IEEE802.15.4传感网络一种降低RDC路由协议

Vol. 41

No. 11

西南师范大学学报（自然科学版）

Journal of Southwest China Normal University (Natural Science Edition)

2016年11月

Nov. 2016

DOI：10. 13718/j. cnki. xsxb. 2016. 11. 028

IEEE802. 15. 4传感网络一种降低RDC路由协议0

曹斌，

刘栓

黄淮学院信息工程学院，河南驻马店463000

摘要：在无线传感网络WSN(wireless sensor network)中，传感节点依据不同的路由协议向Snk发送数据，传感节 点一直处于工作状态，即无线工作周期RDCXRadio duty cycle)达到100%,加快了能量消耗，降低了网络寿命.为 此，本文提出 MUCBR(Mesh-under cluster-based routing)路由协议，降低 RDC. MUBCR 协议基于 IEEE 802. 15. 4

MUBCR协议采用Clustering技术，并结合Mesh-under路由协

议，将网络划分不同的簇Cluster,并为每个Cluster选择一个簇头CH(Cluster head). CH给Cluster内成员随机分 配工作时隙（time-reference).传感节点仅在自己的时隙内发送或接收数据，降低RDC.同时，通过随机分配时隙，降低了数据包传输的碰撞.通过Contiki operating system仿真，提出MUCBR的RDC低至0. 08%,能量消耗也仅 占同类算法RPL约40%、RIME约25%.与802. 15. 4标准相比，MUCBR的碰撞概率降低了 40%.

关键词：802.15.4;无线工作周期；链路层；簇；路由协议中图分类号：TPT393

文献标志码：

平台，并通过Contiki operating system进行实施.

A

文章编号：1000 - 5471(2016)11 -0170 -07

低速率的无线个人区域网络LR-WPANs，采用了 IEEE 802. 15. 4标准，并且LR-WPANs的节点具有 低速数据率、低功率及短距离无线射频传输性能[1].此外，IEEE 802. 15. 4标准定义了两类拓扑结构：Star 和P2P•此外，也定义了两类设备：精简设备RFD(Reduced-functiondevice)和完备设备FFD(Full-function

device),并且在媒体访问控制层上使用两类通信模式：beacon使能模式和beacon非使能模式•在beacon

使能模式中，个人区域网络PAN(Personal area networks)的协调者周期地广播beacon包，保证节点与协 调者间的通信同步，而beacon非使能模式没有beacon包，节点利用非时隙的CSMA/CA[2]向协调者传输 数据.

根据在哪个层上进行路由决策进行分类，路由协议可分为链路层和路由两类[3].然而，IEEE 802. 15.4 标准并没有定义如何在拓扑下向协调者传输数据，协调者可认为是信宿.从拓扑结构的角度来看，与其他 同类网络相比，基于簇结构的网络具有良好性能，包括良好的可扩展性、低通信负担[4].这些优质特性降 低了能量消耗，因此也被认为是传感网络路由中有效能量方案之一.

此夕卜，无线传感节点的无线工作周期RDC(Radio Duty Cycle)是影响无线传感网络WSN(Wireless

Sensor Network)寿命的重要因素.在网络内形成不同的簇[5^6]，每个簇内产生一些簇头CH(Cluster Head)，通过这些簇头合理地安排传感节点在不同的时隙发送或接收数据，这种簇技术是降低传感节点 RDC的有效方案之一.

本文结合簾和链路层路由，提出 MUCBR(Mesh_under Cluster-based Routing Protocol)协议• MUCBR 协议采用了基于IEEE 802. 15. 4的簇技术，降低了 RDC，缩短了通往信宿的最短路径路由，降低了数据传 输的碰撞率[7].

在MUCBR协议中，将网络划分为不同的Cluster时，考虑了节点密度.考虑节点密度信息的目的在

①收稿日期

：2014-11-10

基金项目：河南省科技发展计划项目（132102210463);河南省教育厅科学技术研究重点项目（13A520786). 作者简介：曹斌（1984 -)，男，河南驻马店人，硕士，讲师，主要从事软件工程及网络研究.

第n期曹斌，等：IEEE802. 15.4传感网络一种降低1«3(：.路由协议

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于降低C.Hs数，因为在节点操作空间POS(Personal Operating Space)内增加C.Hs数，会提高碰撞数，原 因在于CHs数增加，就需要分配更多的时隙（Time Slot),提高碰撞的概率.此外，在选举CH时，考虑离

Sink的距离及权重（Weight)指标[s].将具有最短距离和最大权重的节点选为Cluster内的CH，通过这种

方式减少了离Sink的跳数.每个Cluster的CH为Cluster内的每个节点随机安排一个时隙，每个节点利用 时隙开始传输或接收数据，进而降低Cluster内干扰.采用随机接人的目的，就是降低802. 15. 4所遭遇的 碰撞•最后，利用基于IEEE 802. 15. <4标准的Contiki操作系统OSCOperating system)对MUCBR协议进 行仿真.结果表明，本文提出的MUCBR协议降低了 RDC，提高了能量利用效率.相比于802.15.4,

MUCBR协议的碰撞率降低40 %.

