WSN中基于TinyDB路由模塊的分析與改進(jìn)

1、WSN中基于TinyDB路由模塊的分析與改進(jìn)    摘要：實(shí)現(xiàn)了一種全集成可變帶寬中頻寬帶低通濾波器，討論分析了跨導(dǎo)放大器-電容(OTAC)連續(xù)時(shí)間型濾波器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)和具體實(shí)現(xiàn)，使用外部可編程電路對(duì)所設(shè)計(jì)濾波器帶寬進(jìn)行控制，并利用ADS軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，該濾波器帶寬的可調(diào)范圍為126 MHz，阻帶抑制率大于35 dB，帶內(nèi)波紋小于05 dB，采用18 V電源，TSMC 018m CMOS工藝庫仿真，功耗小于21 mW，頻響曲線接近理想狀態(tài)。關(guān)鍵詞：Butte王翀(南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，江蘇  南京 

2、 210003)0  引言TinyDB是由美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的研究人員開發(fā)的一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫的原型系統(tǒng)。它將整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)視為一個(gè)虛擬的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，并支持類SQL查詢。傳感器網(wǎng)絡(luò)上的所有數(shù)據(jù)類型，包括各種類型的傳感器數(shù)據(jù)、靜態(tài)數(shù)據(jù)都關(guān)系表中的一個(gè)字段，目前系統(tǒng)的關(guān)系表只有一個(gè)Sensors表。而實(shí)現(xiàn)上，它是由兩部分組成的，一部分作為數(shù)據(jù)庫前端，接收普通的查詢和控制命令，以及基于事件的查詢，同時(shí)由TinyDB根據(jù)傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量自動(dòng)調(diào)整執(zhí)行周期的查詢；另一部分是運(yùn)行在節(jié)點(diǎn)上的嵌入式數(shù)據(jù)庫引擎，具體負(fù)責(zé)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)管理，以及同時(shí)執(zhí)行多個(gè)查詢等。1 TinyDB構(gòu)成及

3、軟件介紹TinyDB系統(tǒng)主要是由客戶端、TinvDB Server和傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)端三個(gè)部分組成?？蛻舳税惭b有基于Java的應(yīng)用程序接口(TinyDB客戶端API)，用戶通過該接口來使用TinyDB。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)安裝TinvDB的傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件(TinyDB QP)。TniyDB的客戶端軟件包括兩部分：一部分是類似于SOL語言的查詢語言TinySQL，是供終端用戶使用的。它屏蔽了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的細(xì)節(jié)，通過作為應(yīng)用接口的數(shù)據(jù)庫前端，用戶看到的是一個(gè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，故只需要使用類SOL進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢檢索即可。即：另一部分是基于Java的應(yīng)用程序界面，主要支持用戶使用TinyDB編寫應(yīng)用程

4、序構(gòu)成，主要功能包括查詢請(qǐng)求的接收、驗(yàn)證、優(yōu)化，查詢的管理和查詢結(jié)果的接收，發(fā)送控制命令，與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相連接，建立數(shù)據(jù)庫與用戶交互的界面等。圖1所示展示了TinyDB應(yīng)用程序的功能。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)端的軟件包括四個(gè)用nesC語言編寫的構(gòu)件：傳感器節(jié)點(diǎn)目錄及模式管理器、查詢處理器、存儲(chǔ)管理器和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾砥鳌鞲衅鞴?jié)點(diǎn)目錄負(fù)責(zé)記錄每個(gè)節(jié)點(diǎn)的屬性”。查詢處理器負(fù)責(zé)完成查詢處理工作，使用傳感器目錄存儲(chǔ)的信息可以獲得傳感器節(jié)點(diǎn)的屬性。存儲(chǔ)管理器由MemAllocallocComplete()和MemApactComplete()來觸發(fā)相應(yīng)的事件。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾砥骺蔀門inyDB處理所有傳感器節(jié)點(diǎn)到傳感

