滑坡監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于事件的信道分配方案

盛　凱

(中國鐵道科學(xué)研究院通信信號研究所，北京　100081)

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滑坡監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于事件的信道分配方案

盛凱

(中國鐵道科學(xué)研究院通信信號研究所，北京100081)

摘要：在高速鐵路沿線的山體斜坡上部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，用于監(jiān)測山體斜坡變化情況。綜合考慮傳感器節(jié)點能量有限性和對采集信息的實時性需求，提出一個基于事件的信道分配方案用于滑坡監(jiān)測信息的傳輸。以是否有列車經(jīng)過山體斜坡區(qū)域作為事件，當(dāng)無列車經(jīng)過時，為節(jié)點分配活躍周期和睡眠周期，采用TDMA的方式喚醒節(jié)點并分配一個可用信道進行數(shù)據(jù)傳輸，從而在保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)那疤嵯鹿?jié)省節(jié)點能量，延長網(wǎng)絡(luò)壽命；當(dāng)有列車即將經(jīng)過時，節(jié)點完全進入活躍周期，采用多個信道并行傳輸?shù)姆绞絺鬏敂?shù)據(jù)，減少傳輸過程中由于信息碰撞造成的信息丟失和重傳，從而降低傳輸時延，提高信息傳輸?shù)膶崟r性。最后，通過仿真實驗分析系統(tǒng)性能，證明所提方案的有效性。

關(guān)鍵詞：高速鐵路；滑坡監(jiān)測；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；信道分配

近年來，我國鐵路行業(yè)迅速發(fā)展，高速鐵路已經(jīng)成為廣大群眾出行必不可少的交通工具。在提高鐵路運行速度的同時，運行安全問題也成為了備受關(guān)注的熱點話題。山體滑坡是山區(qū)常見的地質(zhì)災(zāi)害之一，發(fā)生時能夠迅速掩埋和摧毀鐵路路基、隧道及橋梁，嚴重影響鐵路運輸及旅客生命財產(chǎn)安全[1]。因此，對山體斜坡進行實時監(jiān)測，及時獲取山體斜坡狀態(tài)信息并反饋給鐵路控制中心，對鐵路安全運輸具有非常重要的意義。

目前，山體滑坡監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測信息多采用有線或無線兩種方式進行傳輸[2]。但是，山體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，布線困難，且供電不便等原因?qū)е掠芯€網(wǎng)絡(luò)部署成本較高，不易實現(xiàn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)是近幾年發(fā)展起來的一種全新的網(wǎng)絡(luò)化信息獲取、傳輸和處理技術(shù)，具有自組織、低功耗、無需布線等特點，特別適用于山體斜坡的數(shù)據(jù)監(jiān)測[3-5]。而且，傳感器節(jié)點成本低，可以大范圍部署進行數(shù)據(jù)采集，能夠為山體滑坡監(jiān)測和預(yù)警提供充足的數(shù)據(jù)支持。

近幾年，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的山體滑坡監(jiān)測問題被廣泛研究，如文獻[6-11]。文獻[6-8]的目標是設(shè)計滑坡監(jiān)測系統(tǒng)，采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸。文獻[9]介紹了Zigbee和GPS在山體滑坡監(jiān)測中的應(yīng)用。文獻[10-11]研究了滑坡監(jiān)測中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位問題。大部分現(xiàn)存文獻主要考慮滑坡監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來采集和傳輸數(shù)據(jù)，而關(guān)于滑坡監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信道分配問題的研究很少。網(wǎng)絡(luò)信道分配問題與數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和數(shù)據(jù)接收率息息相關(guān)，數(shù)據(jù)傳輸實時性以及數(shù)據(jù)接收率嚴重影響滑坡監(jiān)測的實時性及準確性，因此研究滑坡監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道分配問題非常有意義。研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道分配問題的文獻有很多，如文獻[12-16]。文獻[12]提出了一種多優(yōu)先級多信道的MAC協(xié)議，根據(jù)節(jié)點優(yōu)先級來分配信道。文獻[13]提出了一種信道分配和路由設(shè)計相結(jié)合的方法。文獻[14]分析了基于接收者的信道分配和基于發(fā)送者的信道分配兩種方案。文獻[15]考慮了支持并行傳輸?shù)男诺篮凸β事?lián)合優(yōu)化算法。文獻[16]提出了一種基于調(diào)度的信道分配MAC協(xié)議，通過監(jiān)聽空閑信道實現(xiàn)多信道并行傳輸。然而，這些參考文獻都沒有考慮不同事件切換下的信道分配問題。

