亓 剛，鄭 霖

桂林電子科技大學(xué) 廣西無線寬帶通信與信號(hào)處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541000

1 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）在監(jiān)控區(qū)域近似于線條型的智能交通、礦井環(huán)境監(jiān)測、油氣管道監(jiān)測、鐵路車軌監(jiān)測、橋梁監(jiān)測等，有著廣闊的應(yīng)用前景?；赪SN的輸電線路在線監(jiān)測技術(shù)是一門多學(xué)科高度交叉、知識(shí)高度集成的新興技術(shù)[1]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本應(yīng)用類型包括事件驅(qū)動(dòng)、時(shí)間驅(qū)動(dòng)和查詢驅(qū)動(dòng)等多種復(fù)雜應(yīng)用，不同的應(yīng)用往往有不同的QoS需求。在基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)中，通過傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)輸電線路上的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行周期性采集，監(jiān)測數(shù)據(jù)要求能夠被可靠地傳送到監(jiān)控中心，因此輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)傳輸數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和可靠性要求較高。如何合理有效地利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)資源，以獲取更好的數(shù)據(jù)傳輸性能，為輸電線路在線監(jiān)測的服務(wù)質(zhì)量提供保障，是長鏈型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)QoS路由優(yōu)化所要解決的問題[2]。

針對(duì)鏈狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)傳感網(wǎng)絡(luò)的研究不多，主要集中在節(jié)能機(jī)制方面和對(duì)匯聚節(jié)點(diǎn)區(qū)域擁塞問題的研究，研究和發(fā)展?fàn)顩r如下。例如文獻(xiàn)[3]針對(duì)長鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，提出了一種低延遲和低能耗的LC-MAC協(xié)議。文獻(xiàn)[4]提出了基于數(shù)據(jù)傳送“波”的改進(jìn)MAC協(xié)議機(jī)制，使MAC協(xié)議輕量化，節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)資源。文獻(xiàn)[5]通過對(duì)鏈狀網(wǎng)傳感節(jié)點(diǎn)休眠機(jī)制的調(diào)節(jié)，擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)的生存空間。文獻(xiàn)[6]通過設(shè)計(jì)并采用基于鏈?zhǔn)降姆执芈酚桑↙P）協(xié)議，有效地延長了鏈狀網(wǎng)絡(luò)的生命周期并且節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)的能耗。文獻(xiàn)[7]從輸電線路監(jiān)測的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)出發(fā)，運(yùn)用MIMO技術(shù)緩解匯聚節(jié)點(diǎn)附近的漏斗效應(yīng)。文獻(xiàn)[8]根據(jù)鏈狀無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議應(yīng)具備的特性，設(shè)計(jì)了基于信標(biāo)幀的按需式路由算法和基于延遲波的主動(dòng)路由算法。文獻(xiàn)[9]針對(duì)長鏈狀WSN網(wǎng)絡(luò)中Sink周圍區(qū)域出現(xiàn)的“熱區(qū)”現(xiàn)象，提出一種多Sink分布式功率控制算法，有效地降低了網(wǎng)絡(luò)整體能耗、延長了網(wǎng)絡(luò)生存期。網(wǎng)絡(luò)編碼（Network Coding）技術(shù)由R.Ahlswede等人在2000年首次提出的，在提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量、改善負(fù)載均衡、減小傳輸延遲、節(jié)省節(jié)點(diǎn)能耗、增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)魯棒性等方面均顯示出其優(yōu)越性[10-11]。Haas等人提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)編碼的無線節(jié)點(diǎn)協(xié)作通信傳輸方法，提高了傳輸可靠性[12]。Ghaderi等人在訪問接入點(diǎn)模型及多播樹模型下，比較了自動(dòng)重傳機(jī)制、前向糾錯(cuò)機(jī)制、網(wǎng)絡(luò)編碼的可靠性[13]。文獻(xiàn)[14]針對(duì)普通拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)提出了基于網(wǎng)絡(luò)編碼的1+N保護(hù)機(jī)制，這種基于編碼的網(wǎng)絡(luò)保護(hù)機(jī)制相比于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)能夠充分地利用網(wǎng)絡(luò)資源，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

