無線地下傳感器網絡的研究

李鑒庭　劉小麗　蘆　濤　馮　媛

摘要：本文對無線地下傳感器網絡的關鍵技術進行了研究，包括體系結構、拓撲結構以及路由算法，重點分析了路由算法，拓撲結構及其與普通傳感器網絡的區別。最后，針對無線地下傳感器網絡的特點提出了未來的研究方向。

關鍵詞：無線地下傳感器網絡；路由算法；拓撲結構

中圖法分類號：TP393文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044(2008)01-10ppp-0c

Research on wireless underground sensors network

LI Jian-ting, LIU Xiao-li, LU Tao, FENG Yuan

(School of communication engineering, Xidian University, Xi'an Shanxi 710071, China)

Abstract: In this paper, wireless underground sensor networks (WUSN) are studied, including architecture, topology and routing algorithm. Focus on routing algorithm, topological structure and the distinction between terrestrial motes. In the end, some research assumptions aiming at the characteristics of WUSN are brought forward.

Key words: wireless underground sensor networks; routing algorithm; topology

無線通信技術、數字信號處理以及傳感器技術的高速發展和日益成熟，為以信息獲取、信息處理和傳輸為基礎的無線傳感器網絡（WSN）提供了有力的技術支持。WSN以其低功耗，低成本，小體積等特點受到了廣泛關注。而無線地下傳感器網絡（WUSN）更以其在環境監測領域、基礎設施監控、物體定位和安全領域[1] [2]等方面所表現出的巨大應用前景而得到了日益重視。

1 WUSN的關鍵技術

圖1 WUSN協議棧

WUSN的應用環境不同于地上的WSN，一般埋藏在地下的傳感器節點是靜止的。因此WUSN的協議棧（如圖1）與WSN相比，缺少了移動管理平臺。WUSN的應用環境決定了補充節點能量的代價是非常高的，所以WUSN協議棧必須使得傳感器節點按能量有效的方式協同工作。

物理層提供簡單但健壯的信號調制和無線收發技術[3]。電磁波（EM Waves）在土壤中傳播，比在地上環境傳播衰減更劇烈，因此WUSN中電磁波的傳播過程中將有嚴重的衰減。低頻率的電磁比高頻率的電磁波傳播更加有效，但是頻率低意味著天線要更長（d=10λ）。

數據鏈路層負責數據成幀、幀檢測、媒體訪問和差錯控制[3]?，F有的WSN的MAC協議對減少能量損失的研究主要有四個方面：監聽，沖突，包丟失以及串音。WSN主要是減少監聽時間，盡量讓節點進入睡眠狀態來達到節約能量的目的。在WUSN中，信號傳輸所消耗的能量代價將遠遠大于WSN，WUSN更加注重信號傳輸次數的減少。由于沖突將導致信號的重新傳輸，所以WUSN的MAC協議應該盡可能的減少沖突。

網絡層負責路由生成與選擇[3]。地上WSN路由通常平等的選擇所有的傳感器是否被用于從原節點到匯聚節點的路徑，然而在WUSN中，因為用于發射WUSN中兩傳感器通信所需能量的無線設備差別很大，而且地下的通信環境是復雜多變，路由選擇要考慮更多的參數作為依據。例如在地下與地上的WSN混合結構中，就應該盡可能的使用地上節點進行相對低代價的通信。

傳輸層負責數據流的傳輸控制，是保證通信服務質量的重要部分[3]。設計傳輸層要節約有限的節點資源并且提高網絡的效率。數據流的傳輸控制要在有限的緩存區內完成數據的傳送，擁塞控制要保證數據的流量不要超過傳感器網絡能容納的范圍。在WUSN中，由于通信速率較低及地下信道的高失真率意味著更需要傳輸層來保證通信質量。距離地上的匯聚節點越近的節點，通信量很大，最容易造成擁塞，設計的時候可以采用速率分層的思想，距離匯聚節點近的節點的通信速率較高。

2 WUSN的拓撲結構及控制

WUSN與地上無線傳感器網絡的最大區別在于通信媒質的不同。地下通信信道的建模不僅僅要考慮到電磁波在地下的傳播特性，還要考慮到其他眾多因素的影響，比如，多徑效應、土壤的組成成分、水分的含量以及節點被布設的深度等[4]。這就使得WUSN并不能簡單地將WSN移植到地下。

2.1 拓撲結構的設置

網絡拓撲結構是實現各種協議的基礎，一個好的網絡拓撲結構設計不僅要考慮到具體

的應用，還應使得網絡協議的實現更為簡單、可靠、有效。在無線地下傳感器網絡中，除匯聚點外，絕大多數傳感器節點都被布設在地下，它們不易更換且能源有限，而匯聚節點根據需要可以被安排在地上。這就使得無線地下傳感器網路的拓撲結構設計要充分考慮到網絡的可靠性和功率損耗。