1 MUCBR

1. 1 MUCBR 与 IEEE 802. 15. 4 概述

MUCBR协议的一个最基本的特性，就是在链路层(Mesh-under)内提供了路由服务，减少了能量消耗.

在beacon使能模式的同步过程，存在簇间干扰的可能此夕卜，在时隙的CSMA/CA竞争内，节点的 无线信号需要一直工作，这也将提高能量消耗.对于beacon非使能模式，为了能够监听所有信号，节点要 一直工作，即RDC达到100%.

IEEE 802.15.4标准并没有分析如何将网络划分为clUster[lu].而本文提出的MUCBR协议是基于 IEEE 802. 15. 4：标准，并采用clustering技术，实现了降低节点的RDC.和最小化碰撞.MUC.BR与beacon

的使能模式类似，C.Hs给每个节点分配一个随机时隙.time-reference表示一个固定时隙，节点在这个时隙 内开始发送或接收数据，并且没有其他节点在这个时隙内与之竞争通信资源.在固定时隙内，节点向它的

CHs传输.通过这种方式，降低了节点的RDC.

图1，2显示了 802. 15. 4标准和MUCBR方案所采用的通信模式• CH给3个节点A，B，C随机分配了 时隙，分别为打，71,71.因此，CH和clustering内的其他成员仅需要在间隔内打开无线电.根据

C.ontiki OS的仿真数据，

的值从0. 54 ms至4. 2 ms，其中0. 54 ms是针对12个字节、4. 2 ms是针对128

字节•而802. 15. 4标准默认为15. 36 ms.在802. 15. 4标准中，如果节点C试着开始传输，那它一定需要 与节点A，B进行竞争.若它不能使用时隙，那必须在T3内一直开通无线电.此外，由于竞争，在点

CP可能发生碰撞.一旦发生碰撞，就需要重传.

图 1 IEEE 802. 15. 4：标准

避免了重传的需要，因此保存了能量.1.2 MUCBR

图 2 MUC.BR 方案

MUC.BR在beacon间隔BKBeacon interval)内随机给节点分配工作时隙，减少了在CP点碰撞的概率，

本文提出的MUCBR基于IEEE 802. 15. 4结构，并引用了 4类消息：建立簇、广播权值、簇头选举及 簇头发送请求，其中广播权值用于节点广播权值、簇头选举用于选举簇头节点、簇头发送请求用于向簇头 发送请求.

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41卷

在MUCBR中，依据节点的工作情况，将节点所在状态分为5个阶段：秩值处理阶段、权值处理阶段、 簇头选举阶段、请求发送阶段及任务安排阶段，每个阶段由保护时间GT(Guard Time)隔开，如图3所示. 在每个阶段中产盘一个随机数，用于指示启动该阶段工作的报时器.与S个阶段相对应，5个报时器分别 为随机秩值、随机权值、随机选举簇头、随机发送请求、随机安排工作间隙.5个随机数相应的时闾分别为 秩值时期、权值时期、选举时期、发送请求时期、任务安排时期.这5个时间值与网络内节点密度相关，密 度越多，值越大，从而保证节点有更窻裕的活动时间，进而降低碰撞概率.

图4描述了 MUCBR将802. 15.4网络划分为簇的过程.首先用PAN、协调者、信.宿先广播建立簇消 息，该消息设有存储秩值区域，大小为1个字节，并且初始秩值设定.为U用宁指明是由信宿发送的.随后 每经一跳传输，秩值就加1.在PAD内的每个节点扮演1个FFD设备，并进入等待接收建立簇消息的 状态.

一鼠接收T梢息，节点将秩值加1，并在消息中更.新，同时也记录作为S:已的当前秩值

re«r).随后，节点就在秩值时期到来时向邻居节点，熏传建立簇消息.为了避免无穷计算路由问题P1],.含节

点收到消息，首先检测该消息秩值区域内的秩值，若秩值大于或等于S己当前记录的值，就不转发该消息. 秩值处理阶段主要保证建立簇消息能够被转发到网络内的所有节点.