本文以輸電線路監(jiān)測為應(yīng)用背景，針對(duì)系統(tǒng)對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性和可靠性要求較高的特點(diǎn)，提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)編碼的WSN傳輸協(xié)議。性能分析與仿真實(shí)驗(yàn)表明，該傳輸協(xié)議明顯提高了數(shù)據(jù)傳輸可靠性和系統(tǒng)吞吐量，縮短了網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延，提升了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能。

2 基于WSN的輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)由大量部署在架空輸電線路桿塔上的具有感知、計(jì)算和通信能力的智能傳感器節(jié)點(diǎn)組成，負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)采集輸電線路上的關(guān)鍵參數(shù)，基于ZigBee無線通信協(xié)議組建網(wǎng)絡(luò)，所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)最終路由到Sink節(jié)點(diǎn)，由Sink節(jié)點(diǎn)將全部數(shù)據(jù)傳送到變電站數(shù)據(jù)終端，見圖1。每路傳輸線有三相，在每個(gè)桿塔的三相上分別布置傳感器節(jié)點(diǎn)，這樣一條輸電線路由傳感器網(wǎng)絡(luò)的3條子鏈組成，以匯聚節(jié)點(diǎn)Sink為根，形成長鏈樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通過以上分析，可以將輸電線路監(jiān)測WSN的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)抽象為3條均勻分布的長鏈狀結(jié)構(gòu)。

圖1 輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

基于WSN的輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)具有長鏈樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這類系統(tǒng)具有以下共同點(diǎn)：（1）需要管理長鏈樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的WSN，并將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)以多跳的方式實(shí)時(shí)傳輸?shù)絊ink節(jié)點(diǎn)；（2）傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚點(diǎn)在部署后均不再發(fā)生位置移動(dòng)；（3）傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)呈輻射型鏈?zhǔn)讲痪鶆蚍植迹總€(gè)節(jié)點(diǎn)有唯一ID號(hào)，在網(wǎng)絡(luò)初始化時(shí)進(jìn)行統(tǒng)一的分配；（4）傳感器節(jié)點(diǎn)由套裝在線路上的電流互感器持續(xù)供電，提高發(fā)射功率后的通信距離達(dá)1 000 m[15]。

3 網(wǎng)絡(luò)編碼原理與模型

網(wǎng)絡(luò)編碼允許網(wǎng)絡(luò)的中間節(jié)點(diǎn)參與編碼譯碼，但這種不復(fù)雜的思想?yún)s帶來了諸多優(yōu)勢在本文提出的協(xié)議過程中，充分利用了網(wǎng)絡(luò)編碼提高網(wǎng)絡(luò)可靠性這一優(yōu)勢。

首先以圖2蝶形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為例說明網(wǎng)絡(luò)編碼可以提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性。圖中源節(jié)點(diǎn)S產(chǎn)生a、b兩個(gè)數(shù)據(jù)包，發(fā)往信宿節(jié)點(diǎn)R1和R2，假設(shè)節(jié)點(diǎn)B到R2傳送數(shù)據(jù)包失敗。圖2（a）未采用網(wǎng)絡(luò)編碼，備份節(jié)點(diǎn)X只存儲(chǔ)了數(shù)據(jù)包a，發(fā)往信宿節(jié)點(diǎn)，這樣R1、R2只收到了數(shù)據(jù)包a。若采用網(wǎng)絡(luò)編碼，如圖2（b），在備份節(jié)點(diǎn)X處將兩個(gè)數(shù)據(jù)包進(jìn)行異或編碼運(yùn)算，將編碼包發(fā)往信宿節(jié)點(diǎn)R1后，進(jìn)行異或運(yùn)算a⊕(a⊕b)后即可解碼出數(shù)據(jù)包b，這樣在R1處a、b兩個(gè)數(shù)據(jù)包全部接收到。

