基于智能天線的定向傳播路由協(xié)議在WSAN中的應(yīng)用

摘" 要： 在無線傳感器及執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)（WSAN）中，節(jié)點的協(xié)作需要通過路由協(xié)議進(jìn)行大量的信息轉(zhuǎn)發(fā)。傳統(tǒng)使用全方向天線的節(jié)點存在能耗高、傳輸延遲高、數(shù)據(jù)包傳遞率低的問題。文中基于智能天線，將定向傳播路由協(xié)議（ADA）應(yīng)用于WSAN網(wǎng)絡(luò)中，通過定向的轉(zhuǎn)發(fā)信息減小節(jié)點能耗，降低傳輸延遲，提高數(shù)據(jù)包傳遞率。最后，通過Matlab對ADA協(xié)議和其他使用全方向天線的節(jié)點通信協(xié)議的性能進(jìn)行仿真對比。實驗結(jié)果表明，在節(jié)點能耗、數(shù)據(jù)包傳送延遲和數(shù)據(jù)包傳遞率方面，基于智能天線的ADA協(xié)議優(yōu)于其他使用全方向天線的節(jié)點通信協(xié)議。

關(guān)鍵詞： WSAN網(wǎng)絡(luò); 智能天線; 定向傳輸; 節(jié)點區(qū)域劃分; 定向轉(zhuǎn)發(fā); 定向傳播路由協(xié)議

中圖分類號： TN915.04?34" " " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A" " " " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2019）21?0028?04

Abstract： In wireless sensor and actor networks （WSAN）， node cooperation requires a lot of information forwarding through routing protocols. Traditional nodes using omnidirectional antenna have the problems of high energy consumption， high transmission delay and low transmission rate of data package. In this paper， actor?oriented directional anycast （ADA） routing protocol is used in WSAN on the basis of smart antenna. Finally， the performance of ADA protocol and other protocols using omnidirectional antenna are simulated and compared by Matlab. The experimental results show that ADA protocol based on the smart antenna is superior to other protocols using omnidirectional antenna in terms of packet transmission delay， node energy consumption and packet transmission rate.

Keywords： WSAN; smart antenna; directional transmission; node area division; directional forwarding; ADA routing protocol

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，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)計利用了智能天線[1]，為能量受限的傳感器節(jié)點實現(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)點的定向天線模型，提供了真實傳感器節(jié)點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)點和執(zhí)行器節(jié)點上[4]，實現(xiàn)WSAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點信息定向傳輸?shù)墓δ堋?/p>

1.2" 定向傳輸

在WSAN網(wǎng)絡(luò)中，源節(jié)點到目標(biāo)節(jié)點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)點會在其路由表中搜索目標(biāo)節(jié)點的路由信息。如果目標(biāo)節(jié)點的路由信息不可用，則會觸發(fā)路由發(fā)現(xiàn)。節(jié)點的鄰域空間將被劃分，節(jié)點將根據(jù)區(qū)域的劃分模型信息計算傳輸方向，然后使用計算的傳輸方向調(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)計的定向傳播路由協(xié)議。將ADA協(xié)議用于WSAN網(wǎng)絡(luò)，每個節(jié)點都會帶有智能天線，可以通過定向傳輸與其他節(jié)點進(jìn)行通信。研究證明WSAN中的傳感器節(jié)點無需節(jié)點中的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，源節(jié)點將啟動一個數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包會經(jīng)過多個sensor節(jié)點和執(zhí)行器actor節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)。根據(jù)節(jié)點鄰域空間的劃分，節(jié)點只需要向特定方向的鄰近節(jié)點轉(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)點到達(dá)目標(biāo)節(jié)點，如圖1所示。

2.1" 節(jié)點優(yōu)先級

為了改善網(wǎng)絡(luò)生存期，ADA協(xié)議強調(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)點選擇過程中，actor節(jié)點會比sensor節(jié)點具有更高的優(yōu)先級。原因是，WSAN網(wǎng)絡(luò)是一種節(jié)點能量分布失衡的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，actor節(jié)點是資源豐富的設(shè)備，而與actor節(jié)點相比，sensor節(jié)點的資源是非常有限的。sensor節(jié)點能量耗盡會使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)點的能量消耗。為了提高網(wǎng)絡(luò)壽命，轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點優(yōu)先選擇actor節(jié)點，減少sensor節(jié)點的能耗。

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圖1" ADA協(xié)議的定向轉(zhuǎn)發(fā)

Fig. 1" Directional retransmission of ADA protocol

2.2" 節(jié)點鄰域空間劃分

為了利用資源豐富的actor節(jié)點的能力，可以將節(jié)點的鄰域空間劃分為幾個較大的區(qū)域。原因是網(wǎng)絡(luò)中actor節(jié)點較少，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，加大了sensor節(jié)點的能量消耗。