B的权檀，并产生随机数，即随机权值，相處的时间为扠值时 期％處:在麗机权值到达时.，就向外广播_.自:已&前权值，fi为1_卿了8紙1.个节点的W_c«rreMf:等宁下行 节点的鐵量•假,定节点.ir其当_翁_徵为你?:(D.若节点f纖前接收了 w条建立:簇消..息，.其中.有？ 条涫息中的秩值太于..或等于及健々■附试（0，那么.节点f的当前权值等〒_ w'i，如式(;1_)所市—

秩值处理时期结束唇^每个节点计算自

W_ mrrent

Ci

) = 2h~l

, kh1 ? if Rank (/i) ^ Rank _current (〇

Q，other

(1)

如式〇:)■所示，■节S_.i接收至W令第A.条建立簇消息♦基:秩值大于'或沙《f(i)，将

设为1，否则为〇•因此，W_c«rre财(D就等于岛，之和•然后，节点将自己的权值挪嵌人广播权值消 息中，并等待随机权值Z时问到来，若时间到来就立即广播自E的广播权值消息，并等待权值处理阶段

接收了广播权值消息，节.点就从中■提取杈值并®，同:时，将音{3当曹与接收到来聲其他节点转发消息的中权值进行比较.若大于或等乎中权值，就将该节点纳人自I己转发节点集假定节 点》•的转发节点集为

Fi = !_/ I Rank_atrrent(i) ^ Ra?ik{j}}.

(2)

RcwKi)表示节点j所转发消息的值.F集中，节点的权值越大，离信宿节点的路径越短. 为此，本文读取F.集中所有转发节点的权值♦记为W_/o_ra«i«/，.并从中找到具翁讀:大权値_的节暴如果自1 S的权值.太宁或等手该节点的权值，那么当前节点就宣称自己为簇头.假定节点i从它的集找到节点g

其中

的权:種；最大..，如式《3)所示

第

11期

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W_forvuard (g) = max W_forzvard

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— 丨—

其中|巧|表示仄集的元素个数.W_/orward(0表示尺集中Z节点的权值.

(3)

i W^urreiitiiyiKff' W_farwardig) , i

[| 3

gB簇

iTime_.refer-

成为簇头后*就在簇头选举阶段时间点广播簇头选举消息.当收到簇头选举消息，节点就与簇头连接，并 在请求发送阶段时间点发送簾头请求消息.簇头将收到簇头请求消息的发送者纳人自3的簾，成为自内成服.最爵，德头.为簇内的每个成员.随机产金31.作

III隙，.记为Tipie_referen.ce_.child，_

encichild小于I；.其中，T#衾示该节点传输的规定时间，类似于BI值•随机产生是为了降低簇间干扰• 本文提出的MUCBR协议中，每个节点决定簇头过程如图5所示.

論又值》

、最大权值乂

图4簇化过赛流程图以转发:搏息类型为主线) _固3 选取簇_头的流程图

己

1.3无碰撞概率

MUBCR协议给簇内的每个成员随机产生工作时隙，并且使得每个节点仅在f

的工作时隙内处于激活状态•在MUBCR协议中，簇内无碰撞的概率为

为了降低碰撞概率，

其中，表示在

POS区域内的传感节点密度、7>为传输一帧所需要的时间.此外，簇头仅在给簇内成员

P collision-free = 0• — ( -D#〇i / (Tp/Tf))) ( 4 J

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分配的工作时腺内开通无线电，其余是处理休眠状态/节省了能量.

2系统仿真与性能分析

利用Contiki OS 2. 6实现MUCBR协议，并通过Cooja仿真器进行仿真100个节点随机分布于》0/ 方米的区域，I个信宿节点分布于区域的边缘，平均每个POS内的节点数为6,节点传输范围为50

m,具体的仿真參数如表1所示•为了東充分地分析MUCBR的性能，将RPL(R〇utMver)[12]，RIME

(Mesh-und&r)[ls]进行比较，之所以选择RPL和RIME是因为它们均基于ContUdMAC，并采用簇技术，被认为是低功率的RDC MAC协议.

此外，在仿真过程中考虑两类不同的节■点 设备：RFD节点和FFJD节点，并且分析传感 节点在WSN 2个阶段的寿命：初始阶段（簇

Cluster形成阶段）和感测阶段〈读取/转发数

参数仿蠢区域节点数传输范围节点类型

表i仿真参数

值400X40010050

据).仿真结果如图6—图9所示.

8 000

Sky mote

^ 6 000

幽 4 000

铟 2 000

〇丨

2 000

RPL

RIMEMUCBR

FFD模式

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1 000

RFD模式

RPLRIMEMUCBR

%:〇〇 議1〇〇〇

h 1 5

500

0

VI­

_±_S'

.X'

〇100 200 300 400 500 600 700 800 900 1 000

t/sa 6 能量消耗 _图7 初始阶段的RDC.

