高可靠線型無線傳感網(wǎng)優(yōu)化研究

郭良 韓韌 馮翔

摘 要：分析IEEE802.15.4自組無線傳感網(wǎng)，以解決貨運(yùn)列車線型傳感網(wǎng)系統(tǒng)低功耗、高可靠需求。基于REER協(xié)議中通信代價計算方法，利用IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)中RSL和剩余能量情況進(jìn)行數(shù)據(jù)高可靠傳輸路徑規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)降低功耗、提高可靠性目的。仿真驗(yàn)證表明：優(yōu)化后的路由選擇算法可降低列車傳感網(wǎng)的功耗以及丟包率，提高線型傳感網(wǎng)的生命周期和可靠性，與傳統(tǒng)線型無線傳感網(wǎng)對比表現(xiàn)出很大優(yōu)勢，對貨運(yùn)列車線型無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)設(shè)計極具參考價值。

關(guān)鍵詞：高可靠；線型網(wǎng)絡(luò)；IEEE802.15.4；低功耗；多路徑

DOI：10.11907/rjdk.172802

中圖分類號：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2018）005-0195-03

Abstract：IEEE802.15.4 self-organized wireless sensor network is analyzed to meet the low power consumption and high reliability requirements of the the freight train line monitoring sensor network system. Based on the REER protocol communication cost calculation method， RSL in IEEE802.15.4 network and residual energy situation，we make the high reliability data transmission path to reduce power consumption and improvereliability. According to the simulation test， the optimized routing algorithm can reduce the power consumption of the entire train sensor network and packet loss rate， and improve linear sensor network lifetime and reliability. It far outweighs the traditional linear wireless sensor network for its value in freight train line wireless monitoring network design.

Key Words：highly reliable； linear network； IEEE802.15.4； low power； multipath

0 引言

物流裝備正朝著智能化方向發(fā)展，行進(jìn)貨運(yùn)列車狀態(tài)監(jiān)測對列車結(jié)構(gòu)疲勞程度評估、預(yù)防事故發(fā)生、貨物追蹤有著重要意義。鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)沒有成熟的低功耗、高可靠自組傳感網(wǎng)設(shè)計方案，基于leach協(xié)議改進(jìn)的傳統(tǒng)線型無線傳感網(wǎng)仍存在許多難以解決的弊端，貨運(yùn)列車要實(shí)現(xiàn)各部位無線監(jiān)測面臨以下問題：①采用無線通信的監(jiān)測系統(tǒng)，由于通信能耗很大，很難解決能量供應(yīng)難題；②傳統(tǒng)無線傳感網(wǎng)無法滿足鐵路行業(yè)高可靠性要求，存在數(shù)據(jù)丟失嚴(yán)重、組網(wǎng)不靈活等問題。因此，線型傳感網(wǎng)降低丟包率和能耗，對提高系統(tǒng)可靠性、延長網(wǎng)絡(luò)生命周期有著重要意義。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，近年出現(xiàn)的IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)因其物理層的能量高效性和魯棒性，以及介質(zhì)接入控制（media access control，MAC）子層的靈活性[1]，非常適合工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。與其它無線通信技術(shù)相比，具有復(fù)雜度低、布線成本極低、功耗很小及較高的抗干擾與多徑時延干擾能力，因此IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)成為工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域非常重要的通信協(xié)議。本文首先對IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究，通過實(shí)驗(yàn)分析得出無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中存在的問題，然后針對問題進(jìn)行剖析并查閱相關(guān)資料，結(jié)合REER無線傳輸算法模型進(jìn)行改進(jìn)，即參照IEEE802.15.4無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)剩余能量和RSL[2]等因素，加入分層策略，得出最終優(yōu)化方案。與傳統(tǒng)線型無線傳感網(wǎng)進(jìn)行仿真，對比得出改進(jìn)算法的優(yōu)勢，為貨運(yùn)列車線型無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)設(shè)計提供參考方案，見圖1。

