智能家居無線自組織網(wǎng)絡(luò)沖突自適應(yīng)協(xié)議設(shè)計(jì)

曹天蕊，續(xù)欣瑩

(1.太原城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030027;2.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024)

0 引 言

隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和電子芯片設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷提高，以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為技術(shù)的智能家居逐步走向老百姓的生活[1-2]。無線傳感器以其低功耗和自組織無線網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)良特性在智能家居中得到了廣泛的應(yīng)用。智能家居系統(tǒng)中能夠?qū)⒓抑兴行枰O(jiān)測的單元連接起來，例如：網(wǎng)絡(luò)通信，家庭娛樂，空調(diào)系統(tǒng)，窗簾系統(tǒng)，消防系統(tǒng)，安防控制系統(tǒng)等等[3-4]。

以上各個(gè)系統(tǒng)的有效連接和信息收集來自于傳感器之間的多跳網(wǎng)絡(luò)協(xié)作，不同的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)上配有不同類型的低功耗感知單元，傳感器種類多種多樣，其中包括：光照，有毒氣體和溫度等等。節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了信息的感知，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了感知信息的快速傳遞，最終感知信息通過多跳的網(wǎng)絡(luò)協(xié)作方式，實(shí)現(xiàn)了感知信息的收集。

最早開始的智能家居中需要感知的信息量少，采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸相比有線的網(wǎng)絡(luò)接入成本更加低廉，易于部署，易于安裝[5]。但是，隨著智能家居的發(fā)展，現(xiàn)有智能家居系統(tǒng)中需要感知的數(shù)據(jù)越來越多，部署的無線傳感器也越來越多，多種傳感器之間不但需要高度協(xié)作，而且多個(gè)傳感器之間的感知數(shù)據(jù)需要盡快的傳遞到匯聚節(jié)點(diǎn)處，這樣就對智能家居系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸提出了新要求。

本文針對現(xiàn)有智能家居系統(tǒng)中多個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸容易受到網(wǎng)絡(luò)沖突擁塞的問題，對現(xiàn)有數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制進(jìn)行了改進(jìn)和提高，就現(xiàn)有智能家居系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議作了相應(yīng)的改進(jìn)，本文的貢獻(xiàn)如下：

(1)本文提出了一種面向智能家居中無線自組織網(wǎng)絡(luò)沖突自適應(yīng)的傳輸協(xié)議設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)感知信息的快速傳遞。當(dāng)遇到網(wǎng)絡(luò)擁塞和沖突的時(shí)候，該協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)沖突自適應(yīng)信息傳輸。

(2)沖突自適應(yīng)協(xié)議能夠通過沖突節(jié)點(diǎn)數(shù)量，動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)發(fā)送的概率看似降低，但從宏觀整體角度分析整個(gè)智能家居系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸吞吐量是提高的。

(3)在匯聚節(jié)點(diǎn)處提出了一種利用無線網(wǎng)狀(Mesh)網(wǎng)絡(luò)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)共同組成的雙匯聚節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)方法能夠根據(jù)此時(shí)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)流量來進(jìn)行雙匯聚節(jié)點(diǎn)的調(diào)度，實(shí)現(xiàn)了帶寬的優(yōu)化分配策略。

1 傳輸模型

匯聚樹協(xié)議(Collection Tree Protocol，CTP)是基于樹型結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議[6]。該協(xié)議中有些節(jié)點(diǎn)設(shè)置為根節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)通過多跳網(wǎng)絡(luò)，將感知的信息傳輸?shù)礁?jié)點(diǎn)處。如圖1所示，這是一個(gè)帶有多個(gè)根節(jié)點(diǎn)的樹形結(jié)構(gòu)匯聚數(shù)協(xié)議網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，本文研究的無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方式與此圖相同，其中0是匯聚節(jié)點(diǎn)。該協(xié)議中的鏈路層具備了如下功能：具有有效的廣播地址，提供數(shù)據(jù)包的確認(rèn)信息，提供字段分派以支持高層協(xié)議，單跳節(jié)點(diǎn)中包含數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)信息和目的節(jié)點(diǎn)信息。

圖1 匯聚數(shù)協(xié)議網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2 自適應(yīng)協(xié)議設(shè)計(jì)