圖2 蝶形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

同樣在直鏈狀網(wǎng)絡(luò)中也可以說明網(wǎng)絡(luò)編碼這一優(yōu)勢。如圖3，節(jié)點(diǎn)1需要發(fā)送數(shù)據(jù)A和B到節(jié)點(diǎn)3。節(jié)點(diǎn)1到節(jié)點(diǎn)3之間由于距離導(dǎo)致鏈路不穩(wěn)定，成功傳輸概率只有0.5，而節(jié)點(diǎn)1到節(jié)點(diǎn)2，節(jié)點(diǎn)2到節(jié)點(diǎn)3之間的通信鏈路質(zhì)量很好，成功傳輸概率都為1。當(dāng)節(jié)點(diǎn)直接廣播數(shù)據(jù)包A和B之后，節(jié)點(diǎn)3只成功接收到某一個(gè)數(shù)據(jù)包，而此時(shí)，節(jié)點(diǎn)2已經(jīng)成功接收數(shù)據(jù)包A和B。節(jié)點(diǎn)2無需獲知節(jié)點(diǎn)3上接收數(shù)據(jù)包狀態(tài)，直接將所收到的數(shù)據(jù)包A和B異或發(fā)送。當(dāng)節(jié)點(diǎn)3成功接收到編碼包后，便可以異或解碼獲得兩個(gè)數(shù)據(jù)包。

圖3 鏈狀網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)編碼示意圖

通過以上兩種結(jié)構(gòu)的分析得到，在數(shù)據(jù)傳輸過程中，信宿節(jié)點(diǎn)只收到了部分?jǐn)?shù)據(jù)包，備份節(jié)點(diǎn)或中間節(jié)點(diǎn)無需獲知信宿節(jié)點(diǎn)的接收數(shù)據(jù)包狀態(tài)，只需要將編碼包發(fā)送到信宿節(jié)點(diǎn)，這樣節(jié)省了節(jié)點(diǎn)狀態(tài)通知時(shí)間。本文提出的傳輸機(jī)制主要針對(duì)時(shí)間驅(qū)動(dòng)型數(shù)據(jù)收集過程，監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)定期采集區(qū)域中的數(shù)據(jù)，在傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)的過程中，假設(shè)每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都有數(shù)據(jù)包產(chǎn)生，匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)起一次數(shù)據(jù)收集過程稱為一輪。

4 基于網(wǎng)絡(luò)編碼的輸電線路WSN傳輸協(xié)議

4.1 基本思路

如圖4所示，在鏈狀輸電線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建基于網(wǎng)絡(luò)編碼的經(jīng)典蝶形結(jié)構(gòu)。

圖4 長鏈樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)抽象模型

Pi為原始數(shù)據(jù)包，每生成一個(gè)編碼包都要從有限域GF(28)中獨(dú)立隨機(jī)選取編碼系數(shù)g(i)分配給原始數(shù)據(jù)包Pi，n表示數(shù)據(jù)源包的個(gè)數(shù)。

（3）發(fā)送編碼包：由實(shí)際的成功接收概率分析得到，3個(gè)數(shù)據(jù)包直接成功傳輸?shù)降?列的概率很低，在這里采取基于網(wǎng)絡(luò)編碼的主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)保護(hù)機(jī)制，選擇編碼包作為冗余包進(jìn)行傳輸，在不確定第3列節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包具體接收狀態(tài)的情況下，第2列節(jié)點(diǎn)將編碼包發(fā)送出去。

（4）回復(fù)ACK：第3列節(jié)點(diǎn)收到編碼包，3個(gè)節(jié)點(diǎn)相互通知數(shù)據(jù)包后，進(jìn)行解碼，如果成功解碼出第1列的3個(gè)源包，則回復(fù)ACK幀，如果未成功解碼出源包，第2列節(jié)點(diǎn)繼續(xù)發(fā)送線性無關(guān)的編碼包，直到第3列節(jié)點(diǎn)成功解碼出3個(gè)源包。這樣第1列節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送成功，然后進(jìn)行第2列節(jié)點(diǎn)的源包發(fā)送。協(xié)議過程的序列圖如圖5、圖6。