1 相關(guān)工作

文獻(xiàn)[3]介紹了無線傳感網(wǎng)的可靠性建模，分別從信道質(zhì)量、傳感點(diǎn)剩余能量、信噪比、跳數(shù)、節(jié)點(diǎn)緩存等方面進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，分析得出各算法的優(yōu)缺點(diǎn)。文獻(xiàn)[4]基于節(jié)點(diǎn)能量、節(jié)點(diǎn)緩存、信噪比建立可靠性計算模型。文獻(xiàn)[5]根據(jù)信道質(zhì)量、跳數(shù)、期望可靠性計算出保證至少一個原始數(shù)據(jù)包到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)所需的數(shù)據(jù)包拷貝數(shù)，以較小的通信開銷、較低的時延達(dá)到期望可靠性，但忽略了節(jié)點(diǎn)能耗和鏈路質(zhì)量問題。文獻(xiàn)[6]根據(jù)文獻(xiàn)[4]的標(biāo)準(zhǔn)模型，建立冗余路徑算法，降低了時延和能耗，提高了可靠性。但沒有考慮較為苛刻環(huán)境下的無線干擾問題。

圖2是利用標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.4無線網(wǎng)進(jìn)行測試所得丟包率數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)能耗信息。從圖2（a）可以看出，隨著發(fā)射功率的增大，丟包率隨之降低，因此需要針對鐵路環(huán)境的具體狀況設(shè)置相應(yīng)的發(fā)射功率及休眠時間，從而提高網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量利用率；圖2（b）是網(wǎng)絡(luò)生命周期隨數(shù)據(jù)發(fā)送頻率變化的趨勢圖，從中可以看出，隨著數(shù)據(jù)發(fā)送頻率降低，網(wǎng)絡(luò)生存周期相應(yīng)變長，因此網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗優(yōu)化對網(wǎng)絡(luò)生命周期和數(shù)據(jù)傳輸路徑規(guī)劃影響極大。

2 模型優(yōu)化及路徑選擇

根據(jù)實(shí)驗(yàn)和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)分析，可建立能耗和可靠性模型進(jìn)行路徑規(guī)劃選擇。REER協(xié)議[6]提出一種多路徑路由協(xié)議，在路徑建立階段，利用代價方程綜合考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量、節(jié)點(diǎn)可用緩沖區(qū)大小以及信噪比，選擇最佳的下一跳節(jié)點(diǎn)。

本文基于IEEE 802.15.4無線網(wǎng)控制模式，結(jié)合IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)特性，將Iinterference，xy替換為IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)中RSLx，y進(jìn)行計算，忽略節(jié)點(diǎn)緩沖區(qū)因素得出單跳代價方程（2）：

根據(jù)單跳代價公式，通過累加得出單條成功通信路徑的總代價，見式（3）。根據(jù)IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)特性，每個節(jié)點(diǎn)至少會形成兩條上傳路徑，當(dāng)前傳輸路徑遇阻后，數(shù)據(jù)包隨即切換到備用路徑。為防止循環(huán)路徑產(chǎn)生，本文首先加入節(jié)點(diǎn)分層設(shè)計，層次由加入網(wǎng)絡(luò)的先后順序進(jìn)行規(guī)劃，然后基于得出的代價模型進(jìn)行通信路徑劃分，通過多條路徑同時傳輸，增加原始數(shù)據(jù)成功傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)的可靠性。

3 算法實(shí)現(xiàn)

3.1 算法流程

基于IEEE802.15.4無線傳感網(wǎng)絡(luò)特性，網(wǎng)絡(luò)管理由基站程序統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)，此設(shè)計方案擁有兩方面優(yōu)勢：①可減少因單個節(jié)點(diǎn)故障帶來的通信失敗概率；②可減少節(jié)點(diǎn)的計算能耗開銷[9]。算法分網(wǎng)絡(luò)信息初始化、路徑優(yōu)先級劃分以及數(shù)據(jù)的探測傳輸3部分實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。

（1）網(wǎng)絡(luò)信息初始化。基站與附近節(jié)點(diǎn)通信時，探測節(jié)點(diǎn)的能耗及其相鄰節(jié)點(diǎn)之間的信噪比信息，由基站按照TDMA分配連接時隙等通信資源?；具h(yuǎn)方節(jié)點(diǎn)依靠與網(wǎng)關(guān)連接的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行中繼通信，向網(wǎng)關(guān)發(fā)送能耗以及周圍信噪比信息，網(wǎng)關(guān)同時循環(huán)分配通信資源，劃分節(jié)點(diǎn)層次。以此類推，直到網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)都獲取穩(wěn)定的通信資源。

