黃艷國，陳 超，房 罡，李向邯，韓 亮

（江西理工大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，江西贛州 341000）

0 引 言

無線傳感器及執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor and Actor Networks，WSAN）通過在原有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）中添加執(zhí)行器（actor）節(jié)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)自主決策和自主控制設(shè)施環(huán)境。WSAN 在工業(yè)自動化、網(wǎng)絡(luò)化機(jī)器人和戰(zhàn)術(shù)軍事中有潛在的應(yīng)用前景。

在WSAN 中，傳感器（sensor）節(jié)點(diǎn)通常能源受限，工作在低功耗狀態(tài)和較短的通信范圍內(nèi)，而執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)一般有豐富的能源并有較大的通信范圍。WSAN 網(wǎng)絡(luò)要求傳感器與傳感器之間，傳感器與執(zhí)行器之間以及執(zhí)行器與執(zhí)行器之間能夠進(jìn)行協(xié)同通信，以實(shí)現(xiàn)整體的應(yīng)用目標(biāo)。傳感器與執(zhí)行器之間的協(xié)同能夠提供路徑建立功能，以支持事件數(shù)據(jù)從傳感器傳輸?shù)綀?zhí)行器。WSAN網(wǎng)絡(luò)需要一個(gè)合適的路由協(xié)議，使傳感器和執(zhí)行器之間能夠協(xié)作，提高整體網(wǎng)絡(luò)的能效。

本文將定向傳播（Actor-oriented Directional Anycast，ADA）路由協(xié)議用于WSAN 網(wǎng)絡(luò)中。ADA 協(xié)議的設(shè)計(jì)利用了智能天線[1]，為能量受限的傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)定向傳播。在大量用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定向傳輸和智能天線的研究[2-4]中，作者提出并建立了受限資源傳感器節(jié)點(diǎn)的定向天線模型，提供了真實(shí)傳感器節(jié)點(diǎn)和仿真框架的物理范例，證明了使用智能天線和定向傳輸用于受限資源傳感器節(jié)點(diǎn)的可行性。本文參考這些研究，并將ADA 協(xié)議用于多跳WSAN網(wǎng)絡(luò)。

1 智能天線和定向傳輸

1.1 智能天線

智能天線又叫作自適應(yīng)陣列天線，由多個(gè)天線單元組成。使用智能天線，信號幾乎可以指向任何方向，通過相應(yīng)的控制算法來調(diào)節(jié)天線各陣元信號的加權(quán)幅度和相位，控制信號的范圍和強(qiáng)度。它可以在所需要的方向上使信號增益最大化，其他方向的增益被最小化以減少干擾。智能天線已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)，并逐漸應(yīng)用于更多的領(lǐng)域。在WSAN 網(wǎng)絡(luò)中，微型化的智能天線可以安裝在傳感器節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)上[4]，實(shí)現(xiàn)WSAN 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息定向傳輸?shù)墓δ堋?/p>

1.2 定向傳輸

在WSAN 網(wǎng)絡(luò)中，源節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的定向傳輸能夠減少信息的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)，進(jìn)而減少節(jié)點(diǎn)的能量損耗，延長WSAN網(wǎng)絡(luò)的整體壽命。在定向傳輸?shù)某跏茧A段，源節(jié)點(diǎn)會在其路由表中搜索目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路由信息。如果目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路由信息不可用，則會觸發(fā)路由發(fā)現(xiàn)。節(jié)點(diǎn)的鄰域空間將被劃分，節(jié)點(diǎn)將根據(jù)區(qū)域的劃分模型信息計(jì)算傳輸方向，然后使用計(jì)算的傳輸方向調(diào)節(jié)智能天線信號的范圍。

2 ADA 協(xié)議

ADA 協(xié)議繼承了以往智能天線和定向傳輸研究的成果，是一種多跳WSAN 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的定向傳播路由協(xié)議。將ADA 協(xié)議用于WSAN 網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會帶有智能天線，可以通過定向傳輸與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。研究證明WSAN 中的傳感器節(jié)點(diǎn)無需節(jié)點(diǎn)中的GPS 組件，就可以準(zhǔn)確地定位自身位置[5-6]。根據(jù)這些研究，可以假定已經(jīng)知道了每個(gè)傳感器和執(zhí)行器的位置。當(dāng)WSAN 中有轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的服務(wù)請求時(shí)，源節(jié)點(diǎn)將啟動一個(gè)數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包會經(jīng)過多個(gè)sensor 節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行器actor 節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)。根據(jù)節(jié)點(diǎn)鄰域空間的劃分，節(jié)點(diǎn)只需要向特定方向的鄰近節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，并將相應(yīng)的目標(biāo)區(qū)域保存在路由表中以供以后使用。經(jīng)過多次定向轉(zhuǎn)發(fā)，數(shù)據(jù)包從源節(jié)點(diǎn)到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，如圖1 所示。

