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Research on Wireless Sensor Networks Routing Protocol for Wetland Water Environment Monitoring 用于湿地水环境监控的传感器网络路由 协议研究. 卢旭. 摘要.
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Research on Wireless Sensor Networks Routing Protocol for Wetland Water Environment Monitoring用于湿地水环境监控的传感器网络路由协议研究 卢旭
摘要 • 基于 (m, k)-firm链接质量评估，我们提出了一个链接质量评估路由协议（LQER）来适应湿地中水环境监控的高数据传输可靠性的要求。在路由选择的时候既考虑能效又考虑链接质量，使得路由数据更加可靠，减少了重发的概率，因此节约了能量并延长了整个网络的寿命。仿真结果表明，LQER可以满足沼泽中多水环境监控对能效、可靠性和扩展性的要求。
1 引言 • 目前，在水环境监控中采用了两种技术： 1）通过便携式监控器人工取样，再在实验室中分析，这种方法有限于在江河和湖泊中取样，而且取样频率通常是一个月或一天几次。 2）通过由中心控制室和若干其他监控站组成的自动监控系统来自动连续监控水环境的参数，数据自动传输很大的距离，而且有一个站点可以实时查询环境参数。 • 以前的方法不能实时监控水中环境的远程参数，监控周期较长，工作密度较大，数据采集速度慢，等等。后来的方法可以较好地解决监控周期长、工作密集、数据收集和传输慢的问题，但是也有其缺点，如对湿地的原始生态环境有巨大影响、系统投资巨大、水体本身的有限范围等等，因为它需要布置电缆、配置监控站点，所以给每个小的水体都配置大规模的监控站点或多点远程实时监控是不可取的。
无线传感器网络的研究是IT研究中的热点，将对21世纪人类的生活产生巨大影响。当前无线传感器网络正越来越多的应用于环境监控领域，如跟踪候鸟或昆虫的迁徙、监视生态栖息地、研究农作物的环境变化影响、森林火灾警报、检测大气或地球的成分等等。 • 湿地中的多水环境远程实时监控，相对于水环境的自动监控系统的不连续的监控网络，无线传感器网络具有如下优势： 1）对湿地生态环境的影响很小； 2）传感器的多点密集部署； 3）低系统能耗。
因此，无线传感器网络更适用于在湿地中的每个小的水体的远程实时监控，克服了当前的监控方法的缺点，如对湿地原是生态环境的影响、很少的数据收集点、监控范围的受限、铺设电缆的需求等等。 • 无线传感器网络应用于湿地中水环境的监控对路由数据传输的可靠性有很高要求。如果数据在传输到基站时丢失了，基站就不能及时了解到水区域的情况，也就不能采取任何措施来控制它。因此，湿地水环境监控的路由协议不仅仅是需要高能效，还需要数据传输的高可靠性，也就是说一个较高的数据包传递成功率。 • 本文主要介绍了LQER的原理及其性能的分析。【5】中更多LQER的详述和分析。
2.链接质量评估路由协议 • 链接质量用(m, k)-firm来评估，LQER是基于一种最小跳数路由协议设计的，该最小跳数路由协议具有较高的能效。 • 2.1.基于 (m, k)-firm的链接质量评估 • 为了设计无线网络路由数据的可靠性，在各种不同的环境下做链接质量的实验。各种链接质量评估者是根据统计结果设计的。其中，指数加权移动平均值（WMEWMA）链接质量评估者可以提供一个无线传感器网络中链接质量的相对准确的评估。但WMEWMA是无线传感器网络中节点的综合体，因此在实际应用中是受限的。 • (m, k)-firm的基本思想是：任务窗口中k个连续的期限中至少m个必须符合任务流。基于该思想，设计了(m, k)-firm链接质量评估，也就是说，k个历史数据包中的m个传输成功了，该链接质量才是合格的。在实际应用中，不同环境中确定不同的合适的k值。通过仿真，我们发现当k=9时，(m, k)-firm链接质量可以符合要求。
2.2.最小跳数路由协议 • 最小跳数路由协议的主要思想是每个节点都记住和自己只有一跳距离的邻节点中最小跳数比自己小1的节点。 当传输数据时，在所有合格的节点中指定一个作为传输节点。如图1所示，假设节点S的最小跳数是8，其传输节点包括A、B、C3个节点，B节点的跳数是7。这样就可以确保数据通过最短路径传输，而不会产生多余信息。当一个数据传输数据时，所有距离其1跳的邻节点都接收到该数据，但只有指定的节点会传输该数据包。数据包就是通过这种方式传输到基站的。最小跳数也意味着在数据包传输过程中最少数量的节点参与进来，因此传输数据的能耗减少了。
2.3.LQER设计 • 链接质量评估路由协议是基于MHFR的，它综合考虑连接质量评估的结果和最小跳数。因此，在数据路由中，不仅仅要达到高能效，还要降低因为低链接质量而产生的数据包丢失的概率，这样才能降低数据重发的概率、降低平均能耗。 • 图2所示为链接质量评估LQER算法。
3. 仿真和性能评估 • 为了评估能效和数据传递成功率，我们通过用WSNSim进行仿真来比较LQER、MHFR和最小花费路由协议的性能。在仿真中，链接质量特性用伯努利损失过程模型来仿真。每个节点周期性地发送数据到基站，如果基站不接收相应的数据，就会产生一个要求重发的查询。节点数从100到1000，在10000秒的仿真中，LQER用来仿真测量节点平均能效和数据传输成功率。
3.1. 移动传感器网络中的最小跳数路径路由算法 • 图3所示为在节点数为100，k=9的10000秒的仿真下的LQER、MHFR和MCR的平均能耗。可以发现图中平均能耗最小的是LQER，也就是说，LQER比MHFR和MCR有更高的能效。这是因为在低链接质量环境下仅仅考虑上层和跳数是不够的，如果低链接质量的路径选来传输数据，包丢失就很容易发生，由于重发能耗也会增加。
3.2. 数据传输的可靠性 • 在监控湿地水环境时，数据传输的可靠性比能效更加重要。只有数据可靠地传输到基站，才能及时调整策略，才能精确地监控目标水区域。图4表明在10000秒的仿真中，LQER、MGFR和MCR各自的数据传输成功率情况。从图中可以看出，LQER的数据传输成功率远远高于MHFR和MCR，而且在数据数量增加之后LQER的变化很小，这表明可扩展性也可稳定数据传输的可靠性。但在节点数量增加时MHFR和MCR的成功率却降低了，而MCR的尤为如此。
4.结论 • 为了满足水环境监控中数据传输的高可靠性的要求，我们研究了(m, k)-firm链接质量评估，提出了连接质量评估路由协议。LQER综合考虑了无线传感器网络路由中的最小跳数和历史链接质量，这样便改善了数据路由的可靠性，降低了数据重发的概率，节约了能量，延长了网络寿命。仿真结果表明LQER可以满足水环境监控中高能效、数据传输可靠性、协议的扩展性的要求。
