王辛迪，韓江洪，2，石 雷，2

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，合肥230009;2.安全關(guān)鍵工業(yè)測(cè)控技術(shù)教育部工程研究中心，安徽 合肥230009)

0 引 言

隨著天線技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)智能天線的研究［1］逐漸興起，多波束轉(zhuǎn)換天線就是其中一類。它采用定向發(fā)射模式，擁有更大的通信半徑［2］并減少系統(tǒng)干擾，提高頻譜利用率。

現(xiàn)有研究中，文獻(xiàn)［3］深度總結(jié)了MAC 層和路由層協(xié)議研究現(xiàn)狀，凸顯了定向發(fā)射模式下的優(yōu)勢(shì)。Kulkarni S 在文獻(xiàn)［4］中提出了將MAC 和路由跨層融合的AIMRP 協(xié)議，由Sink 節(jié)點(diǎn)對(duì)場(chǎng)景模型層次性劃分進(jìn)而進(jìn)行路由選擇。文獻(xiàn)［5］介紹在移動(dòng)自組網(wǎng)下的經(jīng)典路由算法和定向天線模型引起的路由問(wèn)題。文獻(xiàn)［6］通過(guò)區(qū)域劃分的方式，利用智能天線作出有效的路由規(guī)劃。

本文針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks，WSNs)移動(dòng)Sink 節(jié)點(diǎn)情況下，基于多波束轉(zhuǎn)換天線的跨層集成協(xié)議(integrated MAC and routing protocol based on switched－multi－beam antennas，IMRPSB)。協(xié)議充分利用天線的優(yōu)勢(shì)，完善了前期鏈路層控制的鄰居發(fā)現(xiàn)和幀結(jié)構(gòu)優(yōu)化，增加了拓?fù)淇刂疲?，8］過(guò)程，適應(yīng)移動(dòng)Sink 節(jié)點(diǎn)并制定相應(yīng)的路由機(jī)制，達(dá)到減輕協(xié)議負(fù)載、提升了網(wǎng)絡(luò)壽命的目的。

1 節(jié)點(diǎn)模型和場(chǎng)景模型

1.1 多波束轉(zhuǎn)換天線節(jié)點(diǎn)模型

多波束轉(zhuǎn)換天線一般由多個(gè)窄波束天線構(gòu)成，天線具有數(shù)目固定、方向可預(yù)指定的特點(diǎn)，每個(gè)窄波束天線由于張角較小，可以獲得較大的增益。多波束轉(zhuǎn)換天線根據(jù)算法選擇某一特定方向，在天線陣列中只打開(kāi)相應(yīng)方向的一個(gè)窄波束天線并且關(guān)閉其他天線陣列扇區(qū)。

根據(jù)文獻(xiàn)［8］，節(jié)點(diǎn)射頻能耗為Erf，電路能耗為Eproc，發(fā)送能耗Etx，接收能耗Erx，且do，dd分別為全向發(fā)射天線和定向發(fā)射天線在功率Pact下的通信距離。

定向發(fā)射天線發(fā)送n bit 的數(shù)據(jù)的能耗Ed

全向發(fā)射天線發(fā)送數(shù)據(jù)n bit 的能耗Eo為

可見(jiàn)全向天線發(fā)送能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于定向天線。

1.2 場(chǎng)景模型

本文場(chǎng)景模型為矩形區(qū)域，無(wú)線節(jié)點(diǎn)隨機(jī)均勻。移動(dòng)Sink 節(jié)點(diǎn)在場(chǎng)景中間區(qū)域環(huán)形移動(dòng)。無(wú)線節(jié)點(diǎn)位置固定，Sink 節(jié)點(diǎn)可移動(dòng)并認(rèn)為能量不受限。

2 跨層融合協(xié)議設(shè)計(jì)

2.1 跨層融合協(xié)議

WSNs 協(xié)議設(shè)計(jì)不能完全采用傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模型，對(duì)適用性和效率會(huì)造成一定影響。

WSNs 應(yīng)用需滿足特定需求并重點(diǎn)考慮能耗，當(dāng)需要有效減輕協(xié)議負(fù)載和減少協(xié)議棧時(shí)，協(xié)議的跨層融合將成為重要解決思路［8］。

