端嘉盈

(中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司電子計算技術(shù)研究所,北京 100081)

1 概述

路由選擇算法是網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計的一個主要任務(wù)，負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)從源節(jié)點通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點，它的主要功能是尋找源節(jié)點和目的節(jié)點間的優(yōu)化路徑并將數(shù)據(jù)沿著優(yōu)化路徑正確轉(zhuǎn)發(fā)[1-2]。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不同使其受到能量消耗的制約，并且只能獲取到局部拓?fù)湫畔?，因此，無線傳感器的路由協(xié)議需考慮節(jié)點能量消耗以及網(wǎng)絡(luò)能耗均衡的問題。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為了節(jié)省通信能量，通常采用多跳的通信模式，因此節(jié)點如何在只能獲取到局部拓?fù)湫畔⒑唾Y源有限的情況下實現(xiàn)簡單高效的路由機制，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的一個基本問題[3-5]。

隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣泛使用，以線性拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)越來越多的使用在河流、道路、管道、高壓電線等線性對象的監(jiān)測中。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的能量有限，因此針對線性拓?fù)涞臒o線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量消耗的研究很有意義，傳統(tǒng)的路由協(xié)議可以在一定程度上解決能耗均衡的問題，但是，傳感器具有很強的應(yīng)用相關(guān)性，不同應(yīng)用中的路由協(xié)議差別很大，沒有通用的路由協(xié)議，需要針對每一個具體應(yīng)用的需求，設(shè)計與之適應(yīng)的特定路由機制[6-8]。王偉研究了長距離帶狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計了一種長距離帶狀網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的分簇路由協(xié)議[9]。Abraham O提出了一種基于基站控制的簇頭輪換的QoS路由協(xié)議(QBCDCP)[10]。PEAS算法是一種通過維持必要的工作節(jié)點，關(guān)閉冗余節(jié)點的方法維持網(wǎng)絡(luò)具有長生命周期的節(jié)能的WSN路由算法[11，12]。潘必平提出了采用粒子群算法優(yōu)化的分簇路由算法，用于解決線性無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中路由路徑較為單一，熱區(qū)明顯等問題[13]。王楠針對監(jiān)測點位置事先確定的線性路由問題，提出一種等距離分組多跳路由協(xié)議[14]。

鐵路沿線監(jiān)測區(qū)域呈狹長帶狀特點，為了對其環(huán)境情況進行實時監(jiān)測，需將傳感器線性部署在鐵路沿線，因此，鐵路沿線無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是典型的線性無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，若套用現(xiàn)有的路由協(xié)議存在一個普遍的問題就是缺乏對監(jiān)測區(qū)域環(huán)境條件的適應(yīng)性。針對鐵路沿線的線性無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的具體應(yīng)用場景，設(shè)計出一種適應(yīng)于鐵路沿線線性拓?fù)錈o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基于信息分級的能耗均衡路由協(xié)議。

2 鐵路沿線無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分析

2.1 鐵路沿線無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基本設(shè)計

隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展成熟，為鐵路沿線的基礎(chǔ)設(shè)施、設(shè)備和自然環(huán)境全天候的實時監(jiān)測提供了技術(shù)保障。鐵路沿線需要監(jiān)測的對象種類繁多，傳感器的安裝位置由監(jiān)測對象的特點決定，大體成線性分布在鐵路沿線。為了將這些傳感器采集的信息匯總到路局中心，根據(jù)實際情況可知，在鐵路沿線每隔固定距離設(shè)置有GSM-R機房，機房內(nèi)有鐵路有線專網(wǎng)，只需采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將傳感器采集的信息匯聚到機房便可發(fā)送至路局中心。由于傳感器節(jié)點布置分散，有的傳感器距離機房較遠(yuǎn)，若所有傳感器都與機房之間各自布置中繼節(jié)點直接通信，會造成節(jié)點布置繁多、成本高和通信信道互相干擾的問題。因此，本文設(shè)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由傳感器節(jié)點、軌邊匯聚節(jié)點、基站匯聚節(jié)點以及中繼節(jié)點組成，如圖1所示。各類傳感器節(jié)點將采集的信息通過無線方式發(fā)送至軌邊匯聚節(jié)點，再由軌邊匯聚節(jié)點通過中繼節(jié)點多跳傳輸至機房匯聚節(jié)點，最后由機房匯聚節(jié)點通過鐵路專網(wǎng)將這些信息發(fā)送至路局中心。路局中心下達(dá)的查詢命令通過同樣的方式反向發(fā)送給傳感器節(jié)點[15]。