（2）節(jié)點(diǎn)相互通知：第1列節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包后，第2列節(jié)點(diǎn)和第3列的節(jié)點(diǎn)都有相應(yīng)的數(shù)據(jù)包接收狀態(tài)。根據(jù)實(shí)際的鏈路傳輸概率，假設(shè)第1列節(jié)點(diǎn)每發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，第2列總有一個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠成功接收到，3個(gè)數(shù)據(jù)包依次發(fā)送完畢后，第2列的節(jié)點(diǎn)A2、B2、C2相互通知，便可以成功整合出第1列的源包a1、b1、c1，然后第2列任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)將3個(gè)數(shù)據(jù)源包進(jìn)行隨機(jī)線性編碼[16]，生成編碼包，具體編碼過程如下：

圖5 協(xié)議過程MSC圖（消息序列圖）（1）

節(jié)點(diǎn)A1、C1分別產(chǎn)生數(shù)據(jù)包a1、c1進(jìn)行傳輸，第3列節(jié)點(diǎn)只需要任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)收到a1、c1，則傳輸成功，構(gòu)建兩個(gè)虛擬節(jié)點(diǎn)S1、S2，用來表示成功接收到數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)A1發(fā)送數(shù)據(jù)包a1，節(jié)點(diǎn)C1發(fā)送數(shù)據(jù)包c(diǎn)1，因?yàn)樵诘?列節(jié)點(diǎn)成功接受數(shù)據(jù)包概率較大，A1、C1發(fā)送完畢后，下一時(shí)隙S1將接收到的a1、c1進(jìn)行編碼，發(fā)送a1⊕c1到S2。這是協(xié)議的基本思路，下面介紹協(xié)議傳輸?shù)木唧w過程。

4.2 協(xié)議過程

在圖4的模型中，假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)包，以第1列的數(shù)據(jù)包a1、b1、c1的傳輸為例，來說明整個(gè)協(xié)議具體過程。

（1）發(fā)送源包：第1列3個(gè)節(jié)點(diǎn) A1、B1、C1依次將數(shù)據(jù)包a1、b1、c1發(fā)送出去，由實(shí)際的成功接收概率分析得到，第2列和第3列的節(jié)點(diǎn)均有可能接收到數(shù)據(jù)包，其他列節(jié)點(diǎn)成功接受概率太低，假設(shè)均接收不到第1列節(jié)點(diǎn)發(fā)出的數(shù)據(jù)。

圖5表示第2列節(jié)點(diǎn)將編碼包作為冗余包發(fā)送后，第3列節(jié)點(diǎn)成功解碼出a1、b1、c1數(shù)據(jù)包，圖6表示第2列節(jié)點(diǎn)將編碼包作為冗余包發(fā)送后，第3列節(jié)點(diǎn)未成功解碼出3個(gè)數(shù)據(jù)包，第2列節(jié)點(diǎn)繼續(xù)發(fā)送編碼包，直到第3列節(jié)點(diǎn)成功解碼。

4.3 性能分析

圖6 協(xié)議過程MSC圖（消息序列圖）（2）

針對(duì)輸電線路監(jiān)測WSN的特殊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)[17]中提出的算法初始化后，節(jié)點(diǎn)選擇最短路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，同相線路的節(jié)點(diǎn)被選作下一跳節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的路徑呈平行線形分布，在這種Chain型直鏈傳輸協(xié)議中MAC層采用CSMA/CA協(xié)議，DATA/ACK握手機(jī)制。下面將本文提出的基于網(wǎng)絡(luò)編碼傳輸協(xié)議與這種Chain型直鏈傳輸協(xié)議進(jìn)行性能分析對(duì)比。

