

无线传感器网络的应用非常广泛

，

在需要实时采集

数据的应用中

，

低时延的路由协议发挥着重要作用

。

一些

实时的应用如

，

森林火灾监控中

，

需要及时获取监控区域

要求比较严格，

无法满足任意节点间都可以发送数据的需

求

。

基于地理位置信息的路由要求节点具有获取地理位置

的能力

，

适用范围很小

，

对于无法得到自己地理位置信息

的节点和网络则无法使用冈

。

机会路由是为了解决上述路由协议中存在的一些高能

耗等问题而被提出的

，

大致分为基于地理位置信息的

、基

中的重要指标数据

，

以预防火灾的发生

；

战场情报数据获

取中

，

需要快速获取到战场数据进行指挥决策

，

赢得战争

优势

；

医疗检测中

，

医护人员需要实时获取患者的健康数

于链路质量的

、

基于最优化算法的

、

基于跨层设计的等几

据

，以进行跟踪诊断这些无线传感器网络应用中

，

都需

类

。

机会路由虽然在能耗上有不错的表现

，

但由于其每个

节点都要进行探测然后决策的机制

，

导致延迟通常较长

，

要迅速获取检测到的数据

，

因此

，

对低时延路由协议的研

究具有实际应用价值

。

无法保证低的端到端延迟

；

同时

，

机会路由没有路径发现

的功能

，

只能依靠现有路径转发数据

，

无法完成任意节点

2

无线传感器路由协议的延时问题

传统的无线传感器路由协议

，

主要分为以数据为中心

之间的数据收发冈

。

由此可见

，

传统的路由协议在低时延方面没有较好的

的路由协议

，

基于网络拓扑结构的路由协议

，

基于地理位

置信息的路由协议

，

机会路由等

。

以数据为中心的路由有

SPIN,

Direct

Diffusion

等,此

表现

，

因此，

对低时延路由协议的研究很有必要

。

3

WSN

中低时延路由协议研究

低时延路由协议主要是解决无线传感器网络中数据

传输速率问题

，

能以更快的速度获取到数据

，

进行研究与

类路由由于洪泛的查询机制

，

能量消耗较大

，

同时延迟无

法得到保障

，

无法适用于低能耗低延迟的场景

。

基于网络

拓扑结构的路由协议中

，

LEACH

是最早的

，

后续很多协议都

分析

。

针对

LEACH

协议进行了优化

，

这类协议往往是对拓扑结构

3.1

能耗和延迟平衡的机会路由协议

综合考虑时延和能耗

，

提高数据转发速度的同时

，

节

点获得较长生存周期

，

提出了能耗和延迟平衡的机会路由

协议

(balance

of

energy

and

delay

opportunistic

routing

protocol,

EDOR)

。

该协议通过分析传感器节点通信过程

，

来估算节点的

预期能耗值

，

使得节点选择令自己能耗较低的邻居节点作

为转发候选

。

在决定最终的转发节点时

，

该协议通过结合

候选节点下一跳邻居节点的占空比信息来进行决策

，

使得

发送节点选择能够更快将数据转发出去的候选节点来降低

延迟

，

从而实现能耗和延迟性能的平衡

。

最后

，

该协议还

通过设计退避策略来实现转发节点的单一性

，

减少机会路

由过程中产生的不必要的数据包副本数量旳

。

当前节点发送数据时

，

由于使用了基于

CSMA

的

MAC

层协议

，

因此必须通过探测的方式来进行通信

。

然而当真

正选择某个节点进行转发时

，

考虑该节点获得数据后再向

后进行转发的过程

，

显然是该转发节点的邻居节点的工作

周期覆盖越全面

，

该转发节点发送数据时的等待时间就越

短

，

延迟就越低

。

3.2

延迟满足的路由选择和调度更新策略

为了研究

SDN

的实时路由更新问题

，

提出了延迟满足

的路由选择和调度更新策略

(delay

satisfied

route

selection

and

updating

scheme,

DSRSU)