根據(jù)山體滑坡監(jiān)測需求部署無線傳感器節(jié)點構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，綜合考慮節(jié)點能量有限以及對采集信息的實時性需求，以是否有列車即將經(jīng)過監(jiān)測區(qū)域為事件，設(shè)計了一種基于事件的信道分配方案。當(dāng)無列車經(jīng)過時，對監(jiān)測信息實時性要求相對較低，采用TDMA的方式為節(jié)點分配一定時長的睡眠周期，睡眠周期結(jié)束時喚醒節(jié)點并為節(jié)點分配一個可用信道進行數(shù)據(jù)傳輸，從而在保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)那疤嵯鹿?jié)省傳感器節(jié)點能量，延長網(wǎng)絡(luò)壽命；當(dāng)有列車即將經(jīng)過時，對監(jiān)測信息的實時性要求較高，傳感器節(jié)點完全進入活躍周期，采用多個信道并行傳輸?shù)姆绞竭M行數(shù)據(jù)傳輸，減少信息傳輸過程中由于信息碰撞造成的信息丟失和重傳，從而降低傳輸時延，提高信息傳輸?shù)膶崟r性。

1問題提出

高速鐵路沿線周邊存在很多山體斜坡，由于惡劣環(huán)境或其他因素影響會產(chǎn)生滑坡現(xiàn)象。高速列車行駛速度快，當(dāng)運行路線上發(fā)生山體滑坡時，若能提前收到預(yù)警信息則能夠及時采取防護措施，防止事故的發(fā)生。因此，對山體情況進行監(jiān)控并將監(jiān)測數(shù)據(jù)及時發(fā)送到列車上對保證列車安全運行，保護旅客生命財產(chǎn)安全具有重要意義。

無線傳感器節(jié)點之間信息傳輸產(chǎn)生的干擾會使得數(shù)據(jù)發(fā)生碰撞，造成數(shù)據(jù)重傳或丟失，延長了數(shù)據(jù)的傳輸時延，降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。傳感器節(jié)點之間的通信干擾與節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時所使用信道的狀況相關(guān)，當(dāng)多個節(jié)點采用相同信道進行數(shù)據(jù)傳輸時，數(shù)據(jù)間的干擾會增大。為了解決這一問題，本文提出了一種高速鐵路沿線滑坡監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于事件的信道分配方案，減少了節(jié)點傳輸過程中的干擾，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。

2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署

考慮1個包含多個傳感器節(jié)點的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，每個傳感器節(jié)點上配置1個簡單的半雙工收發(fā)器，使其能夠在多個信道上運行。將無線傳感器節(jié)點部署在山體斜坡上，組成1個實時監(jiān)控的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。其中，數(shù)據(jù)采集節(jié)點具有數(shù)據(jù)采集功能和數(shù)據(jù)收發(fā)功能；中繼節(jié)點具有數(shù)據(jù)接收、轉(zhuǎn)發(fā)和融合的功能，不進行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集節(jié)點采集其周邊山體環(huán)境信息，通過一跳或多跳的方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街欣^節(jié)點，中繼節(jié)點把信息進行融合，然后轉(zhuǎn)發(fā)給位于基站位置的匯聚節(jié)點，由匯聚節(jié)點將融合后的數(shù)據(jù)發(fā)送給信息處理中心(或列車)。