圖1 鐵路沿線WSN節(jié)點布置示意

由圖1可知，軌邊匯聚節(jié)點將鐵路沿線分為若干個分區(qū)，為了避免“能量空洞”問題，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期，同一分區(qū)內(nèi)的中繼節(jié)點均勻布置，不同分區(qū)間的中繼節(jié)點非均勻布置，距離機房匯聚節(jié)點越近的分區(qū)內(nèi)的中繼節(jié)點布置越密集[16]。

建立的鐵路沿線無線傳感器網(wǎng)絡(luò)滿足以下條件或假設(shè)：

①網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點被分配有唯一的ID，所有節(jié)點都參加和轉(zhuǎn)發(fā)給定的數(shù)據(jù)；

②中繼節(jié)點的初始能量是固定的，處理能力、存儲空間和節(jié)點能量是有限的；

③節(jié)點布置之后，節(jié)點的地理位置固定；

④節(jié)點可以測量需要的參數(shù)，比如通信可靠性和當(dāng)前剩余能量；

⑤通過數(shù)據(jù)融合后數(shù)據(jù)包的大小相同；

⑥節(jié)點的發(fā)射功率只能滿足相鄰節(jié)點之間以及相隔一個的節(jié)點之間通信，再遠(yuǎn)的節(jié)點之間無法直接通信；

2.2 鐵路沿線無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分析

根據(jù)鐵路沿線無線傳感器網(wǎng)絡(luò)原型可知，每個軌邊匯聚節(jié)點需要匯聚周圍不同的感知節(jié)點的信息，這些感知節(jié)點監(jiān)測的對象不同，監(jiān)測對象所處的狀態(tài)不同，包含不同信息的數(shù)據(jù)包的重要程度會有較大的差異，在進行數(shù)據(jù)包傳輸?shù)倪^程中，要使重要的信息能夠快速地、高效地發(fā)送至路局中心。因此，有必要針對該問題設(shè)計線性無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，通過中繼節(jié)點將軌邊匯聚節(jié)點匯聚的數(shù)據(jù)包按照信息的重要程度依次傳輸至機房匯聚節(jié)點處，同時，由于中繼節(jié)點的能量有限，該路由協(xié)議必須均衡使用有限的能量，使網(wǎng)絡(luò)的生命周期最長。該線性網(wǎng)絡(luò)可以簡化如圖2所示。

圖2 線性無線傳感器網(wǎng)絡(luò)示意

圖2中，節(jié)點A表示軌邊匯聚節(jié)點，節(jié)點B表示機房匯聚節(jié)點，節(jié)點A與B之間布置了n個中繼節(jié)點，由于傳感器節(jié)點與軌邊匯聚節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸不是本文的研究重點，因此傳感器節(jié)點在圖中不體現(xiàn)。

受限于節(jié)點的發(fā)射功率，節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)包時，只能滿足相鄰節(jié)點之間以及相隔一個的節(jié)點之間通信，再遠(yuǎn)的節(jié)點之間無法直接通信。因此，數(shù)據(jù)包在線性網(wǎng)絡(luò)的傳輸中，僅存在兩種轉(zhuǎn)發(fā)方式，即數(shù)據(jù)包由第Li個節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)到第Li+1個節(jié)點的過程，稱之為單跳轉(zhuǎn)發(fā)方式；數(shù)據(jù)包由第Li個節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)到第Li+2個節(jié)點的過程，稱之為雙跳轉(zhuǎn)發(fā)方式。

傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)包具有不同的重要程度，當(dāng)這些數(shù)據(jù)包到達(dá)軌邊匯聚節(jié)點時，對數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級進行設(shè)定。為了降低優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)包的傳輸時延，提高優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)包傳輸?shù)目煽啃裕闹型ㄟ^減少優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)和減少優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)包在軌邊匯聚節(jié)點的排隊時延兩種方式實現(xiàn)，分別建立數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)模型和數(shù)據(jù)包排隊模型。

3 路由模型建立

3.1 數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)模型

數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)模型由兩部分組成，一部分是數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級劃分，以及根據(jù)該數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級計算其在傳輸過程中使用的兩種轉(zhuǎn)發(fā)方式的次數(shù)；另一部分是以能耗均衡為前提，以網(wǎng)絡(luò)壽命最長為目標(biāo)，根據(jù)中繼節(jié)點的初始能量，計算每個中繼節(jié)點可以使用的兩種轉(zhuǎn)發(fā)方式的初始次數(shù)。

(1)數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級及轉(zhuǎn)發(fā)方式

優(yōu)先級最高的數(shù)據(jù)包應(yīng)盡可能多地使用雙跳的方式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，雖然消耗了較多的能量，但是可以使數(shù)據(jù)包更快更可靠地發(fā)送至機房匯聚節(jié)點；優(yōu)先級低的數(shù)據(jù)包應(yīng)采用單跳的方式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，以減少網(wǎng)絡(luò)的能耗。

線性網(wǎng)絡(luò)中共有n個中繼節(jié)點，數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級共分為K+1個優(yōu)先級，從0級到K級，其中K級為最高優(yōu)先級，0級為最低優(yōu)先級。

(1)

在對最高優(yōu)先級K級的數(shù)據(jù)包進行傳輸時，采用最多的雙跳方式轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)包，則最高優(yōu)先級K的數(shù)據(jù)包的雙跳方式轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)為

(2)

最高優(yōu)先級K的數(shù)據(jù)包的總轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)為

NK=n+1-MK

(3)

優(yōu)先級k的數(shù)據(jù)包的雙跳方式轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)為

Mk=MK-k+1

(4)

優(yōu)先級k的數(shù)據(jù)包的總轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)為

Nk=n+1-Mk

(5)

優(yōu)先級0的數(shù)據(jù)包的雙跳方式轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)為

M0=0

(6)

優(yōu)先級0的數(shù)據(jù)包的總轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)為

N0=n+1

(7)

因此，優(yōu)先級的級數(shù)和該優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包所需要的雙跳的跳數(shù)在數(shù)值上一致。

(2)中繼節(jié)點的兩種轉(zhuǎn)發(fā)方式的初始次數(shù)

線性無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸消耗的能量滿足典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量耗費模型[17]。

(8)

ERx=l×Eelec

(9)

式(8)表示發(fā)射l比特數(shù)據(jù)損耗能量ETx的計算公式，包括兩部分：發(fā)射電路損耗和功率放大損耗。Eelec為發(fā)射電路的損耗能量，功率放大損耗則根據(jù)發(fā)送者和接收者之間的距離不同采用不同的模型：當(dāng)d

設(shè)中繼節(jié)點之間的距離為d，第Li個節(jié)點發(fā)送一個數(shù)據(jù)包到第Li+1個節(jié)點消耗的能量為s，第Li個節(jié)點發(fā)送一個數(shù)據(jù)包到第Li+2個節(jié)點消耗的能量為S，第Li個節(jié)點接收一個數(shù)據(jù)包消耗的能量為r，中繼節(jié)點初始能量為E，網(wǎng)絡(luò)全生命周期內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包總數(shù)量為Q。pi為第Li個節(jié)點可以使用的單跳轉(zhuǎn)發(fā)方式的次數(shù)；qi為第Li個節(jié)點可以使用的雙跳轉(zhuǎn)發(fā)方式的次數(shù)。因此，節(jié)點應(yīng)該滿足能量約束條件，如式(10)所示。