RPL,RIME,MUCBR)在RFD节点及FFD节点2种模式下的能量消耗性

能.从图6可知，在2种模型下提出的MUC.BR方案的能量捎耗最优.在FFD模式下MUCBR方案的能量 猶耗仅占RIME的43 %、占KPL的21S4在RFD模式下，MXJCBR方案的能量賴耗仅占的38%、 呑RPL的肋％\\

图7显示了初始阶段中RPL，RIME.,MUCBR在RFD节点及FFD节点2种模式下的RDC情况.从图 7可知，在前7秒MUCBR的RDC非常高，消耗了太多的能量，这主是因为在网络开始初期，貧要将网络 内节点分为不闻的簇，当结束后，即第8秒开始，MUCBR的RDC很低，约2%左右.其原因在于MUCBR 采用了 Clustering.技术，C.H.只黴要_其給传，感节点分配.的.工作时隙内进行工作，同时，传感节点也只需:在 自己的工作时隙进行接收或发送数据，其佘时间休眠.萬然，在初始阶段RPL.RIME的RDC低，因为在

图6比较了 3个不同方案（

网络初始阶段，多数传感节点还未接人工作状态.

图8显示了 RPL，RIME，MUCBR 3个方案在感测阶段的RDC情况•从图8可知，与JIFD节点模式相 比，FFD模式的RDG明显上费.此外，MUCBR方案的RDC;義小，在FFD瘼式中MUCBR方案的RDC 约1. f %，而RIME平均的RDC.约为5.. 的RDG达

到

、RPL平均的RDC约为7. S .◦/{，在:RFD模式中MUCBR方案

RIME和RPL的RDC的平均值分别为2.2%,2. 8%.将图？考應8进行比较可知，

本文提出的MUGBR在初始阶段RDC比较高，随后RDC ^真很低.图9显示了 MUCBR和IEEE

S02. IS, 4的无碰攆概率•从虜S可知，MUCBR的无碰:翼概率接近1，而器〇2.15. 4标准的无碰靠概率接

近.f 0.5.6.

第11期曹斌，等

：

IEEE802. 15. 4传感网络一种降低RDC路由协议

•〇 • MUCBR

175

•• 802.15.4

0

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_L__________•o....o

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%/ocm200 205 210 215 220 225 230 235 240 245

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« 〇? 〇

RFD模式

O -RPL ?.▲ ■ RIME■ □ -MUCBR A

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〇 •• ■* a〇A〇 .

4

6

8

«Qb ■ q ■ ■ _| _D■ i Q ■ ■ ■ Dh ■■■口

200 205 210 215 220 225 230 235 240 245

P〇S的节点个数

图9

无碰撞概率

I___________|_

10

12 14

图8 感测阶段的RDC

3结 论

本文针对无线传感网络的能量消耗问题提出的MUCBR协议，降低节点的RDC，从而实现了降低能量消耗的目的• MUCBR协议采用Mesh-under路由，并引用Clustering技术将WSN形成不同的簇Cluster，依据节点的权值为每个Cluster产生一个簇头CH. CH给簇内成员随机产生工作时隙timejeference.每个节点在自己的工作时隙内发送或接收数据，其余时间可以休眠.通过这种方式降低节点的工作频率，即降低RDC.此外，通过随机产生时隙降低节点数据传输碰撞的概率.仿真结果表明，本文提出的MUCBR在RDC模式下，RDC低至0.08%，在FFD模式下，为1.3%•与IEEE 802.15. 4相比，MUCBR的碰撞率降低约40%.参考文献：

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On a Routing Protocol to Reduce RDC

in IEEE802.15. 4 Sensor Networks

CAO Bin, LIU Shuan

College of Information Engineering, Huanghuai University, Zhumad 丨 an Henan 463000，ChinaAbstract： According to routing protocol, node in wireless sensor network (WSN) transmits data to sink.

Sensor node has been in a working state, and Radio Duty Cycle (RDC) is up to 100% , which speeds up the energy consumption and reduces the network life. Therefore, the Mesh-under cluster-based routing (MUCBR) protocol is proposed in this paper to reduce the RDC, which perform the routing function with­in the IEEE 802. 15. 4 platform. MUCBR is implemented via the Contiki operating system (OS). MUCBR divides the sensor network into multiple clusters by clustering technique and mesh-under routing, and elect the Cluster Head (CH) in cluster. The CH in each cluster will assign a random time reference for each node within its cluster. This time reference is used by each node to start transmitting or receiving to reduce RDC. Moreover, by randomly assigned time reference, reduce the collision. The proposed algorithm has been implemented within the Contiki operating system. The simulations show that MUCBR achieve a RDC of 0. 08% , and radio energy of MUCBR is only 43% of the required energy by RIME and 21% by RPL , while reducing the impact of collision by 40% as compared to the 802. 15. 4 standard.Key words： 802. 15. 4； Radio Duty Cycle； memetic algorithm； mesh-under； cluster； routing protocol

责任编辑夏娟