假設(shè)單鏈節(jié)點(diǎn)數(shù)目為N，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有自己的數(shù)據(jù)源包，同相線路中第n列節(jié)點(diǎn)到第n+1列節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包傳輸成功概率為P1，第n列到第n+2列概率為P2。由于同列節(jié)點(diǎn)相距只有1～2 m，在傳輸過程中數(shù)據(jù)包成功傳輸?shù)酵胁煌?jié)點(diǎn)的概率相差很小，為便于分析，假設(shè)數(shù)據(jù)包傳輸?shù)酵胁煌?jié)點(diǎn)的概率相同。在Chain協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)選擇最短路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，每次傳輸時(shí)單個(gè)數(shù)據(jù)包期望傳輸次數(shù)為，為簡化模型，假設(shè)ACK幀一定能夠收到，不考慮ACK幀正確接收概率，且傳輸ACK產(chǎn)生的時(shí)延忽略不計(jì)。因此所有數(shù)據(jù)源包成功傳輸?shù)絊ink節(jié)點(diǎn)后，節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包的次數(shù)為：

為簡化模型，傳輸時(shí)延可表示為：

式中t表示發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)間。

在本文提出的協(xié)議中，第1列單個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包后，第2列節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)作通知，成功接包概率為：

同理第3列成功接包概率為：

為保證第2列節(jié)點(diǎn)成功整合出3個(gè)數(shù)據(jù)源包，第1列節(jié)點(diǎn)期望發(fā)包次數(shù)為：

接著第2列節(jié)點(diǎn)將編碼包X1作為冗余包發(fā)送一次，為保證第3列成功接收到第1列3個(gè)數(shù)據(jù)包，第2列節(jié)點(diǎn)還需要發(fā)包Mb次：

式中表示組合數(shù)公式符號(hào)。因此第1列數(shù)據(jù)包成功傳到第3列這一過程的節(jié)點(diǎn)發(fā)包總次數(shù)為：

當(dāng)單鏈節(jié)點(diǎn)數(shù)目為N，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有自己的數(shù)據(jù)源包，并將其傳輸?shù)絊ink節(jié)點(diǎn)時(shí)，節(jié)點(diǎn)發(fā)包總次數(shù)M2分析如下：

假設(shè)N為偶數(shù)，前N-2列節(jié)點(diǎn)發(fā)送次數(shù)總數(shù)為：

第N-1列節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包發(fā)送，在Sink節(jié)點(diǎn)處沒有協(xié)作通知，次數(shù)總數(shù)為：

第N列節(jié)點(diǎn)發(fā)送次數(shù)總數(shù)為：

式（10）、（11）中k1=3n/2。因此在本文提出的協(xié)議中，N為偶數(shù)時(shí)，節(jié)點(diǎn)發(fā)送總次數(shù)為：

傳輸時(shí)延為：

協(xié)議過程采取線性編碼，編解碼過程簡單，所用時(shí)間忽略不計(jì)。

為便于比較，這里將本文提出的協(xié)議在最不理想的情況下表現(xiàn)出的網(wǎng)絡(luò)性能與Chain協(xié)議進(jìn)行對(duì)比。最不理想的情況為第N列節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包按照期望次數(shù)發(fā)送后，第N+2列節(jié)點(diǎn)全部未收到，由上述分析得到，最不理想的情況下本文提出的協(xié)議節(jié)點(diǎn)發(fā)包次數(shù)整理為：

將M1和M2'做差，整理得到：

因?yàn)镻3>P1，得到M1-M2'>0，即本文提出的協(xié)議在最不理想情況下的傳輸次數(shù)仍低于Chain協(xié)議中傳輸次數(shù)。同理在傳輸時(shí)延方面本文提出的協(xié)議在最不理想情況下也低于Chain協(xié)議中傳輸時(shí)延。網(wǎng)絡(luò)吞吐量可表示為：