5、器節(jié)點(diǎn)以及傳感器節(jié)點(diǎn)到基站間的通信，即路由查詢和數(shù)據(jù)信息。2  網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠K的具體分析網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾砥魇褂煤?jiǎn)單的樹維護(hù)算法來建立一個(gè)以匯聚節(jié)點(diǎn)為根節(jié)點(diǎn)的樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)保存一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)表，并在這些鄰居節(jié)點(diǎn)中選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為它在路由樹中的父節(jié)點(diǎn)。其具體實(shí)現(xiàn)流程圖如圖2所示。2.1  發(fā)送階段分析在發(fā)送階段，首先是初始化，即設(shè)置一些參數(shù)為默認(rèn)值，可設(shè)置匯聚節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)ID號(hào)為0)父節(jié)點(diǎn)為自身，跳數(shù)為0。計(jì)算gUpdateInterval=TADA_TO_ROUTE_RATIO*DATA_FREQ，也就是一個(gè)路由更新報(bào)文的時(shí)間。然后是執(zhí)行TimerTask()，每隔gUp

6、dateInterval的時(shí)間執(zhí)行一次TimerTask ()任務(wù)。主要包括更新路由表，選擇父節(jié)點(diǎn)，發(fā)送數(shù)據(jù)包等。更新路由表就是通過計(jì)數(shù)器控制每隔十個(gè)gUpdateInterval觸發(fā)一次做鄰居表項(xiàng)的更新計(jì)算，可由updateTable()調(diào)用updateEst ()來實(shí)現(xiàn)。主要是更新路由表項(xiàng)中的跳數(shù)和通信代價(jià)。計(jì)算代價(jià)函數(shù)主要是鏈路估計(jì)，其基本思想是由節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)一定時(shí)間內(nèi)從某個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)接收到的分組占該鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)往該節(jié)點(diǎn)的分組數(shù)量的比重。鏈路估計(jì)包括發(fā)送代價(jià)估計(jì)和接收代價(jià)估計(jì)兩個(gè)部分，并用這兩個(gè)值來表示鏈路的雙向通信代價(jià)。此外，還應(yīng)綜合原先的鏈路估計(jì)以決定新的鏈路估計(jì)值。這里以節(jié)點(diǎn)A為例，經(jīng)過一

7、段時(shí)間的統(tǒng)計(jì)后，它可以得到來自鄰居節(jié)點(diǎn)B的接收分組數(shù)目，而節(jié)點(diǎn)B會(huì)在自己的路由狀態(tài)廣播中告知向節(jié)點(diǎn)A發(fā)送分組的數(shù)目。這二者的商就是節(jié)點(diǎn)A接收節(jié)點(diǎn)B發(fā)送的分組成功率，可用RcvEstA/B表示，用公式表示如下：RcvEstA/B=RcvCountASendCountB。同樣，節(jié)點(diǎn)B也可以計(jì)算出接收節(jié)點(diǎn)A的發(fā)送分組成功率，并在節(jié)點(diǎn)B的周期性路由狀態(tài)廣播中報(bào)告自己到所有鄰居節(jié)點(diǎn)的接收成功率，其鄰居節(jié)點(diǎn)A則將節(jié)點(diǎn)B的接收成功率作為自己的發(fā)送成功率，用公式表示為：SendEstA/B=RcvEstB/A節(jié)點(diǎn)到鄰居節(jié)點(diǎn)的雙向鏈路估計(jì)是節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收成功率的乘積：Est=SendEst·RctEs

8、t。由于節(jié)點(diǎn)在短時(shí)間內(nèi)收到的分組數(shù)量隨時(shí)間不同，其抖動(dòng)比較大，因此，為了減少鏈路評(píng)估的抖動(dòng)，可采用指數(shù)加權(quán)位移平均(Exponential Weighted Moving Average，EWMA)來計(jì)算最終的鏈路估計(jì)值。EstFinal=EstOld*+EstNew*(1-)。在現(xiàn)實(shí)中，常取0.75。選擇父節(jié)點(diǎn)可由chooseParent()函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)周期性廣播路由狀態(tài)信息時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)相應(yīng)的更新鄰居節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)，并根據(jù)計(jì)算出來的代價(jià)函數(shù)來選擇父節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)可按照路數(shù)小的優(yōu)先當(dāng)父節(jié)點(diǎn)，在跳數(shù)相同的條件下，可選擇鏈路質(zhì)量比較好的作為父節(jié)點(diǎn)。其實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。最后是數(shù)據(jù)包發(fā)送