2.1 節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級

為了改善網(wǎng)絡(luò)生存期，ADA 協(xié)議強(qiáng)調(diào)了豐富資源角色在定向傳輸路由中的重要作用。在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)選擇過程中，actor 節(jié)點(diǎn)會比sensor 節(jié)點(diǎn)具有更高的優(yōu)先級。原因是，WSAN 網(wǎng)絡(luò)是一種節(jié)點(diǎn)能量分布失衡的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，actor 節(jié)點(diǎn)是資源豐富的設(shè)備，而與actor 節(jié)點(diǎn)相比，sensor 節(jié)點(diǎn)的資源是非常有限的。sensor節(jié)點(diǎn)能量耗盡會使WSAN 網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)信號空洞，所以網(wǎng)絡(luò)的壽命關(guān)鍵取決于sensor 節(jié)點(diǎn)的能量消耗。為了提高網(wǎng)絡(luò)壽命，轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先選擇actor節(jié)點(diǎn)，減少sensor節(jié)點(diǎn)的能耗。

2.2 節(jié)點(diǎn)鄰域空間劃分

為了利用資源豐富的actor 節(jié)點(diǎn)的能力，可以將節(jié)點(diǎn)的鄰域空間劃分為幾個(gè)較大的區(qū)域。原因是網(wǎng)絡(luò)中actor 節(jié)點(diǎn)較少，劃分過多的區(qū)域會使部分的區(qū)域不包含任何actor 節(jié)點(diǎn)，加大了sensor 節(jié)點(diǎn)的能量消耗。

文獻(xiàn)[7]提出一種合適的節(jié)點(diǎn)區(qū)域劃分模型。以某一個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置作為球心，以該節(jié)點(diǎn)的最大通信距離作為球半徑，形成一個(gè)球形空間，這叫作節(jié)點(diǎn)一跳鄰域空間。本文根據(jù)節(jié)點(diǎn)的區(qū)域劃分模型，并根據(jù)源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的相對位置，對節(jié)點(diǎn)的鄰域空間進(jìn)行劃分。節(jié)點(diǎn)的鄰域空間劃分如圖2 所示。

源節(jié)點(diǎn)1 的坐標(biāo)為（x1,y1,z1），目標(biāo)節(jié)點(diǎn)2 的坐標(biāo)為（x2,y2,z2），將源節(jié)點(diǎn)1 的一跳鄰域空間劃分為R1,R2,R3三個(gè)區(qū)域。定義源節(jié)點(diǎn)1 的球形鄰域空間為V1，將源節(jié)點(diǎn)1 的三維鄰域空間劃分的方法如下：

1）作源節(jié)點(diǎn)1 與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)2 的連線L0，與球形空間V1交于點(diǎn)A，點(diǎn)A坐標(biāo)為（xa,ya,za）。

2）以目標(biāo)節(jié)點(diǎn)2 的位置為起點(diǎn)，向球形空間V1引兩條切線L1和L2，并定義兩個(gè)切點(diǎn)分別為點(diǎn)B和點(diǎn)C，B和C的坐標(biāo)分別為（xb,yb,zb）和（xc,yc,zc）。

3）作圓形平面ABC，并作出垂直于平面ABC的直徑，交平面ABC于球心源節(jié)點(diǎn)1，交球形空間于點(diǎn)D和點(diǎn)E，D和E坐標(biāo)分別為（xd,yd,zd）和（xe,ye,ze）。

4）定義由BCDE四點(diǎn)切割球形空間V1所得的區(qū)域?yàn)樵垂?jié)點(diǎn)1 的前向鄰域區(qū)；由ACDE四點(diǎn)切割球形空間V1所得的區(qū)域?yàn)樵垂?jié)點(diǎn)1 的左鄰域區(qū)；由ABDE四點(diǎn)切割球形空間V1所得的區(qū)域?yàn)樵垂?jié)點(diǎn)1的右鄰域區(qū)。三個(gè)區(qū)域分別定義為R1,R2,R3區(qū)域。