2.1 協(xié)議設(shè)計(jì)原則

在智能家居中，節(jié)點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)物理世界信息的感知，隨著多種感知信息需要實(shí)時(shí)的收集，多種傳感器節(jié)點(diǎn)被大量部署，節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)基于競爭機(jī)制，競爭導(dǎo)致了節(jié)點(diǎn)沖突，需要解決通信沖突問題，此時(shí)需要設(shè)計(jì)一個(gè)能夠?qū)τ跊_突自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，本文設(shè)計(jì)原則如下：

(1)自適應(yīng)選擇競爭通信節(jié)點(diǎn)數(shù)，通過競爭節(jié)點(diǎn)數(shù)量選擇競爭節(jié)點(diǎn)的發(fā)送數(shù)量。競爭節(jié)點(diǎn)的數(shù)目需要尋找一個(gè)合適的值。競爭節(jié)點(diǎn)的數(shù)量如果過少，會(huì)浪費(fèi)了信道，減少了信道利用率；競爭節(jié)點(diǎn)的數(shù)量如果過多，會(huì)造成節(jié)點(diǎn)之間競爭增大，導(dǎo)致信息發(fā)送的失敗，影響了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)吞吐量和感知信息傳輸?shù)臅r(shí)延。

(2)對于匯聚節(jié)點(diǎn)處流量的帶寬分配需要進(jìn)行分配策略的優(yōu)化。對于高帶寬傳輸采用無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，但是如果在智能家居系統(tǒng)中采用無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)脑?，又不太合適。需要尋找“信源”自適應(yīng)選擇和帶寬自適應(yīng)分配策略來提高匯聚節(jié)點(diǎn)的通信帶寬自適應(yīng)分配能力。

2.2 沖突自適應(yīng)設(shè)計(jì)原理

單個(gè)時(shí)隙包含三種時(shí)隙狀態(tài)：空閑時(shí)隙Pidle，成功時(shí)隙Psuccess，發(fā)送信息的概率是Psend，對于N個(gè)節(jié)點(diǎn)來說，如果N個(gè)節(jié)點(diǎn)都沒有發(fā)送信息，此時(shí)信道的狀態(tài)為空閑，空閑時(shí)隙發(fā)生的概率為Pidle，表示如下：

Pidle=(1-Psend)N

(1)

對于成功時(shí)隙而言，有可能是超過一個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，接收節(jié)點(diǎn)成功接收了多個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)。此時(shí)，我們設(shè)定有i個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送成功。對于上一級的接收節(jié)點(diǎn)而言，當(dāng)超過一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送成功時(shí)，接收節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)的成功率會(huì)下降，所以需要引入接收函數(shù)Preceiver(k)[7]，表示如下

(2)

上式中，ξ是一個(gè)零均值的高斯變量，σ2代表了方差，γ代表了接收節(jié)點(diǎn)和發(fā)送節(jié)點(diǎn)之間的距離，對于成功時(shí)隙發(fā)生的概率為Psuccess，表達(dá)式如下：

(3)

經(jīng)上文分析到，信道的狀態(tài)只有三種情況，空閑，成功，沖突，所以對于沖突時(shí)隙的發(fā)生的概率Pcollision，表達(dá)式如下：

Pcollision=1-Pidle-Psuccess

(4)

發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)之前，需要探測信道是否被占用，沖突自適應(yīng)機(jī)制就是發(fā)送節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)此時(shí)信道中競爭節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)來調(diào)制自身發(fā)送數(shù)據(jù)的概率。有些研究者對傳感器節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送信息的數(shù)量與最佳的節(jié)點(diǎn)發(fā)送概率做過研究[8]，結(jié)論如圖2所示。

圖2 同時(shí)發(fā)送節(jié)點(diǎn)最佳傳輸概率圖

圖2是對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)同時(shí)發(fā)送節(jié)點(diǎn)最佳傳輸概率的理論分析，但是對于智能家居系統(tǒng)而言不能直接應(yīng)用，沖突自適應(yīng)協(xié)議的建立應(yīng)當(dāng)從實(shí)際工程角度出發(fā)。本文根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)并經(jīng)過兩千組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析總結(jié)，對同時(shí)發(fā)送節(jié)點(diǎn)最佳傳輸概率圖進(jìn)行修正，結(jié)果如下：

圖3 同時(shí)發(fā)送節(jié)點(diǎn)最佳傳輸概率圖(修正后)