9、，可由SendRouteTask()函數(shù)把節(jié)點(diǎn)更新的消息(比如到根節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)，以及鏈路代價(jià)等信息)封裝到一個(gè)路由分組并廣播所有鄰居節(jié)點(diǎn)。2.2  接收階段分析當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，首先會(huì)檢查自己的路由表中是否已經(jīng)存在這個(gè)表項(xiàng)。如果存在，則退出。如果不存在，則需要在路由表中加入這個(gè)新的表項(xiàng)。這通?？捎蓇pdateNbrCounters()函數(shù)實(shí)現(xiàn)。路由表的大小一般由ROUTE_TABLE_SIZE決定，其值等于16。當(dāng)路由表表項(xiàng)未滿時(shí)，則可直接加入該表項(xiàng)。當(dāng)路由表已滿時(shí)，則應(yīng)替換路由表中的某一個(gè)表項(xiàng)。替換發(fā)送估計(jì)值最小的節(jié)點(diǎn)，因?yàn)榘l(fā)送估計(jì)值越小，表明到該節(jié)點(diǎn)的通信質(zhì)量越差。先由fin

10、dEntryToBeReplaced()函數(shù)找到被替代那一表項(xiàng)的id號(hào)，并把這一項(xiàng)用newEntry()函數(shù)來清空，然后再把新的表項(xiàng)加入到路由表中。3  網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠K的改進(jìn)采用上面的協(xié)議具有明顯的缺點(diǎn)。首先，由于采用跳數(shù)小是作為選擇父節(jié)點(diǎn)的首要條件，既使到根節(jié)點(diǎn)的鏈路質(zhì)量不好，但由于跳數(shù)小，節(jié)點(diǎn)仍然會(huì)選擇該節(jié)點(diǎn)作為父節(jié)點(diǎn)；另外，節(jié)點(diǎn)對(duì)鏈路質(zhì)量的評(píng)估和最近一段時(shí)間的信道質(zhì)量以及通信量都有關(guān)系，所以，信道質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)現(xiàn)象。這樣，子節(jié)點(diǎn)經(jīng)常會(huì)在幾個(gè)鏈路質(zhì)量比較接近的父節(jié)點(diǎn)之間搖擺，從而造成拓?fù)涞牟环€(wěn)定。本文即對(duì)此進(jìn)行了改進(jìn)。首先是在chooseParent()中進(jìn)行改進(jìn)，即在選擇父節(jié)點(diǎn)時(shí)，按照到根節(jié)點(diǎn)的總的成本來計(jì)算，即以到根節(jié)點(diǎn)的總代價(jià)最小為原則。并在算出代價(jià)后和原來的父節(jié)點(diǎn)代價(jià)作比較。如果低于某個(gè)數(shù)值時(shí)，才換父節(jié)點(diǎn)，這就避免了在幾個(gè)相近的父節(jié)點(diǎn)間來回?fù)u擺。其實(shí)現(xiàn)程序如圖4所示。4  實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析把TinyDB的程序可在TinyOS的仿真工具Tossim中運(yùn)行，然后分別將改進(jìn)的路由協(xié)議與原來的路由協(xié)議在TOSSIM中進(jìn)行仿真，圖5所示是其仿真結(jié)果。該仿真設(shè)定的模擬條件和假設(shè)前提為：時(shí)間間隔設(shè)定為5秒，即每隔5秒觸發(fā)一次查詢；設(shè)定模擬時(shí)間為300秒，分別記