B為Sink節(jié)點(diǎn)收到的比特?cái)?shù)，T為傳輸時(shí)延，因此本文提出的協(xié)議傳輸效率優(yōu)于Chain協(xié)議。通過上述分析得到，本文提出的協(xié)議較于Chain協(xié)議提升了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)性能，并且通過做差公式（15）得到，當(dāng)單鏈節(jié)點(diǎn)數(shù)目N越大、數(shù)據(jù)包傳輸成功概率P1越低時(shí)，兩種協(xié)議在傳輸次數(shù)、時(shí)延上差別越大，本文提出的協(xié)議性能優(yōu)勢越明顯。同時(shí)由上述分析得到，兩種協(xié)議的時(shí)間復(fù)雜度相同，均為Ο(N2)，本文提出的協(xié)議不會(huì)浪費(fèi)較多的數(shù)值計(jì)算時(shí)間。

上述分析為簡化模型，沒有考慮ACK幀接收概率和傳輸ACK幀產(chǎn)生的時(shí)延，本文提出的協(xié)議在數(shù)據(jù)包具體接收狀態(tài)不確定的情況下，節(jié)點(diǎn)互相通知后，通過發(fā)送編碼包，后一列節(jié)點(diǎn)完全解碼出源包后，才回復(fù)ACK幀，提高網(wǎng)絡(luò)可靠性的同時(shí)，大大降低了ACK幀的發(fā)送次數(shù)，在這一方面協(xié)議也相對(duì)提高了網(wǎng)絡(luò)性能。

5 仿真實(shí)驗(yàn)

本文使用MATLAB對(duì)上述提出的基于網(wǎng)絡(luò)編碼的路由協(xié)議與Chain直鏈傳輸路由協(xié)議進(jìn)行仿真比較，并與理論分析數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

5.1 仿真環(huán)境設(shè)置

仿真基于時(shí)間驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用過程，監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)定期采集區(qū)域中的數(shù)據(jù)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有自己的數(shù)據(jù)源包，并將其傳輸?shù)絊ink節(jié)點(diǎn)。仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

5.2 鏈路數(shù)據(jù)成功傳輸概率的估算

在仿真實(shí)驗(yàn)中，已知同相線路中第n列節(jié)點(diǎn)到第n+1列節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包傳輸成功概率為P1，需要估算第n列到第n+2列概率P2。具體估算過程如下：

根據(jù)誤碼率與數(shù)據(jù)傳輸成功概率P（誤幀率）有P=(1-BER)B,B為數(shù)據(jù)幀長度。按常用差分相移鍵控（DPSK）調(diào)制方式的誤碼率與信噪比關(guān)系：BER=0.5exp(-Eb/2No)，因?yàn)樵跀?shù)據(jù)傳輸過程中Eb反比于d2（d表示傳輸路徑長度），整理得到誤幀率P和路徑長度d的關(guān)系為：

式中k為常數(shù)系數(shù)，通過同相線路中第n列節(jié)點(diǎn)到第n+1列節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包傳輸成功概率為P1這一已知條件求得。

5.3 仿真結(jié)果與分析

在仿真實(shí)驗(yàn)中，Sink發(fā)起一次數(shù)據(jù)收集過程稱為一輪，在每一輪的數(shù)據(jù)收集過程中，對(duì)時(shí)延、傳輸次數(shù)總數(shù)、吞吐量三項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了仿真比較，三項(xiàng)數(shù)據(jù)具體定義如下：

時(shí)延：完成一輪數(shù)據(jù)收集所需要的時(shí)間；

傳輸次數(shù)總數(shù)：完成一輪數(shù)據(jù)收集，所有普通節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包的次數(shù)，包括重傳次數(shù)；

吞吐量：Sink節(jié)點(diǎn)單位時(shí)間內(nèi)正確收到的比特?cái)?shù)。

（1）P1變化

實(shí)際的輸電線路檢測系統(tǒng)多分布在野外，受野外環(huán)境影響，鏈路傳輸成功概率會(huì)有一定的變化。當(dāng)單條鏈路節(jié)點(diǎn)數(shù)目(N=10)確定，同相線路中第n列節(jié)點(diǎn)到第n+1列節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包傳輸成功概率（0.75，0.8，0.85，0.9，0.95）變化時(shí)，仿真結(jié)果如圖7～9。