(10)

信息從軌邊匯聚節(jié)點傳輸至機房匯聚節(jié)點的過程中，每兩個相鄰節(jié)點之間流過的數(shù)據(jù)包的總數(shù)，都等于軌邊匯聚節(jié)點總共發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)，也等于機房匯聚節(jié)點總共接收的數(shù)據(jù)包數(shù)，將該原則定義為流量守恒原則。根據(jù)該原則，可知每個節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包數(shù)應(yīng)滿足流量守恒約束條件如式(11)所示。

(11)

(12)

為了使網(wǎng)絡(luò)的使用壽命最長，采用網(wǎng)絡(luò)在全生命周期內(nèi)總共發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)量為網(wǎng)絡(luò)壽命的衡量指標(biāo)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)壽命最長時，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包總數(shù)量最多，則模型的目標(biāo)函數(shù)為

(13)

當(dāng)Q為最大值時，求得

(14)

根據(jù)該模型可知，當(dāng)?shù)贚i個節(jié)點的兩種轉(zhuǎn)發(fā)方式的次數(shù)滿足式(14)時，網(wǎng)絡(luò)壽命最長。

3.2 數(shù)據(jù)包排隊模型

數(shù)據(jù)包從軌邊匯聚節(jié)點傳輸至機房匯聚節(jié)點的總傳輸時延，包括數(shù)據(jù)包在軌邊匯聚節(jié)點處的排隊時延、處理時延及其在其他節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)時延。

軌邊匯聚節(jié)點可以接收來自多個數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)，都通過中繼網(wǎng)絡(luò)傳輸至機房匯聚節(jié)點。由于很多數(shù)據(jù)可能同時到達(dá)軌邊匯聚節(jié)點，因此在軌邊匯聚節(jié)點設(shè)置一個緩沖隊列，設(shè)為NQ0，NQ1，NQ3，…NQK，其中NQK為優(yōu)先級為k的數(shù)據(jù)包的隊列，隊列總長度為

(15)

為了減小優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)包的排隊時延，采用非強占優(yōu)先權(quán)M/M/1排隊系統(tǒng)：假定系統(tǒng)中有兩類顧客，第一類顧客較第二類顧客具有非強占優(yōu)先權(quán)是指，隊列中的第一類顧客優(yōu)先插隊排在第二類顧客隊伍前面先接受服務(wù)，若第一類顧客到達(dá)時第二類顧客正在接受服務(wù)，第一類顧客只好等待，直到第二類顧客被服務(wù)完畢，才可以接受服務(wù)員(臺)服務(wù)[18]。

采用該策略，軌邊匯聚節(jié)點對所有數(shù)據(jù)包根據(jù)優(yōu)先級排序，將優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)包排在隊頭，優(yōu)先級低的數(shù)據(jù)包排在隊尾，優(yōu)先級低的數(shù)據(jù)包只能在優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)包傳輸完成后進行數(shù)據(jù)傳輸，優(yōu)先級低的數(shù)據(jù)包在傳輸?shù)倪^程中不會因為優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)包的到來而停止傳輸。

軌邊匯聚節(jié)點非強占優(yōu)先權(quán)M/M/1排隊系統(tǒng)假設(shè)如下[19]：

①軌邊匯聚節(jié)點接收來自多個數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)包，傳感器網(wǎng)絡(luò)采用CSMA/CA協(xié)議，不會發(fā)生兩個數(shù)據(jù)包同時到達(dá)軌邊匯聚節(jié)點的情況；

②數(shù)據(jù)包分為K+1個等級，第K級享有最高優(yōu)先權(quán)，第K-1級享有次優(yōu)先權(quán)，…，第0級享有最低優(yōu)先權(quán)：