2.2 信息采集階段

傳統(tǒng)鏈路層采用IEEE 802.11 協(xié)議模型。定向天線的“盲點(diǎn)”狀況會(huì)造成的連通性問(wèn)題。由于節(jié)點(diǎn)能耗受限的情況，所以，要對(duì)IEEE 802.11 進(jìn)行優(yōu)化，減輕協(xié)議負(fù)載。優(yōu)化主要包括:

1)節(jié)點(diǎn)間RTS/CTS 等包流傳遞，采用陣元全向發(fā)射。對(duì)控制包流格式添加DIC 控制字，檢測(cè)包交互的天線扇區(qū);添加身份標(biāo)示符ID，表示數(shù)據(jù)包源;添加節(jié)點(diǎn)類型控制字，區(qū)分不同類型節(jié)點(diǎn)。

2)幀中添加ID 號(hào)用于鄰居信息采集，控制字DIC 判斷鄰居節(jié)點(diǎn)方位，通過(guò)CTS 包回復(fù)完成鄰居的交互，以此收集節(jié)點(diǎn)鄰居節(jié)點(diǎn)情況并判定節(jié)點(diǎn)類型。

2.3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂齐A段

RTS/CTS 控制幀進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)信息采集工作。對(duì)本場(chǎng)景下的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)度進(jìn)行研究［9］。

節(jié)點(diǎn)度是所有距離節(jié)點(diǎn)一跳范圍內(nèi)的鄰居數(shù)目，是衡量網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)好壞的重要的標(biāo)準(zhǔn)。在保證連通度的情況下，對(duì)節(jié)點(diǎn)度進(jìn)行優(yōu)化，有利于提高整體網(wǎng)絡(luò)壽命并增加網(wǎng)絡(luò)容量。拓?fù)鋬?yōu)化階段如圖1 所示。

2.4 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)階段

IMRPSB 以統(tǒng)一身份符作為地址標(biāo)識(shí)。采用基于方向信息的路由機(jī)制，不再依賴地理位置信息。多波束轉(zhuǎn)換天線可應(yīng)對(duì)移動(dòng)Sink 節(jié)點(diǎn)情況，避免了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓瘜?dǎo)致的能量損失。

路由發(fā)送機(jī)制按節(jié)點(diǎn)類型做不同處理:

1)D 類型節(jié)點(diǎn):檢查鄰居表中是否含有Sink，是，則發(fā)送;否則，調(diào)整功率和對(duì)丟棄位置位。

2)L 類型節(jié)點(diǎn):檢查鄰居表中是否含有Sink，是，則發(fā)送;否則，檢查M 標(biāo)記節(jié)點(diǎn)，是，則發(fā)送;否則，丟棄數(shù)據(jù)包不進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

圖1 拓?fù)鋬?yōu)化流程圖Fig 1 Flow chart of topological optimization

3)T 類型節(jié)點(diǎn):檢查鄰居表中是否含有Sink，是，則發(fā)送;否則，檢查M 標(biāo)記節(jié)點(diǎn)，條件判斷自身天線方向和數(shù)據(jù)包丟棄位，滿足條件則丟棄數(shù)據(jù)包放棄轉(zhuǎn)發(fā)。

3 算法仿真與性能分析

這里，對(duì)節(jié)點(diǎn)度進(jìn)行仿真，均勻分布在800 m×800 m 的區(qū)域。多波束轉(zhuǎn)換天線方向Φ∈{π/4，3π/4，5π/4，7π/4}，張角θ=π/2，路徑損耗因子α=2，采用定向發(fā)射/全向接收模式。最大覆蓋距離160 m，節(jié)點(diǎn)數(shù)n∈{50，100，150，200}，調(diào)整關(guān)鍵鄰居數(shù)K∈［1，20］，對(duì)拓?fù)鋱D連通率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可以得到在n=100 時(shí)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)度K 值達(dá)到12，即連通率趨近于1。

圖2 所示分別為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的初始模型、鄰居數(shù)優(yōu)化模型、連通性控制模型。經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，D 類型節(jié)點(diǎn)平均節(jié)點(diǎn)度下降25%，連接鄰居數(shù)下降，通信干擾概率降低;L 類型、T類型節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)度明顯提升，保證了區(qū)域之間連通性。網(wǎng)絡(luò)的平均通信距離下降20%，節(jié)點(diǎn)降低了發(fā)射功率，延長(zhǎng)了壽命。