圖1　滑坡監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)存在多個傳感器節(jié)點，節(jié)點之間的通信受距離及外界環(huán)境等因素的干擾，不可避免會造成節(jié)點通信鏈路中存在干擾鏈路。數(shù)據(jù)采集節(jié)點包含不同類型的傳感器節(jié)點，如雨量采集節(jié)點，位移采集節(jié)點，傾角采集節(jié)點等。相同類型采集節(jié)點之間通過信息傳輸將采集到的信息發(fā)送給中繼節(jié)點，由中繼節(jié)點發(fā)送給匯聚節(jié)點。通過信噪干擾比(SNIR)來確定不同類型節(jié)點之間的干擾鏈路，所有節(jié)點使用相同信道進行數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)兩個不同類型節(jié)點間通信的SNIR超過一定閾值時，則稱這兩類節(jié)點間存在干擾鏈路。因而，將該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建成連通圖G=(V，E)，其中V是所有傳感器節(jié)點的集合，E為節(jié)點之間的通信鏈路集T和干擾鏈路集I的集合，如圖2所示，實線代表通信鏈路，虛線代表干擾鏈路。通信鏈路e=(u，v)表示節(jié)點u發(fā)送的數(shù)據(jù)包被節(jié)點v接收，且通信鏈路是對稱的。干擾鏈路e′=(u，v)表示u的傳輸干擾了以v為目的節(jié)點的傳輸，且u的傳輸不一定會被v接收。另外，將相同類型節(jié)點構(gòu)成的通信鏈路定義為一條“傳輸鏈路”，如圖2中的鏈路n-l-f，鏈路p-m-k-h和鏈路o-j-i。若兩條傳輸鏈路中的節(jié)點之間存在干擾鏈路，則稱這兩條傳輸鏈路之間是存在干擾鏈路的。

圖2　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)連通圖G

3基于事件的信道分配協(xié)議

本協(xié)議主要定義3種類型的MAC幀，分別為信標幀、命令幀和數(shù)據(jù)幀。信標幀主要負責(zé)各傳感器節(jié)點和數(shù)據(jù)處理中心(或列車)的時鐘同步，命令幀包含匯聚節(jié)點發(fā)送給其他節(jié)點的命令信息，即事件切換信息，數(shù)據(jù)幀主要包含網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息。該協(xié)議采用超幀結(jié)構(gòu)，每個信標幀之間包含多個連續(xù)數(shù)據(jù)幀。

3.1事件類型

文中考慮了兩類事件下的滑坡監(jiān)測。事件1：無列車即將經(jīng)過監(jiān)測區(qū)域；事件2：有列車即將經(jīng)過監(jiān)測區(qū)域。令σ代表事件，σ=1，2分別代表事件1，2。

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點的工作狀態(tài)包含活躍狀態(tài)和睡眠狀態(tài)，將一個連續(xù)的活躍周期和睡眠周期稱為節(jié)點的一個工作周期。在活躍周期，傳感器節(jié)點可以感知和收發(fā)數(shù)據(jù)；在睡眠周期，傳感器節(jié)點進入低功耗狀態(tài)，可以感知信息，但是不能收發(fā)信息。σ=1時，對滑坡監(jiān)測信息的實時性要求相對較低，考慮傳感器節(jié)點能量有限，為了延長網(wǎng)絡(luò)使用壽命，延長節(jié)點的睡眠周期，當(dāng)采集到的信息量超過一定閾值時，節(jié)點被激活進入活躍周期，將采集到的數(shù)據(jù)通過中繼節(jié)點發(fā)送到匯聚節(jié)點。σ=2時，對滑坡監(jiān)測信息的實時性要求較高，傳感器節(jié)點全部進入活躍周期，將采集到的周邊環(huán)境信息實時的發(fā)送到中繼節(jié)點，通過中繼節(jié)點將信息發(fā)送到匯聚節(jié)點。兩類事件下的傳感器節(jié)點工作周期如圖3所示。