④軌邊匯聚節(jié)點為每一級別的數(shù)據(jù)包服務(wù)的時間均服從參數(shù)為μ負(fù)指數(shù)分布，平均服務(wù)時間為1/μ，平均服務(wù)率為μ；

⑤Tk為第k級數(shù)據(jù)包所需的服務(wù)時間，1≤k≤K；

⑥T為系統(tǒng)的服務(wù)時間。

那么

(16)

由于第0級至第K級數(shù)據(jù)包均是相互獨立的Poisson流，因此，在任何時刻到達(dá)軌邊匯聚節(jié)點的數(shù)據(jù)包屬于第k級1≤k≤K的概率為λk/λ。系統(tǒng)的平均服務(wù)時間為

(17)

(18)

當(dāng)有優(yōu)先權(quán)級別高的數(shù)據(jù)包到達(dá)軌邊匯聚節(jié)點時，發(fā)現(xiàn)軌邊匯聚節(jié)點正在處理其他數(shù)據(jù)包，則該數(shù)據(jù)包不能強占軌邊匯聚節(jié)點進行服務(wù)，而只能排在比其優(yōu)先級別低的數(shù)據(jù)包前排隊等待[20-21]。

第K級數(shù)據(jù)包的平均排隊等待時間為

(19)

第f級數(shù)據(jù)包的平均排隊等待時間為

(20)

因此，第K級數(shù)據(jù)包的總傳輸時延為

(21)

τ為其他節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)時延。

第f級數(shù)據(jù)包的總傳輸時延為

(22)

4 路由協(xié)議

本文設(shè)計的線性無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議分為路由建立、數(shù)據(jù)包優(yōu)先級排序和數(shù)據(jù)傳輸3個步驟。

4.1 路由建立

在初始路由建立階段，由軌邊匯聚節(jié)點根據(jù)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)模型求解所有節(jié)點的單跳轉(zhuǎn)發(fā)方式的初始次數(shù)(pi)和雙跳轉(zhuǎn)發(fā)方式的初始次數(shù)(qi)，并通過廣播的方式分發(fā)給所有節(jié)點。每個節(jié)點維護的路由表信息僅包括該節(jié)點的兩種轉(zhuǎn)發(fā)方式的可用次數(shù)。

4.2 數(shù)據(jù)包優(yōu)先級排序

當(dāng)數(shù)據(jù)包傳輸至軌邊匯聚節(jié)點時，軌邊匯聚節(jié)點對數(shù)據(jù)包根據(jù)優(yōu)先級進行排序，根據(jù)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)模型計算數(shù)據(jù)包在傳輸?shù)倪^程中需要進行的雙跳方式的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)Mk，并記錄在數(shù)據(jù)包中。再根據(jù)數(shù)據(jù)包排隊模型在軌邊匯聚節(jié)點采用非強制優(yōu)先權(quán)排隊系統(tǒng)依次發(fā)送數(shù)據(jù)包。

4.3 數(shù)據(jù)包傳輸

在數(shù)據(jù)包傳輸?shù)倪^程中，第Li個節(jié)點接收到數(shù)據(jù)包后，若數(shù)據(jù)包需要進行的雙跳方式的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)Mk>0，且第Li個節(jié)點可以使用的雙跳方式的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)qi≥1，則使用雙跳方式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，同時數(shù)據(jù)包需要進行的雙跳方式的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)Mk-1，將該節(jié)點的可以使用的雙跳方式的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)qi值也減小1。若數(shù)據(jù)包需要進行的雙跳方式的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)Mk>0，但節(jié)點可以使用的雙跳方式的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)qi值為0，則使用單跳方式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，該數(shù)據(jù)包內(nèi)需要進行的雙跳方式的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)Mk不變。若數(shù)據(jù)包需要進行的雙跳方式的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)Mk=0，則使用單跳的方式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)包傳輸過程流程如圖3所示。這種由節(jié)點自主選擇數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)方式的過程稱之為“智能轉(zhuǎn)發(fā)”。