文獻(xiàn)[7]提出一種合適的節(jié)點區(qū)域劃分模型。以某一個節(jié)點的位置作為球心，以該節(jié)點的最大通信距離作為球半徑，形成一個球形空間，這叫作節(jié)點一跳鄰域空間。本文根據(jù)節(jié)點的區(qū)域劃分模型，并根據(jù)源節(jié)點和目標(biāo)節(jié)點的相對位置，對節(jié)點的鄰域空間進(jìn)行劃分。節(jié)點的鄰域空間劃分如圖2所示。

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

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

2） 以目標(biāo)節(jié)點2的位置為起點，向球形空間[V1]引兩條切線[L1]和[L2]，并定義兩個切點分別為點[B]和點[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1，交球形空間于點[D]和點[E]，[D]和[E]坐標(biāo)分別為（[xd，yd，zd]）和（[xe，ye，ze]）。

4） 定義由[BCDE]四點切割球形空間[V1]所得的區(qū)域為源節(jié)點1的前向鄰域區(qū);由[ACDE]四點切割球形空間[V1]所得的區(qū)域為源節(jié)點1的左鄰域區(qū);由[ABDE]四點切割球形空間[V1]所得的區(qū)域為源節(jié)點1的右鄰域區(qū)。三個區(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[j]所屬的區(qū)域，作出節(jié)點[j]在平面[ABC]上的投影點[j]，坐標(biāo)為（[xj，yj，zj]），其中，[dij]，[dsj]，[daj]，[dbj] 和 [dcj] 分別為投影點[j]到源節(jié)點1、目標(biāo)節(jié)點2、點[A]、點[B]和點[C]的距離，[dis]為源節(jié)點1到目標(biāo)節(jié)點2的距離，[θsij]為點 [j]與源節(jié)點1和目標(biāo)節(jié)點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)點啟動路由發(fā)現(xiàn)進(jìn)程。在ADA協(xié)議中，只需要源節(jié)點和目標(biāo)節(jié)點的相對位置，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)點和目標(biāo)節(jié)點的相對位置，源節(jié)點向特定方向廣播并發(fā)送一個路由請求（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制計算的[5]，在計算相對位置后，目標(biāo)節(jié)點將向源節(jié)點發(fā)送帶有計算位置的路由回復(fù)（ROUTE REPLY，RREP）消息。源節(jié)點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)點鄰域空間的劃分，節(jié)點只需要向?qū)儆谇跋騾^(qū)域[R1]的鄰近節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)還附加了目標(biāo)節(jié)點的位置、路由信息和節(jié)點ID，計算方向還用于確定前向區(qū)域[R1]最近的actor節(jié)點信息。如果得到了最近的actor節(jié)點信息，則發(fā)送節(jié)點首先檢查最近的actor節(jié)點和目標(biāo)節(jié)點之間的相對位置。此過程是為了避免從發(fā)送節(jié)點到actor節(jié)點的距離比到目標(biāo)節(jié)點更長的次優(yōu)問題。如果最近的actor節(jié)點比目的地更近，則數(shù)據(jù)包將根據(jù)其相對位置，通過最近的actor節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)到目的地。

如果發(fā)送節(jié)點是傳感器節(jié)點，并且最近的actor節(jié)點不存在或離目標(biāo)節(jié)點比較遠(yuǎn)，則數(shù)據(jù)包將轉(zhuǎn)發(fā)到該方向最近的下一個躍點，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)隨機部署了1 000個靜態(tài)的sensor節(jié)點，并有多個actor節(jié)點。

本文主要從三個方面進(jìn)行比較：數(shù)據(jù)包傳送延遲;傳感器節(jié)點的平均能耗比;數(shù)據(jù)包可靠性。部署環(huán)境中隨機產(chǎn)生一個向目標(biāo)節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的請求，由第一個收到請求的節(jié)點作為源節(jié)點并發(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)點時，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)點較少時，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)點數(shù)量增加到20，30，40和50時，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，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)點相比，具有豐富的能量容量和更高傳輸范圍的actor節(jié)點加速了數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)將actor節(jié)點的數(shù)量從10增加到40時，大多數(shù)的sensor節(jié)點可以輕松地找到最近的actor節(jié)點作為轉(zhuǎn)發(fā)錨點，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。當(dāng)增加actor節(jié)點的數(shù)量時，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)點來與傳感器節(jié)點共同承擔(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)點時， 傳感器節(jié)點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)點的數(shù)據(jù)傳輸，這對于提高WSAN網(wǎng)絡(luò)的生存時間是有利的。

數(shù)據(jù)包可靠性是WSAN網(wǎng)絡(luò)的一個重要因素。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)點生成的消息總數(shù)和目標(biāo)節(jié)點上接收消息的數(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)點時，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。

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)議強調(diào)了豐富資源的actor節(jié)點的重要作用，并為sensor節(jié)點節(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。通過大量的實驗?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。

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