（2）路徑優(yōu)先級劃分?；精@取初始信息后，根據(jù)剩余能量和傳輸節(jié)點(diǎn)間的RSL，計算各條路徑通信代價，并根據(jù)通信代價進(jìn)行路徑優(yōu)先級劃分，得出數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)先路徑。首先設(shè)定優(yōu)先數(shù)據(jù)通信代價區(qū)間，然后根據(jù)得到的通信代價進(jìn)行歸類。代價值越大，路徑的優(yōu)先級越高，最終級別的優(yōu)先層次數(shù)由整個網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模決定。

（3）數(shù)據(jù)探測傳輸。傳輸路徑探測規(guī)劃完成后，即對數(shù)據(jù)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的逐跳傳輸。路徑遇阻后立即切換到次優(yōu)路線傳輸，直至數(shù)據(jù)成功傳輸?shù)絊ink節(jié)點(diǎn)或基站。

3.2 應(yīng)用模型

貨運(yùn)列車編解組頻繁，本模型利用IEEE802.15.4無線傳感可靈活自組特性[10]，快速實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自組以及修復(fù)。所有傳感節(jié)點(diǎn)按照線型分布于各車廂，根據(jù)算法模型進(jìn)行規(guī)劃組網(wǎng)。應(yīng)用模型如圖4所示。

（1）基站可部署于列車頭部車廂，節(jié)點(diǎn)分別部署于各車廂通信環(huán)境較好部位，整個網(wǎng)絡(luò)成線型分布，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的層次根據(jù)初始化信息劃分。

（2）根據(jù)我國貨運(yùn)列車制造標(biāo)準(zhǔn)，車廂平均長度≤13m，本文設(shè)計網(wǎng)路中單個節(jié)點(diǎn)高可靠通信距離≥100m[11]，每個節(jié)點(diǎn)可至少覆蓋前后兩節(jié)車廂，形成至少兩條通信路徑，如圖4中B1可通過A1與基站通信，也可直接與基站建立連接。

（3）根據(jù)（1）、（2）中的部署要點(diǎn)以及網(wǎng)絡(luò)特性，結(jié)合本文改進(jìn)算法模型，可進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)自組以及通信，快速實(shí)現(xiàn)對整個列車運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測。

4 仿真結(jié)果與分析

結(jié)合本文優(yōu)化后的算法模型，使用MATLAB仿真工具評估改進(jìn)后的算法性能。為提高本文算法的可行性，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.15.4無線傳感網(wǎng)測得的實(shí)際功耗數(shù)據(jù)（見表1）進(jìn)行相關(guān)仿真參數(shù)設(shè)置（α，β為仿真過程中得出的最優(yōu)解），并與傳統(tǒng)的基于leach協(xié)議線型無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行對比分析。

仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5、圖6所示。圖5是傳感節(jié)點(diǎn)隨通信進(jìn)行的輪數(shù)剩余能量的平均情況對比，從中可以看出本文優(yōu)化算法在節(jié)點(diǎn)能量消耗方面明顯小于基于leach協(xié)議改進(jìn)的線型算法；圖6是在較低RSL（鏈路可靠度）情況下，隨網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)增加的成功收包率趨勢對比圖，從中可以看出優(yōu)化算法在10個節(jié)點(diǎn)內(nèi)無優(yōu)勢，在大于10個節(jié)點(diǎn)后優(yōu)勢顯現(xiàn)。綜合以上仿真結(jié)果可知，基于REER優(yōu)化后的算法模型在降低功耗、提高可靠性方面具有一定的優(yōu)勢。

5 結(jié)語

本文針對傳統(tǒng)貨運(yùn)列車線型無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)需求，以及現(xiàn)有工業(yè)無線傳感能耗不均、可靠性低等問題，結(jié)合IEEE802.15.4無線傳感網(wǎng)優(yōu)勢，對REER無線傳感網(wǎng)路徑選擇算法進(jìn)行優(yōu)化。仿真結(jié)果表明，優(yōu)化后的算法可降低傳感網(wǎng)能耗，提高網(wǎng)絡(luò)生命周期。與傳統(tǒng)leach線型無線傳感網(wǎng)相比，在可靠性傳輸?shù)确矫婢哂休^大優(yōu)勢。本文的線型高可靠無線傳感網(wǎng)模型可拓展到如智慧城市中井蓋狀態(tài)監(jiān)測、能源建設(shè)的管道狀態(tài)監(jiān)測等線型應(yīng)用場景中。

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（責(zé)任編輯：杜能鋼）