圖3 數(shù)據(jù)包傳輸過程流程

5 仿真與分析

5.1 仿真實驗環(huán)境

選用網(wǎng)絡(luò)仿真工具NS2[22]對本文設(shè)計的路由協(xié)議進行仿真實驗，并對實驗結(jié)果進行分析評估。

(23)

仿真實驗參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

5.2 仿真對比實驗分析

對具有5個中繼節(jié)點的線性無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行仿真100次，可以得到網(wǎng)絡(luò)中優(yōu)先級分別為0、1、2、3四種優(yōu)先級數(shù)據(jù)包分別發(fā)送的數(shù)量，如圖4所示。

圖4 不同優(yōu)先級數(shù)據(jù)包的發(fā)送數(shù)量

將文中提出的該路由協(xié)議稱為方式Ⅰ，與以下兩種數(shù)據(jù)傳輸方式進行對比。

方式Ⅱ：軌邊匯聚節(jié)點處的排隊方式不采用非強制優(yōu)先權(quán)排隊系統(tǒng)，而采用“先到先服務(wù)”排隊系統(tǒng)。

方式Ⅲ：不考慮數(shù)據(jù)包劃分優(yōu)先級，也不采用智能轉(zhuǎn)發(fā)的方式，所有的數(shù)據(jù)包均依次逐跳進行傳輸。

經(jīng)過100次仿真實驗可知，這3種數(shù)據(jù)傳輸方式下的線性無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包總數(shù)量，如圖5所示。其中，方式Ⅰ和方式Ⅱ的傳輸數(shù)據(jù)包總數(shù)量大致相同，則這兩種方式的網(wǎng)絡(luò)壽命大致相同，方式Ⅲ傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包總數(shù)量較少，則該方式下網(wǎng)絡(luò)壽命略小。

圖5 數(shù)據(jù)包傳輸數(shù)量對比

針對具有5個中繼節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)進行100次仿真，可以得到方式Ⅰ和方式Ⅱ兩種傳輸方式下，網(wǎng)絡(luò)中優(yōu)先級分別為0、1、2、3四種優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包的傳輸時延。通過仿真得到兩種傳輸方式的時延對比，如圖6所示。

圖6 傳輸包傳輸時延對比

由圖6可知，通過采用文中非強制優(yōu)先權(quán)排隊系統(tǒng)的方法，雖然優(yōu)先級較低的數(shù)據(jù)包的傳輸時延有所增加，但是優(yōu)先級最高的數(shù)據(jù)包的傳輸時延得到了有效的降低，提高了優(yōu)先級別較高的數(shù)據(jù)包傳輸?shù)募皶r性。

采用該方式是使數(shù)據(jù)包的排隊時延分?jǐn)傇诓煌瑑?yōu)先級別的數(shù)據(jù)包上，使得WK

6 結(jié)語

本文針對鐵路沿線無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點，設(shè)計了一種適應(yīng)于鐵路沿線線性拓?fù)錈o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議。協(xié)議提出了根據(jù)傳感器采集的信息的重要程度對數(shù)據(jù)包進行優(yōu)先級排序，對不同優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包采用不同的轉(zhuǎn)發(fā)方式，使得優(yōu)先級高的信息可以得到快速、高效的轉(zhuǎn)發(fā)。建立了數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)模型和數(shù)據(jù)包排隊模型，采用減少優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)和減少優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)包在軌邊匯聚節(jié)點的排隊時延兩種方式，減少優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)包的總傳輸時延。以網(wǎng)絡(luò)全生命周期內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包總數(shù)量為網(wǎng)絡(luò)壽命的衡量指標(biāo)，均衡使用節(jié)點能量，使網(wǎng)絡(luò)壽命最長。

仿真實驗表明：采用該路由協(xié)議可以均衡使用網(wǎng)絡(luò)能量，同時使得優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)包具有較小的傳輸時延。在以后的研究中，在此路由協(xié)議的基礎(chǔ)上，應(yīng)考慮節(jié)點的故障問題，可采用增加備用節(jié)點的方式。