由幾何原理可知，R1,R2,R3區(qū)域在圓平面ABC上的投影的夾角大小θ1，θ2和θ3應(yīng)滿足下式：

為了分辨鄰近節(jié)點(diǎn)j所屬的區(qū)域，作出節(jié)點(diǎn)j在平面ABC上的投影點(diǎn)j′，坐標(biāo)為（xj′,yj′,zj′），其中，dij′，dsj′，daj′，dbj′和dcj′分別為投影點(diǎn)j′到源節(jié)點(diǎn)1、目標(biāo)節(jié)點(diǎn)2、點(diǎn)A、點(diǎn)B和點(diǎn)C的距離，dis為源節(jié)點(diǎn)1 到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)2 的距離，θsij′為點(diǎn)j′與源節(jié)點(diǎn)1 和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)2 的夾角?？梢酝ㄟ^下式分辨j所屬的區(qū)域：

2.3 路線發(fā)現(xiàn)

如果目標(biāo)的路由信息不可用，則由源節(jié)點(diǎn)啟動路由發(fā)現(xiàn)進(jìn)程。在ADA 協(xié)議中，只需要源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的相對位置，而不像其他路由協(xié)議需要完整的路由通信[8]。在此階段中，根據(jù)源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的相對位置，源節(jié)點(diǎn)向特定方向廣播并發(fā)送一個(gè)路由請求（ROUTE REQUEST，RREQ），其中包含位置信息。RREQ 數(shù)據(jù)包將被定向轉(zhuǎn)發(fā)直到到達(dá)目的地。目標(biāo)的相對位置是基于本地化機(jī)制計(jì)算的[5]，在計(jì)算相對位置后，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)將向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送帶有計(jì)算位置的路由回復(fù)（ROUTE REPLY，RREP）消息。源節(jié)點(diǎn)將此信息存儲在路由表中，以便以后進(jìn)行路由。為了減小路由表的大小，ADA 協(xié)議的路由信息非常簡單，只包含目標(biāo)地址及其相對位置。

2.4 定向轉(zhuǎn)發(fā)操作

根據(jù)節(jié)點(diǎn)鄰域空間的劃分，節(jié)點(diǎn)只需要向?qū)儆谇跋騾^(qū)域R1的鄰近節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)還附加了目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置、路由信息和節(jié)點(diǎn)ID，計(jì)算方向還用于確定前向區(qū)域R1最近的actor 節(jié)點(diǎn)信息。如果得到了最近的actor 節(jié)點(diǎn)信息，則發(fā)送節(jié)點(diǎn)首先檢查最近的actor節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的相對位置。此過程是為了避免從發(fā)送節(jié)點(diǎn)到actor節(jié)點(diǎn)的距離比到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)更長的次優(yōu)問題。如果最近的actor節(jié)點(diǎn)比目的地更近，則數(shù)據(jù)包將根據(jù)其相對位置，通過最近的actor節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)到目的地。

如果發(fā)送節(jié)點(diǎn)是傳感器節(jié)點(diǎn)，并且最近的actor 節(jié)點(diǎn)不存在或離目標(biāo)節(jié)點(diǎn)比較遠(yuǎn)，則數(shù)據(jù)包將轉(zhuǎn)發(fā)到該方向最近的下一個(gè)躍點(diǎn)，以節(jié)省傳感器能量。數(shù)據(jù)包將連續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)，直到到達(dá)最終目標(biāo)。

3 仿真和性能分析

為了評價(jià)WSAN 網(wǎng)絡(luò)中ADA 協(xié)議的性能，采用Matlab 軟件進(jìn)行仿真，將三維環(huán)境下的ADA 協(xié)議的性能與傳統(tǒng)的全方向天線的協(xié)議進(jìn)行比較。在沒有障礙物的部署環(huán)境中，ADA 協(xié)議將與一種定向集群路由協(xié)議（Directional Multi-hop Clustering Routing Protocol，DMCR）[9]以及一種WSAN 的有效協(xié)調(diào)路由協(xié)議（Efficient Coordination and Routing Protocol，ECR）[10]進(jìn)行對比。WSAN 網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)隨機(jī)部署了1 000 個(gè)靜態(tài)的sensor 節(jié)點(diǎn)，并有多個(gè)actor 節(jié)點(diǎn)。

本文主要從三個(gè)方面進(jìn)行比較：數(shù)據(jù)包傳送延遲；傳感器節(jié)點(diǎn)的平均能耗比；數(shù)據(jù)包可靠性。部署環(huán)境中隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的請求，由第一個(gè)收到請求的節(jié)點(diǎn)作為源節(jié)點(diǎn)并發(fā)起轉(zhuǎn)發(fā)。仿真參數(shù)如表1所示。