圖3　兩類事件下的傳感器節(jié)點工作周期

3.2基于事件的信道分配

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，定義可用非覆蓋信道集合為C={1，2，…，c}，其中c為可用非覆蓋信道數(shù)目。選擇一個可用信道作為控制信道，用于廣播事件切換信息和信道分配信息。文中采用點著色方法[13-14]區(qū)分存在干擾的傳輸鏈路，為存在干擾的傳輸鏈路分配不同可用信道，消除兩條傳輸鏈路之間的干擾。首先，為相同傳輸鏈路上的節(jié)點分配相同標號，不同傳輸鏈路上的節(jié)點具有不同標號，如圖2中鏈路n-l-f上的節(jié)點都分配標號1，鏈路p-m-k-h上的節(jié)點分配標號2，鏈路o-j-i上的節(jié)點分配標號3。根據(jù)不同標號區(qū)分不同傳輸鏈路，同一鏈路上的節(jié)點根據(jù)地址不同進行區(qū)分。然后，為所有節(jié)點分配相同信道進行信息傳輸，根據(jù)不同節(jié)點間通信的SNIR確定干擾鏈路。為干擾鏈路中不同標號節(jié)點分配不同顏色，相同標號節(jié)點分配相同顏色。

根據(jù)事件類型不同，設(shè)計了不同事件下的滑坡監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信道分配方案。

σ=1時，無列車即將經(jīng)過檢測區(qū)域，節(jié)點處于活躍狀態(tài)和睡眠狀態(tài)周期切換的情形。由于不同類別傳感器的采樣率不同，根據(jù)采樣率大小，調(diào)整每類傳感器節(jié)點的活躍周期。采樣率大的，分配較長的活躍周期；采樣率小的，分配較短的活躍周期。假設(shè)有n類不同傳感器節(jié)點，采樣率分別為f1，f2，…，fn。設(shè)傳感器節(jié)點的工作周期為T，每個工作周期開始時發(fā)送信標幀進行時鐘同步。則定義每個工作周期中第j(j=1，2，…，n)類傳感器節(jié)點的活躍周期長度為

且各類節(jié)點活躍周期不重疊。各類節(jié)點只在其活躍周期進行數(shù)據(jù)傳輸，其他時間處于休眠狀態(tài)，即采用時分多址(TDMA)的方式為節(jié)點分配活躍周期。由于各類節(jié)點的活躍周期不重疊，因此在某時刻有且只有一類節(jié)點處于活躍周期，故當(dāng)任一類節(jié)點處于活躍周期時為其分配任意一個可用空閑信道進行數(shù)據(jù)傳輸，從而使得各類節(jié)點在信息傳輸過程中避免產(chǎn)生干擾。

σ=2時，有列車即將經(jīng)過檢測區(qū)域，節(jié)點進入完全活躍狀態(tài)。為保證列車接收到異常信號后，能及時采取應(yīng)急措施，文中設(shè)計了節(jié)點進入完全活躍狀態(tài)的時間點。設(shè)列車的安全制動距離為S，制動加速度為a，則安全制動時間為

設(shè)滑坡檢測區(qū)域接收事件信息并將采集信息傳輸?shù)絽R聚節(jié)點所用時間為Δt，列車行駛平均速度為v，則當(dāng)列車距離檢測區(qū)域距離為S′=v·Δt+S 時，節(jié)點被觸發(fā)進入完全活躍狀態(tài)。進入完全活躍狀態(tài)后，根據(jù)點著色結(jié)果，為不同顏色的節(jié)點分配不同的可用信道進行信息傳輸，從而避免不同類型節(jié)點間的通信干擾。

4仿真實驗

采用Matlab仿真工具分析了文中所提基于事件的信道分配(ECA)方案的有效性，并在傳輸時延、數(shù)據(jù)接收率和節(jié)點剩余能量3方面與文獻[16]中提出的DMS協(xié)議進行對比。假設(shè)有3類傳感器節(jié)點，每個節(jié)點隨機生成數(shù)據(jù)流，以3種不同的頻率傳輸數(shù)據(jù)，拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。每個節(jié)點的初始能量設(shè)為1 J。