2.3 收集節(jié)點(diǎn)調(diào)度切換策略

在過去的智能家居系統(tǒng)中，需要感知的單元少，數(shù)據(jù)傳輸量有限，對于接收節(jié)點(diǎn)的帶寬要求不高，接收節(jié)點(diǎn)采用傳統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)就能夠滿足要求。但是，對于新型的智能家居系統(tǒng)而言，感知的單元數(shù)目眾多，對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求高，此時(shí)，我們需要引入高帶寬傳輸?shù)臒o線網(wǎng)狀節(jié)點(diǎn)作為接收節(jié)點(diǎn)[9]。

無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)能夠提供超過30 M的帶寬傳輸顯然能夠滿足新型智能家居的帶寬要求。但是，如果從能耗角度和部署便捷性角度來說，需要兼顧節(jié)點(diǎn)和無線網(wǎng)狀節(jié)點(diǎn)各自的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際工程角度需要根據(jù)實(shí)際帶寬與預(yù)定閾值相比較來切換不同的節(jié)點(diǎn)。(根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)，我們設(shè)定此時(shí)的閾值為200 k)當(dāng)系統(tǒng)判斷到接收節(jié)點(diǎn)的閾值超過200 k時(shí)，系統(tǒng)會(huì)切換到無線網(wǎng)狀節(jié)點(diǎn)作為接收節(jié)點(diǎn)。

2.4 協(xié)議工作流程

在發(fā)送節(jié)點(diǎn)處，發(fā)送節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)之前會(huì)探測信道，判斷信道是否被占用和此時(shí)同時(shí)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的數(shù)量個(gè)數(shù)。發(fā)送節(jié)點(diǎn)如果探測到信道沒有被占用就立即發(fā)送數(shù)據(jù)，如果探測到信道中此時(shí)有節(jié)點(diǎn)正在有接收節(jié)點(diǎn)通信，則會(huì)降低同時(shí)發(fā)送的概率，根據(jù)上文提到的最佳發(fā)送概率來發(fā)送數(shù)據(jù)。從局部看，是降低了發(fā)送節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)的概率，但是從宏觀來看，卻提高了系統(tǒng)的整體吞吐量。

在接收節(jié)點(diǎn)處，接收系統(tǒng)根據(jù)此時(shí)接收節(jié)點(diǎn)的實(shí)際數(shù)據(jù)流量智能的選擇采用傳統(tǒng)的無線傳感器還是采用無線網(wǎng)狀節(jié)點(diǎn)進(jìn)行切換，從而保證智能家居系統(tǒng)中接收節(jié)點(diǎn)的帶寬要求，工作流程圖如圖4所示：

圖4 協(xié)議工作流程圖

3 實(shí)驗(yàn)仿真與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)仿真設(shè)計(jì)

本文采用的仿真工具為OPNET軟件[10]，50個(gè)節(jié)點(diǎn)和2個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)包含兩種節(jié)點(diǎn)無線傳感器節(jié)點(diǎn)和無線網(wǎng)狀節(jié)點(diǎn)。普通節(jié)點(diǎn)之間隨機(jī)分布，隨機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適用于智能家居中不同區(qū)域位置節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳遞。有些節(jié)點(diǎn)之間的傳遞鏈路質(zhì)量良好，環(huán)境空曠；有些節(jié)點(diǎn)之間傳遞干擾嚴(yán)重；有些節(jié)點(diǎn)之間傳遞彼此之間競爭明顯。節(jié)點(diǎn)散落分布在10 m×12 m的環(huán)境內(nèi)，區(qū)域面積為120 m2符合現(xiàn)代智能家居的場地規(guī)模，具體設(shè)置如表1所示，系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。

表1 實(shí)驗(yàn)仿真場景參數(shù)設(shè)置

圖5 系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

在這些設(shè)置的基礎(chǔ)上增加了網(wǎng)絡(luò)沖突自適應(yīng)機(jī)制，模擬了一個(gè)智能家居系統(tǒng)中多個(gè)傳感器將感知數(shù)據(jù)經(jīng)過多跳傳輸，傳輸?shù)搅藚R聚節(jié)點(diǎn)處，從而完成了智能家居系統(tǒng)中各種感知數(shù)據(jù)的收集。本文對CTP協(xié)議[6]，基于路徑優(yōu)化的DC-CTP協(xié)議[11]和本文提出的基于沖突自適應(yīng)CA-CTP協(xié)議進(jìn)行仿真研究和性能分析。