從圖3 中可以看到在部署不同數(shù)量的actor 節(jié)點(diǎn)時(shí)，WSAN 使用每種協(xié)議所得到的平均端到端數(shù)據(jù)包傳送延遲。圖3 顯示，當(dāng)actor 節(jié)點(diǎn)較少時(shí)，ADA 協(xié)議的端到端數(shù)據(jù)包傳送延遲與DMCR，ECR 相近。當(dāng)actor 節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加到20，30，40 和50 時(shí)，DMCR，ECR 的端到端數(shù)據(jù)包傳送延遲幾乎沒有變化，但ADA 協(xié)議的性能有著顯著的提高。結(jié)果證明了ADA 協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)，ADA 協(xié)議中的定向傳輸有助于提高信號增益，減少碰撞概率，并提高傳輸范圍。與能量受限的sensor 節(jié)點(diǎn)相比，具有豐富的能量容量和更高傳輸范圍的actor 節(jié)點(diǎn)加速了數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)將actor 節(jié)點(diǎn)的數(shù)量從10 增加到40 時(shí)，大多數(shù)的sensor 節(jié)點(diǎn)可以輕松地找到最近的actor 節(jié)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)發(fā)錨點(diǎn)，ADA 協(xié)議的延遲降低率就會迅速增加。

圖4 顯示了傳感器節(jié)點(diǎn)的平均能耗，可以看出其他協(xié)議（ADA 協(xié)議除外）不會受益于部署更多有豐富資源的actor 節(jié)點(diǎn)。當(dāng)增加actor 節(jié)點(diǎn)的數(shù)量時(shí)，平均能耗不會有太大的變化。原因是這些協(xié)議不利用有豐富資源的actor 節(jié)點(diǎn)來與傳感器節(jié)點(diǎn)共同承擔(dān)轉(zhuǎn)發(fā)開銷。幾種協(xié)議中，ADA 協(xié)議達(dá)到了傳感器節(jié)點(diǎn)的最高能效，即與其他協(xié)議相比，ADA 協(xié)議有最長的網(wǎng)絡(luò)工作壽命。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中存在更多actor 節(jié)點(diǎn)時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)的能量消耗大大減少，網(wǎng)絡(luò)生存期將顯著增加。ADA 協(xié)議的消息包數(shù)量更少，這是由于定向傳輸排除了遠(yuǎn)離目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸，這對于提高WSAN網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間是有利的。

圖4 傳感器節(jié)點(diǎn)的平均能耗Fig.4 Average energy consumption of sensor nodes

數(shù)據(jù)包可靠性是WSAN 網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要因素。圖5展現(xiàn)了不同數(shù)量的數(shù)據(jù)包下，各種協(xié)議的數(shù)據(jù)包傳遞比率。數(shù)據(jù)包傳遞比率即源節(jié)點(diǎn)生成的消息總數(shù)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)上接收消息的數(shù)量之比。與其他協(xié)議相比，ADA協(xié)議數(shù)據(jù)包傳遞率更高。當(dāng)部署更多的actor 節(jié)點(diǎn)時(shí)，ADA 協(xié)議數(shù)據(jù)包傳遞率逐漸增加，并保持在92%以上。在數(shù)據(jù)包可靠性方面，ADA 協(xié)議具有優(yōu)勢。

圖5 不同數(shù)量的數(shù)據(jù)包下的數(shù)據(jù)包傳遞比率Fig.5 Data packet delivery ratio of different number of data flows

4 結(jié) 論

本文提出基于智能天線的定向傳播路由協(xié)議在WSAN 中的應(yīng)用。ADA 協(xié)議利用智能天線和定向傳輸對WSAN 網(wǎng)絡(luò)的端對端的數(shù)據(jù)傳遞進(jìn)行了改善，減少了數(shù)據(jù)的傳輸和接收，降低了數(shù)據(jù)包的傳送延遲。ADA協(xié)議強(qiáng)調(diào)了豐富資源的actor 節(jié)點(diǎn)的重要作用，并為sensor 節(jié)點(diǎn)節(jié)省能源，進(jìn)而延長了WSAN 網(wǎng)絡(luò)的工作壽命。ADA 協(xié)議提高了數(shù)據(jù)包的傳遞率，使WSAN 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳遞的可靠性得到了增長。通過大量的實(shí)驗(yàn)?zāi)M證明了ADA 協(xié)議在數(shù)據(jù)包傳送延遲、網(wǎng)絡(luò)生命周期和數(shù)據(jù)包可靠性方面均優(yōu)于其他全方向天線的協(xié)議。