一種拓撲設計方案（如圖2）是在地面上只布設匯聚節點，地下所有節點最終將數據傳輸至地上的匯聚節點。這樣做可以使得整個網絡的隱蔽性比較好。另一種拓撲設計方案（如圖3）在地面上除了布設有匯聚節點外，還布設一定數量的中繼節點。因為無線信號比起土壤介質更適合在空氣介質中傳播有更少的衰減。這種混合結構允許數據經過有限的幾跳后被傳輸到地上的中繼節點，再由中繼節點傳送到匯聚節點。另外，如果需要能源替換或補充的話，對地上節點進行操作將更為方便。這種混合拓撲結構的缺點在于它的隱蔽性并沒有前面介紹的嚴格的地下拓撲結構好。在以上兩種方案中，位于地下的傳感器節點可以被設置在相同的深度，也可以被設置在不同的深度，甚至可以將節點分層設置。傳感器節點被埋設的深度取決于具體的應用。

圖2地下拓撲

圖3混合拓撲

另外，位于同一平面中的節點可以布設成規則的形狀，也可以隨機布設。規則的拓撲適合小范圍應用，但這種拓撲為接下來的路由算法設計提供了方便。隨機布設的拓撲適合大范圍應用，但這種拓撲使得路由算法的實現變得很復雜。

2.2 網絡拓撲控制

拓撲控制目的是要組建一個優化的網絡拓撲結構，以實現節能、保證網絡的覆蓋和連通質量、提高網絡的可靠性等目的。由于WUSN所處的地下環境復雜，并且節點的能量是有限的，這就使得在WSN中存在的拓撲控制問題在WUSN中也要考慮。

目前，在WSN中，拓撲控制主要有功率控制和睡眠調度兩個主要研究方向[5]。功率控制是指為傳感器節點選擇合適的發射功率；睡眠調度，是指控制傳感器節點在工作狀態和睡眠狀態之間的轉換。另外，文獻[4]指出，地下信道對信號造成的路徑損耗以及通信的誤比特率與節點的工作頻率和土壤中水分的含量有很大的相關性。這使得WUSN不僅要考慮功率控制問題，而且要求WUSN中的節點能動態的改變工作頻率以適應土壤中水分含量的變化。

3 路由算法分析

在WUSN中，由于節點能量有限并且維護代價大，因此需要盡量節省能量，均衡網絡負載，以便保證網絡的連通性和延長網絡運行壽命，設計能量高效、實用的路由算法是目前WUSN研究的核心課題。目前針對地上WSN已提出了許多路由協議，按網絡結構可分為三類：基于平面的路由協議，基于分簇的層次路由協議和基于地理位置的路由協議。下面結合WUSN具體應用及其網絡層設計的獨特挑戰分析已有的WSN路由方案。

3.1 基于平面的路由協議

在以數據為中心的平面路由中，通常由匯聚節點（sink）向某個區域發送查詢消息并等待從選定區域的節點傳回來的數據。數據的傳輸通過多個中間節點的多跳路由協作轉發完成。Estrin等人提出的Directed Diffusion [6]是以數據為中心路由算法的一個里程碑。該算法采用查詢-響應操作模式，匯聚節點(sink)廣播查詢消息(Interest) ，查詢消息經擴散到達滿足查詢條件的節點(sources) ，該擴散過程兼顧建立探測性質的網絡gradients，一旦sources有可用數據便通過reinforced路徑發回給sink。中間節點見機融合interest，聚合、關聯或緩存數據。后來很多算法都是基于DD或者根據相似思想提出來的,如Rumor routing，energy-Aware Routing等。

平面路由因其不存在特殊節點魯棒性較好；采用融合機制減輕熱點節點負載，提高了能量有效性；考慮節點剩余能量，維護多條可傳輸路徑來均衡網絡負載，使得WSN生命周期有所延長。其缺點是缺乏可擴展性，限制了網絡的規模。平面路由中，節點所處區域近似看成平面，而在與具體運用領域密切相關WUSN中，不同的運用需求決定了節點分布的不同。在檢測地表壓力，觀測地面生物等應用中，須把節點分布在淺層地表；在農業領域對土壤各項指標（諸如濕度，溫度，鹽堿度）進行檢測時，節點的傳感范圍應覆蓋特定區域的整個立體空間，即不同深度的數值都應該被檢測到?；趥鞲芯W絡的一次建設性和生存周期的有限性，單一目的的檢測不滿足經濟要求，所以有必要重點分析檢測區域的立體性。

3.2 基于分簇的層次路由協議

在基于分簇的層次路由協議中，網絡通常被劃分為簇(cluster)，每個簇由一個簇首節點(cluster head)和多個簇成員節點(cluster member)組成（如圖4）。簇成員負責數據的采集、預處理和與簇首通信，簇首負責管理、協調簇成員節點之間的工作，并對接收到的數據進行融合，然后傳給基站(Base Station)。LEACH[7]協議是經典的層次式路由協議，此后很多算法如PEGASIS，APTEEN等都是基于LEACH改進的。LEACH協議通過提出兩層的分簇機制，引入周期性隨機變化的簇首對簇成員發來的數據進行有損壓縮，再轉發給BS，從而達到減少和均衡能量消耗，最大延長網絡壽命的目的。這種簇首選擇機制將網絡分層，有利于分布式算法的應用，可對系統變化做出快速反應，提高了節點間通信的有效性，具有較好的可擴展性。