為使曲線的對(duì)比更加清晰，選擇將圖形局部放大，以傳輸時(shí)延這一比較項(xiàng)為例，如圖10所示，其他比較項(xiàng)不予放大。首先兩種協(xié)議的理論分析值與各自的仿真值相互契合，曲線變化趨于相同，這驗(yàn)證了仿真數(shù)據(jù)的精確性，證明了仿真過程是可靠的；其次當(dāng)數(shù)據(jù)成功傳輸概率P1變化時(shí)，在傳輸次數(shù)和傳輸時(shí)延方面，如圖7和圖8，本文提出的協(xié)議曲線變化平緩，在P1較小時(shí)優(yōu)勢明顯，并且吞吐量一直優(yōu)于Chain直鏈傳輸協(xié)議，如圖9。這是因?yàn)樵贑hain直鏈傳輸路由協(xié)議傳輸過程中，雖然數(shù)據(jù)包有確定的傳輸路徑，但每次數(shù)據(jù)傳輸均采用DATA/ACK握手機(jī)制，在傳輸過程中，丟包重傳是無法避免的，隨著P1的降低，丟包概率增大，需要進(jìn)行多次重發(fā)才能使數(shù)據(jù)成功接收，這樣增加了數(shù)據(jù)包的傳輸次數(shù)和傳輸時(shí)延，進(jìn)而吞吐量降低，而本文提出的協(xié)議在傳輸過程中采用機(jī)會(huì)路由和基于網(wǎng)絡(luò)編碼的主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)保護(hù)機(jī)制，在P1較低時(shí)這種機(jī)制發(fā)揮作用明顯，提高了網(wǎng)絡(luò)性能。

圖7 傳輸次數(shù)

圖8 傳輸時(shí)延

圖9 吞吐量

圖10 傳輸時(shí)延局部放大圖

圖11 傳輸次數(shù)

圖12 傳輸時(shí)延

（2）N 變化

當(dāng)同相線路中第n列節(jié)點(diǎn)到第n+1列節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包傳輸成功概率(P1=0.9)確定，單條鏈路節(jié)點(diǎn)數(shù)目N（4，8，12，16，20）變化時(shí)，仿真結(jié)果如圖11～13。

為使曲線的對(duì)比更加清晰，選擇將圖形局部放大，以吞吐量這一比較項(xiàng)為例，如圖14所示，其他比較項(xiàng)不予放大。由以上圖形可以看出，首先兩種協(xié)議的理論分析值曲線變化與各自的仿真值曲線變化趨于相同，這驗(yàn)證了仿真的可靠性；其次隨著N的增大，在傳輸次數(shù)和傳輸時(shí)延方面，如圖11和圖12，本文提出的協(xié)議較于Chain協(xié)議優(yōu)勢愈加明顯，并且吞吐量一直優(yōu)于Chain直鏈傳輸協(xié)議，如圖13。這是由于隨著鏈路長度的增加，鏈路中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包越來越多，在傳輸過程中丟包重傳概率增大，網(wǎng)絡(luò)性能隨之下降，本文提出的協(xié)議利用機(jī)會(huì)路由和網(wǎng)絡(luò)編碼的特性，保證了可靠通信，提高了網(wǎng)絡(luò)性能。

6 結(jié)束語

圖13 吞吐量

圖14 吞吐量局部放大圖

本文根據(jù)輸電線路監(jiān)測對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性和可靠性要求高的特點(diǎn)，提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)編碼的WSN路由協(xié)議。該協(xié)議充分利用信道廣播特性和節(jié)點(diǎn)間的協(xié)作通信，結(jié)合機(jī)會(huì)路由和網(wǎng)絡(luò)編碼各自優(yōu)勢，將網(wǎng)絡(luò)編碼經(jīng)典蝶形結(jié)構(gòu)應(yīng)用到輸電線路檢測系統(tǒng)長鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中。通過仿真實(shí)驗(yàn)表明，該協(xié)議較于Chain直鏈傳輸協(xié)議，提高了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)性能，且在鏈路較長和野外環(huán)境下數(shù)據(jù)包傳輸成功概率小的情況下，網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)勢表現(xiàn)明顯。

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