基于匯聚樹協(xié)議的多信道通信算法的研究

◆楊 旭 王春佳

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基于匯聚樹協(xié)議的多信道通信算法的研究

◆楊 旭1王春佳2

（1.云南機電職業(yè)技術學院 云南 650203；2.云南師范大學 云南 650092）

在無線傳感器網(wǎng)絡的路由協(xié)議中，匯聚樹協(xié)議主要通過單信道進行通信，使得通信過程中的WIFI和WSN出現(xiàn)沖突?；诖?，本文提出一種自適應的信道分配算法，可避免信道阻塞問題的出現(xiàn)。首先對匯聚樹協(xié)議進行了初步的分析，然后結合WSN和WIFI的頻率特征，給出自適應多信道分配算法的具體應用步驟以及信道切換流程，最后結合對比實驗，分析多信道通信算法的可行性，實驗結果表明該算法對模塊間通信報文改良提供了有效理論依據(jù)。

匯聚樹協(xié)議；多信道；通信算法

0 前言

傳統(tǒng)的單信道匯聚樹協(xié)議使得WSN和WIFI（Wireless Fidelity）在同一個環(huán)境中開展工作，如果WSN和WIFI的信道出現(xiàn)重疊，將會對WSN的通信造成干擾，導致無線傳感器出現(xiàn)較高的幀丟失率以及節(jié)點功耗。因此，在匯聚樹協(xié)議中，技術人員需要應用多信道通信算法，確保WSN在受到WIFI的干擾時，能夠切換到其他信道中，保障WSN的穩(wěn)定通信。匯聚樹協(xié)議的多信道通信算法主要是通過信道切換組件的應用，避免WIFI對WSN造成干擾。

1 匯聚樹協(xié)議分析

在無線傳感器運行應用的過程中，需要將自身采集到的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)絽R聚節(jié)點中，但是因為每個節(jié)點的通信距離具有一定的局限性，所以無線傳感器系統(tǒng)通過匯聚樹協(xié)議的應用，在采集節(jié)點和匯聚節(jié)點之間構建網(wǎng)絡，從而擴大通信范圍。在通信網(wǎng)絡中，每一個節(jié)點既是發(fā)送節(jié)點，也是接收節(jié)點。匯聚節(jié)點和其他節(jié)點呈現(xiàn)出樹形結構。在匯聚樹協(xié)議中，主要包括鏈路質量估計器、路由引擎以及轉發(fā)引擎這三個組件。其中，鏈路質量估計器主要用來估算單跳的ETX值（期望傳送值）；路由引起會按照鏈路估計的結果和網(wǎng)絡層實際狀況（比如是否存在擁堵現(xiàn)象），進行路由下一跳節(jié)點的選擇；轉發(fā)引擎主要用來維護發(fā)送包隊列，選擇最佳的數(shù)據(jù)發(fā)送時機。

匯聚樹協(xié)議中有獨有的匯聚樹算法，能夠對信道通信進行控制。在匯聚樹協(xié)議通信過程中，會將ETX值作為路由梯度，通信網(wǎng)絡匯總的節(jié)點會根據(jù)EXT值的大小進行最優(yōu)通信路徑的選擇。通常情況下，匯聚樹協(xié)議通信中的鏈路質量由收包率來體現(xiàn)。其中，子節(jié)點和父節(jié)點之間的ETX值計算公式為：

ETX=1/(df*dt)。

公式中，df主要是指從發(fā)送節(jié)點發(fā)送到接收節(jié)點的收包率；dt主要是指接收節(jié)點發(fā)送到發(fā)送節(jié)點的收包率。在實際的數(shù)據(jù)傳輸過程中，通信路徑上的ETX值呈逐級遞減趨勢。如果發(fā)送節(jié)點的ETX值要小于接收節(jié)點的ETX值，就表明發(fā)送節(jié)點中存在路由循環(huán)，或者其具備的路由信息過期。這一現(xiàn)象可以用來檢測路由的一致性，準確分析路由中是否存在循環(huán)，從而采取廣播路由幀的方式解決路由循環(huán)問題，保障無線傳感器數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)挠行訹1]。

2 基于匯聚樹協(xié)議的多信道通信算法分析

2.1 WSN和WIFI頻率特征分析

通常情況下，在2.4GHz的頻段內，802.11b/g/n協(xié)議可以定義13個可用信道。這些信道的帶寬均為22MHz，相鄰信道之間的間隔為3MHz。在802.15.4協(xié)議中，WSN的主要工作頻段為2.4GHz的ISM，使其四個信道頻帶和WIFI重疊。但是和WIFI信號功率相比，WSN的信號功率要小1-2個數(shù)量級。因此，在兩者信道重疊時，WIFI會對WSN造成較大的干擾。

2.2 多信道的分配算法分析

基于上述頻道特征峰分析，分配算法的設計目標在于將WSN切換到不和WIFI重疊的信道上，實現(xiàn)WSN的高效通信。在WSN網(wǎng)絡中，一共有16個可用信道，信道的帶寬均為3MHz；相鄰信道之間的間隔為2MHz。其中，26信道是穩(wěn)定性最強，最不容易受到WIFI干擾的信道。因此，在進行多信道分配算法的設計時，技術人員可以將該信道設置為控制信道，并將第11-第25信道設置為數(shù)據(jù)信道，控制信道主要用來傳輸控制指令以及預約信道；數(shù)據(jù)信道主要用來通信。