圖4LEACH結構

與具體應用領域密切相關的WUSN，有著與陸上WSN不同地理環境，在引用分簇思想時應考慮如下幾點：

a)在網絡初始化階段，建立簇并產生簇首時，要考慮到地下的通信環境具有復雜多變性，如土壤密度和水含量等都將對傳播的信號產生嚴重的衰減。在簇首的選舉機制中，接近地表的節點應以更大的概率成為簇首。頻繁輪換簇首需要額外的維護能量開銷，因此簇頭選舉機制不能頻繁啟動。

b)在WUSN不同應用領域中，節點所處的環境差異顯著，即使在同一應用中，由于地理結構的復雜差異性，不同位置的節點所處環境也不盡相同。從文獻[4]的分析中可以看出，不同介質的電介質參數的差異，將導致信號衰減的不同，同時濕度因素對其影響顯著。在這種情況下，應考慮到節點的差異化分布以及這種差異化分布所引起的簇大小和簇首分布的差異化。

c)對于深埋地下的傳感器節點，信號傳輸距離、采用頻率、土壤成分及單位體積水含量等對其都有嚴重的傳輸衰減[4]，因此數據傳輸是單跳還是多跳，需要根據不同情況加以區分和分析。

3.3 基于地理位置的路由協議

在這類路由協議中，節點需要知道自己的地理位置信息。通過位置信息可以計算兩特定節點間的距離，估計它們之間的能量消耗，根據這些信息進行局部最優的路由選擇，從而使能量得到高效利用。地上WSN該類比較典型的算法有GEAR，TTDD等。地理路由協議對WUSN是否有用依賴于WUSN的部署情況。大多數情況下WUSN都是通過鑿孔或鉆孔部署每個傳感器的，詳細的位置信息可以在部署時記錄下來。這種情況下，地理路由協議將會很有用。WUSN也可能通過隨機散布傳感器然后用土掩埋的方式被部署，如修路或建房時，這種情況下，每個傳感器的位置信息都是未知的。

4 結論以及對WUSN未來研究工作的展望

WUSN是WSN研究領域的一個分支，文獻[4]研究了WUSN地下信道的特性，根據頻率找到最佳深度對應最小衰減和最小的BER，當埋深小于2m使用單徑傳輸模型，埋深大于2m使用多徑傳輸模型。提出了在300-400MHZ的頻帶上，節點距離小于5米，信道可以進行有效的通信。鑒于WUSN惡劣的地下環境和不同的應用，如何減小信號的失真率，如何減小信號在地下環境的衰減，設計有利的拓撲結構級能量高效的路由協議等都是我們未來WUSN研究工作的重點。

參考文獻：

[1] Ian F. Akyildiz,Erich P. Stuntebeck,Wireless underground sensor networks: Research challenges[J].Ad Hoc Networks,2006(4):669-686.

[2] Erich P. Stuntebeck,Dario Pompili,Tommaso Melodia.Wireless Underground Sensor Networks using Commodity Terrestrial Motes,IEEE,2006:112-114.

[3] 孫利民,李建中,陳渝等.無線傳感器網絡[M].北京:清華大學出版社,2005.

[4] Li Li,Mehmet C. Vurany,Ian F. Akyildizy,Characteristics of Underground Channel for Wireless Underground Sensor Networks[A].The Sixth Annual Mediterranean Ad Hoc Networking WorkShop[C]. Corfu,Greece,2007.6:12-15.

[5] Poduri S,Pattem S,Krishnamachari B,Sukhatme G. A unifying framework for tunable topology control in sensor networks. Technical Report, CRES-05-004,University of Southern California, 2005:1-15.

[6] C. Intanagonwiwat,R. Govindan,and D. Estrin, "Directed Diffusion: a Scalable and Robust Communication Paradigm for Sensor Networks," Proc. ACM Mobi- Com 2000, Boston, MA, 2000, pp. 56–67.

[7] Heinzelman W, Chandrakasan A, Balakrishnan H. Energy-Efficient communication protocol for wireless microsensor networks. In: Proc. of the 33rd Annual Hawaii Intl Conf. on System Sciences. Maui: IEEE Computer Society, 2000. 3005?3014.

作者簡介：李鑒庭（1986－），男，廣東省深圳市人，本科生，電子信息工程；劉小麗（1986－），女，四川安岳人，本科生，通信工程；盧濤，（1986－），男，本科生，河北石家莊人，通信工程；馮媛（1986－），女，陜西西安人，本科生，電子信息工程。