3.2 實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果及分析

本節(jié)仿真實(shí)驗(yàn)將重點(diǎn)從準(zhǔn)確率和傳輸時(shí)延來綜合對三種協(xié)議進(jìn)行性能分析。準(zhǔn)確率代表了傳輸協(xié)議的可靠性，準(zhǔn)確率越高，協(xié)議魯棒性越好；傳輸時(shí)延代表了系統(tǒng)中數(shù)據(jù)從感知節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的時(shí)間，時(shí)延越小，系統(tǒng)的收集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性越強(qiáng)，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)性能越好。

我們在對系統(tǒng)的傳輸準(zhǔn)確率分析時(shí)采用了兩種網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷來進(jìn)行驗(yàn)證，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷分別是2包/s和10包/s。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較小時(shí)，如圖6所示，多個(gè)節(jié)點(diǎn)之競爭程度小，各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間能夠有序的傳輸感知數(shù)據(jù)，對于我們仿真智能家居系統(tǒng)中，不管是采用哪種傳輸協(xié)議，基本都能夠維持在98.27%以上傳輸準(zhǔn)確率。

圖6 系統(tǒng)傳輸準(zhǔn)確率的隨時(shí)間變化圖(網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷2包/秒)

圖7 系統(tǒng)傳輸準(zhǔn)確率的隨時(shí)間變化圖(網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷10包/秒)

隨著傳輸系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷加重，節(jié)點(diǎn)之間的競爭程度也加大了。如圖6所示，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后，各自節(jié)點(diǎn)才建立起適合自己傳輸?shù)穆窂酵ǖ?，系統(tǒng)的準(zhǔn)確率才有了再次的提升。但是隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的增加，本文提出的CA-CTP協(xié)議的沖突自適應(yīng)策略能夠根據(jù)智能家居中節(jié)點(diǎn)多跳傳輸?shù)木唧w情況有效的調(diào)節(jié)同時(shí)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，降低了節(jié)點(diǎn)之間的競爭程度。在網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷重的情況下，相比于CTP協(xié)議和DC-CTP協(xié)議，CA-CTP協(xié)議能夠明顯提高感知信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確率。

接下來，我們將從系統(tǒng)的傳輸時(shí)延角度來對三種協(xié)議進(jìn)行評價(jià)。我們在對系統(tǒng)分析時(shí)同樣采取網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷小和網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷重兩種情況來進(jìn)行分析。

我們進(jìn)行了50次仿真實(shí)驗(yàn)，分別對三種傳輸協(xié)議采用相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來進(jìn)行測試。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷小時(shí)，三種傳輸協(xié)議的系統(tǒng)傳輸時(shí)延較小，相比其他兩種傳輸協(xié)議，CA-CTP由于遵循了沖突自適應(yīng)機(jī)制，能夠有效的降低節(jié)點(diǎn)之間的沖突，而且系統(tǒng)的傳輸時(shí)延抖動(dòng)較小，如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)傳輸時(shí)延圖(網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷2包/秒)

隨著系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷加重，三種協(xié)議的系統(tǒng)傳輸時(shí)延明顯增加(如圖9所示)。CTP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)延遲增加的最明顯，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)之間競爭程度厲害，傳輸沖突增加。DC-CTP是基于路徑的優(yōu)化，在拓?fù)涞穆窂竭x擇中降低了節(jié)點(diǎn)競爭。CA-CTP利用了沖突自適應(yīng)機(jī)制在競爭節(jié)點(diǎn)之間，有效地調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)之間的競爭程度。從圖中能夠明顯的看出CA-CTP協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)符合較重的情況下，相比其他兩種傳輸協(xié)議具有明顯的優(yōu)勢，而且系統(tǒng)的傳輸時(shí)延抖動(dòng)較小，節(jié)點(diǎn)重傳次數(shù)減少，增加了系統(tǒng)的生命周期。

圖9 系統(tǒng)傳輸時(shí)延圖(網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷10包/秒)

4 結(jié) 語

文章詳細(xì)分析了現(xiàn)有智能家居系統(tǒng)中無線自組織網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的傳輸問題，對于多傳感器節(jié)點(diǎn)的多跳傳輸問題提出了一種沖突自適應(yīng)協(xié)議。通過自適應(yīng)選擇競爭通信節(jié)點(diǎn)數(shù)和匯聚節(jié)點(diǎn)通信帶寬自適應(yīng)分配，實(shí)現(xiàn)了在智能家居系統(tǒng)中感知信息的高效收集方案。通過多次的仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本文提出的沖突自適應(yīng)CA-CTP協(xié)議能夠有效的提高智能家居系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的收集效率，盡最大程度減少系統(tǒng)傳輸時(shí)延。