。

DSRSU

同时从控制平面

路径选择和数据平面的更新调度两方面来联合优化，

降低

路由更新的延迟

。

路径选择阶段只选择部分数据流进行路

由更新

；

更新调度阶段通过建立更新关系图

，

挖掘数据流

更新的先后顺序

，

进一步加快路由更新速度同

。

DSRSU

设计路径选择和分配算法

，

确定更新的数据流

集

，

通过更新部分数据流尽量达到较好的路由更新效果

。

在保证实时路由更新和较低网络负载的同时

，

路径选择和

分配应尽量减小更新数据流的数量

，

以进一步加快路由更

新调度的速度

，

降低路由更新调度延迟

。

把

DSRSU

的路由选择和调度更新策略的相关思想应用

到

WSN

中

，

可以提升

WSN

节点转发数据的速度

，

降低网络

时延

，

提升性能

。

3.3

基于相继干扰消除的无线传感网低时延广播算法

为了有效地降低传输时延

，

提出了基于相继干扰消除

的低时延广播算法

。

首先

，

构建了

WSN

网络模型，

给出了

物理干扰模型下最低时延广播问题的形式化定义

。

然后

，

提出贪婪广播算法

GreedyB,

通过设计宽度优先搜索树

，

实现网络节点的分层

，

依据覆盖节点数最多

，

优先选为父

节点的规则来构造广播树

，

然后采用逐层调度和干扰避免

调度的方式来分配广播链路的传输时间片

。

有效解决了信

号干扰问题

，

但可并发传输的广播链路数量受限

。

《

智慧工厂

》

Smart

Factory

July-August

2020

在

GreedyB

的基础上

，

结合相继干扰技术

，

提出了广

播算法

SICB

间

，

进一步降低广播时延

。

在分配传输时间片

时

，

分析广播链路之间是否满足相继干扰消除的条件

，条

件满足时安排在同一时间片

，

不满足时进行干扰调度避

免

，

增加了可并发传输的广播链路数量

。

WSN

中

，

广播的作用即将数据从源节点分发给网络中

的所有节点，

用于路由发现和重要信息的传输

。

因此该

算法可直接用于

WSN

中的路由协议

，

用来降低时延

，

提升

性能

。

3.4

低延迟高鲁棒性的路由协议

为了兼顾延迟性和鲁棒性

，

提出了低延迟高鲁棒性的

路由协议

(RDR),

RDR

通过独特的路径探测寻找延迟较短

、

鲁棒性较强的路径

，

以此降低传输延迟

，

利用周围节点协

助转发解决不稳定链路

，

增强鲁棒性

，

使得网络中的节点

可以在良好的网络环境或恶劣的网络环境中都保持较好的

延迟表现

，

同时保证网络中节点可以进行端到端通信

，

不

再局限于单向数据收集

。

RDR

充分结合机会路由和路径探测的优势卩节点通过

路径探测找到延迟表现最优的路径和潜在的协助节点

，

协

助节点是指在选中的路径方向上的节点

，

这些节点是可能

参与数据发送的节点的总和

。

在数据发送时

，

使用协助节

点协助转发来保证数据包到达

，

从而取消耗时的重传

，这

样使得端到端延迟降到最低

；

同时，

协助节点的参与

，

使

网络中更多的节点参与数据转发

，

对链路质量的变化也有

了较好的抵抗性

，

因此增强了鲁棒性

。

数据发送阶段的动

态多播可以保证数据总是使用延迟较短的路径进行传输，

同时

，

多播也可以进一步降低通信环境变化对数据稳定性

的影响

，

进一步增强鲁棒性

。

3.5

低功耗无线图像传感器网络多径路由时延研究

利用无线传感器网络进行分段式图像传输

，

在链路易

受干扰的环境中

，

大量的传输时间耗费在数据校验和重传

的过程中

，

易造成云端路由节点能量的快速消耗

，

从而降

低整个网络的服务期

。

为研究最优低时延传输方法

，

建立了多径传输的低功

耗无线图像传感器网络系统模型

，

基于排队论分析了延迟

产生的原因

，

引入干扰因子

，

针对链路不可靠情况，

以双

径传输为重点

，

提出了基于双径路由的图传方法囘

。随着分

组数据的增多，

链路损失的加大

，

采用较传统的单径传输

有更低的延迟率

，

图像数据可更快速地在汇聚节点生成

，

同时

，

整个网络将会有更好的生命期

。

WSN

中

，

对图像的传输即对收集到的信息的转发

，

因此本协议方法可应用到路由协议上

，

用来降低数据传输

时延

。

|

INTELLIGENT

SENSING

|

智能传感

4

结束管

低时延路由协议的研究

，对

WSN

中一些实时应用具有

重要的意义

。

本文首先介绍了

WSN

中的一些实时应坤，

然

后介绍了传统的无线传感器网络路由协议

，

其次

，

结合传

统路由协议的性能

，介绍了各种低时延路由协议

，

并将其

[4]

高宏超

，

陈晓江等.无源感知网络中能耗和延迟平衡的机会路由

协议

0].