圖4給出了傳感器節(jié)點從10個增加到60個時兩類信道分配方案中節(jié)點平均傳輸時延的變化，由圖4可以看出，節(jié)點的平均傳輸時延隨著節(jié)點數(shù)增加而增大，但文中所提ECA方案的平均傳輸時延遠遠小于DMS。圖5給出了隨著節(jié)點個數(shù)增加，匯聚節(jié)點的數(shù)據(jù)包接受率變化情況，數(shù)據(jù)包接受率是匯聚節(jié)點數(shù)據(jù)包接收個數(shù)與采集節(jié)點數(shù)據(jù)包發(fā)送個數(shù)的比值。根據(jù)圖5顯示，隨著節(jié)點數(shù)目增加，匯聚節(jié)點的數(shù)據(jù)包接收率均有所下降，但DMS方案中數(shù)據(jù)包接收率始終小于ECA。圖6給出了30個采集節(jié)點情形下，節(jié)點平均剩余能量隨時間的變化情況，由圖6可以看出ECA方案中節(jié)點的平均剩余能量大于DMS，即ECA方案中節(jié)點的能量消耗較少。

圖4　網(wǎng)絡(luò)節(jié)點平均傳輸時延

圖5　數(shù)據(jù)包成功接收率

圖6　節(jié)點平均剩余能量

綜上可知，文中所提基于事件的信道分配方案在降低網(wǎng)絡(luò)傳輸時延，增加數(shù)據(jù)包成功傳輸率和節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能耗方面具有較好性能。

5結(jié)論

根據(jù)山體滑坡監(jiān)測需求部署無線傳感器節(jié)點構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，綜合考慮了節(jié)點能量有限以及對采集信息的實時性需求，以是否有列車即將經(jīng)過監(jiān)測區(qū)域為事件，設(shè)計了一種基于事件的信道分配方案。然后，提出了2類事件下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信道分配方案。在無列車即將經(jīng)過時，采用周期性休眠機制，為活躍節(jié)點分配可用信道，節(jié)省節(jié)點能量，延長網(wǎng)絡(luò)壽命；有列車即將經(jīng)過時，節(jié)點處于完全活躍狀態(tài)，采用多信道并行傳輸方式進行數(shù)據(jù)傳輸，減少信息碰撞和重傳，提高數(shù)據(jù)傳輸實時性。最后，通過仿真實驗證明了所提方案在降低傳輸時延，提高數(shù)據(jù)成功接收率以及減少網(wǎng)絡(luò)能量消耗等方面的優(yōu)良性能。

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收稿日期：2016-03-01； 修回日期：2016-03-09

基金項目：國家自然科學(xué)基金(U1334210)

作者簡介：盛凱(1982—)，男，助理研究員，2009年畢業(yè)于西安交通大學(xué)，碩士研究生，E-mail：tsingpku@163.com。

文章編號：1004-2954(2016)06-0143-04

中圖分類號：U238； X213.1+4

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.06.029

Event-based Wireless Channel Assignment Scheme for Landslide Monitoring

SHENG Kai

(Signal & Communication Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

Abstract：A wireless sensor network (WSN) is installed along the mountain slope of the high-speed railway to monitor the changes of the slope. In view of the energy limitation of the sensor nodes as well as the real-time gathering of information，an event-based channel assignment (ECA) scheme is proposed in this paper for transmitting landslide monitoring data. When a train passes the slope area，it is regarded as an event. When there is no train passing through the area，the nodes are allocated an active period and a sleep period，and awaked by the way of TDMA. The awaked nodes are assigned an available channel for data transmission to save energy under the premise of data transmission and extend network service life. When a train is about to pass，the sensor nodes come completely into the active period and transmit data by mean of multi-channel parallel transmission to reduce data loss and retransmission caused by information collision. As a consequence，transmission delay is reduced and real-time data transmission is improved. Finally，a simulation experiment is conducted to analyze the system performance and prove the effectiveness of the proposed scheme．

Key words：High speed railway; Landslide monitoring; Wireless sensor network; Channel assignment