利用節(jié)點(diǎn)度K 值，采用OPNET 對(duì)IMRPSB 協(xié)議進(jìn)行仿真，節(jié)點(diǎn)進(jìn)程模型包含8 個(gè)模塊，分別是天線模塊ANT_N、接收模塊WLAN_RXN、發(fā)送模塊WLAN_TXN、鏈路層模塊WLAN_MAC、路由層模塊、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊Collect、數(shù)據(jù)源模塊Source 和計(jì)時(shí)器模塊TS。

協(xié)議設(shè)計(jì)體現(xiàn)為鏈路層的WLAN_MAC 進(jìn)程優(yōu)化和路由層的進(jìn)程設(shè)計(jì)。

IMRPSB 在802.11MAC 層進(jìn)行一定的鄰居信息采集和拓?fù)鋬?yōu)化工作，所以，對(duì)傳統(tǒng)協(xié)議進(jìn)行優(yōu)化。主要介紹自定義的添加模塊:添加FIND_NEIGH 狀態(tài)，開(kāi)啟定時(shí)器并產(chǎn)生優(yōu)化后的RTS/CTS 幀，采集鄰居信息;DIS_TYPE 狀態(tài)通過(guò)接收RTS 幀進(jìn)行信息匯總，生成鄰居表并判定自身節(jié)點(diǎn)類型;TC_PRCS 狀態(tài)用于根據(jù)類型調(diào)節(jié)發(fā)送方向和功率。

自設(shè)計(jì)路由進(jìn)程Routing 模塊:

1)INIT 狀態(tài):負(fù)責(zé)對(duì)路由模塊的初始化進(jìn)行參數(shù)設(shè)置;

圖2 拓?fù)鋬?yōu)化過(guò)程圖Fig 2 Topological optimization process

2)IDLE 狀態(tài):屬于進(jìn)程的等待狀態(tài)，根據(jù)收到的不同中斷進(jìn)入不同的狀態(tài);

3)RECIV_PACKET 狀態(tài):接收由下層MAC 傳送上來(lái)的包流;

4)SEND_PACKET 狀態(tài):由upper_arrivl 中斷或者direct_send 中斷產(chǎn)生，對(duì)收到數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理;

5)REC_ACK 狀態(tài):滿足ACK_ARRIVL 時(shí)進(jìn)入本狀態(tài)，表示成功收包;

6)TRANS_FAIL 狀態(tài):滿足NACK_ARRIVL 時(shí)進(jìn)入本狀態(tài)，重新發(fā)送數(shù)據(jù)包;

7)BROADCAST 狀態(tài):由REQUEST 中斷進(jìn)入本狀態(tài)，Sink 節(jié)點(diǎn)重新位置廣播。

這里對(duì)IMRPSB、全向天線模型的UDG－IMRPSB、采用傳統(tǒng)方向性路由DAPR［10］進(jìn)行平均節(jié)點(diǎn)能耗和分組交付率仿真比較。

隨機(jī)采用源節(jié)點(diǎn)對(duì)Sink 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)包傳輸。如圖3所示，小業(yè)務(wù)負(fù)載情況下，UDG－IMRPSB 利用其全向優(yōu)勢(shì)，分組交付率接近100%，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)負(fù)載變大，節(jié)點(diǎn)間信道競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致碰撞概率增大，協(xié)議的分組交付率均下滑，定向發(fā)射天線在相同負(fù)載條件下可有效地提升分組交付率。

對(duì)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的平均能耗進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如圖4 所示，UDG－IMRPSB 協(xié)議在同樣傳輸環(huán)境下發(fā)射能耗更高，DAPR協(xié)議在Sink 節(jié)點(diǎn)移動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的多次天線方向變更產(chǎn)生更多能耗，而IMRPSB，隨著時(shí)間推移能耗損失趨于平穩(wěn)。

圖3 協(xié)議分組交付率Fig 3 Protocol packet delivery ratio

圖4 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)平均壽命Fig 4 Average lifetime of network node

4 結(jié) 論

IMRPSB 跨層融合了鏈路與路由層，采用多波束轉(zhuǎn)換天線模型并適用可移動(dòng)Sink 節(jié)點(diǎn)的場(chǎng)景，充分考慮Sink 節(jié)點(diǎn)移動(dòng)導(dǎo)致的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)仿真得到，IMRPSB 在優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗，提高分組交付率方面均有提高。但是協(xié)議也存在一定的缺陷，在特殊情況的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)區(qū)域真空導(dǎo)致Sink 節(jié)點(diǎn)是否能接到傳遞還沒(méi)有相關(guān)控制和證明，有待進(jìn)一步的研究。

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