软件学报

.2019,30(8):2528-2544.

[5]

朱金奇

，

孙华志等.软件定义网络中延迟满足的路由选择与实时

调度更新

D]

•软件学报

.2019,30(11):3440-3456.

[6]

焦贤龙

，

王刚等.基于相继干扰消除的无线传感网低时延广播算

应用到无线传感器网络中

，

提升路由协议在实时应用上的

性能

。

各种低时延路由协议的具体性能

，

将作为下一步的

法

[J].

计算机学报

.2019,1

1

(42):2526-2538.

[7]

兰轩宇

，

陈晓江等.高鲁棒性低延迟的路由协议

[J1

•软件学

^.2018,29(12):3886-3903.

工作重点

。

[8]

谢银波

，

杨光义等•低功耗无线图像传感器网络多径路由时延问

X

文

1K

[1]

题研究

[}]•

武汉大学学报(工学版

).2019,11(52).

萄扁

，

张楚芸等

.WSN

中基于子群优化算法的分融由

协议

[J].

通信学报

.2019,

12(40):114

-

⑵

.

作者简介

周琪栋

(

1989-)

男工学硕士助理实验师研究方向为大

数据与无线传感器网络

[2]

蒋婵

，

梁俊斌等.低占空比

WSN

中能量感知的动态路由算法

[J]

.

软件学报

.2017,

28(2):41

-49.

⑶梁俊斌

，

马方强等.动态无线传感网中低延迟高可靠的数据查询

薛冰洁

(1992-)

女

工学硕士助理教师无线传感器网络

方向

机制

IJ]

.计算机学报

01.2020,3(43):555

—

572.

(上接

57

页)

张力设定的影响

。

3.3

鋼带弯曲变形杠

带钢缠绕在张力辐上时

，

会发生弯曲以及弹塑形变，

既

产生钢带弯曲变形损耗。

带钢弯曲力矩于带钢的宽度

，

厚度

的二次方

，

以及带钢屈服强度成正比

，参见下式所示

：

⑶

T

b

钢带弯曲力

nm

£

带钢屈服强度

n/mm

3

W

钢带宽度

mm

图

4

力矩限幅控制详图

H

钢带厚度

mm

4

结東雷

张力模式下拉矫功能的实现

，同样也可以速度来实现

3.4

力矩限幅

为了使张力辗工作稳定

，

不出现过载过流等现象

，

对其

此功能

，

如果对产品要求更高的话

，

也可以采用延伸率闭

环控制

。随着电气元器件的逬步

，

以及一些更先进的控制

进行力矩限幅

，

依据张力輻驱动电机的功率和基本转速可知

其最大转矩

，

相应的力矩限幅度也可以得到

，

参见图

4

所示

。

方式的出现

，

如神经元网络和模糊控制理论等

，

特别随着

人工智能在工业生产中的应用

，

电气控制水平更是一日千

3.5

拉轿功能的实现

在

H

M

I

画面上有一拉矫功能选择按钮和拉矫功能张力

设定值对话框(此值可以从

L2

依据数学模型来获取

，

也可

依据经验手动输入)

，

而且在

HMI

画面上可以实时看到在其

里

，

相信随着科技的进步

，

人工智能将更加完善，

一些其

他现在不被人知的先进控制理论也会问世，

随之工业控制

水平会越来越高

。

拉矫功能下的延伸率

。

当要启动拉矫功能时

，

只要操作人

员在

HMI

上进行选择即可

，

此时张力辐

A1

将被从张力辐组

中脱离

，

且力矩限和负载平衡同时被断开

，

其进行独立控

參考文猷(略)

作者筒介

制(如图二)

，此时负载平衡进行将重新分配

，

并作用到

B2-C2

辐上

，

而

A1

辐控制将只受区域段参考速度和拉矫功能

张华

(

1977-)

男工学学士助理工程师研究方向为冶金自

动化装备管理工程