在實際的信道切換過程中，WSN節(jié)點首先需要明確WIFI所在的信道，避免與WIFI重疊。具體的信道分析計算算法如下：將WIFI信道的信道號設置為Idwifi，如果Idwsn∈[Idwifi+10，Idwifi+13），那么信道號是Idwsn的WSN信號就與信道號是Idwifi的WIFI信道重疊。在通信的過程中，如果信道號為Idwsn的WSN信道已經(jīng)收到WIFI的干擾，那么技術人員可以通過如下算法的循環(huán)操作，掌握具體的Idwifi值：第一，將Idwsn+1，對13取模更新，得出Idwsn=（Idwsn+1）mod13的公式；第二，測試WSN的新信道是否存在WIFI，如果存在WIFI信號，對于WSN造成干擾，則重復步驟一，如果不存在WIFI信號，不會對WSN造成干擾，則進行步驟三；第三，將WIFI信號的工作信道判定為Idwsn-13，Idwsn就是WSN不會受到干擾的信道。具體的WSN干擾判斷標準如下：如果WSN在信道中的丟包率小于1%以內，和存在WIFI干擾相比，通信時間的延長小于25%，就表明WSN成功避開了WIFI[2]。

2.3 信道切換流程分析

如果通信質量相對較差，網(wǎng)絡會通過匯聚樹協(xié)議完成路由的更換，如果更換路由完成之后，通信質量仍舊沒有明顯提升，匯聚樹協(xié)議會利用廣播的方法通知相鄰的節(jié)點，完成信道切換，從而實現(xiàn)擁塞信道的躲避。在實際的路由幀發(fā)送過程中，發(fā)送節(jié)點Sender會在控制信道上進行請求信息Req的廣播，請求信息主要是指需要通信的具體數(shù)據(jù)信道號；在廣播信息被接收節(jié)點Receiver接收之后，會自動切換到請求信息中提到的數(shù)據(jù)信道號，并向發(fā)送節(jié)點發(fā)送反饋信息；在發(fā)送節(jié)點接收到反饋信息之后，也會切換到請求信息中的數(shù)據(jù)信道號，完成信道的切換。當發(fā)送節(jié)點與接收節(jié)點完成一次通信之后，會自動回到控制信道中，接收相應的控制信息，完成下一次通信?；诙嘈诺劳ㄐ潘惴?，WSN中的不同節(jié)點可以在不同信道中進行數(shù)據(jù)信息的傳輸，在很大程度上避免了信道沖突問題，還可以防止數(shù)據(jù)信息重發(fā)現(xiàn)象的出現(xiàn)。

2.4 多信道通信算法的實踐分析

為了進一步明確本文提出的多信道通信算法應用效果，進行了WSN多點組網(wǎng)通信實驗，共進行三次實驗。實驗的總體流程如下：在90m2的空間內，將10個下位機節(jié)點進行隨機分布，并將利用串口相連方式將網(wǎng)關板和PC機連接在一起。按照每500ms發(fā)送一個數(shù)據(jù)包的速度，發(fā)送節(jié)點進行五百個數(shù)據(jù)包的傳輸。記錄傳輸結束的收包數(shù)量及傳輸時間。其中，WSN的WIFI干擾主要通過無線路由器和PC機來實現(xiàn)，將無線路由器設置在信道1工作，然后由PC機A按照利用WIFI1-1.5Mb/s的速度，向PC機B進行10G大小文件的傳輸。

實驗一，在沒有WIFI信號干擾的條件下，進行單信道匯聚樹協(xié)議通信。通信的結果顯示，平均收包數(shù)量為499.5；傳輸時間為5分鐘。

實驗二，在有WIFI信號干擾的條件下，進行單信道匯聚樹協(xié)議通信。通信的結果顯示，平均收包數(shù)量為375.5；傳輸時間為43分鐘。

實驗三，在有WIFI信號干擾的條件下，進行多信道匯聚樹協(xié)議通信。通信的結果顯示，平均收包數(shù)量為496.7；傳輸時間為7分鐘。

通過上述實驗結果可知，在沒有WIFI信號干擾的條件下，單信道匯聚樹協(xié)議具有良好的通信效果。但是在WIFI信號的干擾下，單信道匯聚樹協(xié)議的通信效果有顯著的降低。而通過多信道算法的應用，進行多信道匯聚樹協(xié)議通信，即使是在同樣的WIFI信號干擾下，多信道匯聚樹協(xié)議通信仍舊是ESP8285模塊網(wǎng)絡通信較為理想的通信方式。由此可以看出，本文分析的多信道通信算法，可以顯著提升匯聚樹協(xié)議通信的效果，避免ESP8285的WIFI信號對WSN通信造成干擾。需要注意的是，在實際的多信道通信中，由于頻繁切換信道需要花費一定的時間，所以多信道匯聚樹通信花費的傳輸時間相對較長[3]。

3 結論

綜上所述，在匯聚樹協(xié)議通信的過程中，ESP8285的WIFI信號會對WSN信號的通信造成干擾，需進行算法改進。通過本文的分析可知，自適應多信道分配算法對傳統(tǒng)的單片機模塊之間的通信報文改良提供了可靠的理論依據(jù)，能有效提高下位機模塊間通信的效率。

[1]李文琴,汪大清,文俊浩.基于多信道通信系統(tǒng)的綠色節(jié)能算法[J].激光雜志,2014.

[2]謝鯤,李秦古.多接口多信道無線Mesh網(wǎng)絡中面向協(xié)作通信的接口分配算法[J].小型微型計算機系統(tǒng),2014.

[3]李興. 多信道無線傳感器網(wǎng)絡信道調度及匯聚路由算法研究[D].西安電子科技大學,2014.

[4]楊旭，沈俊鑫.基于可變步長的常數(shù)模盲均衡算法[J].計算機工程與應用，2014.