基于智能天線的定向傳播路由協議在WSAN中的應用

黃艷國，陳 超，房 罡，李向邯，韓 亮

（江西理工大學電氣工程與自動化學院，江西贛州 341000）

0 引 言

無線傳感器及執(zhí)行器網絡（Wireless Sensor and Actor Networks，WSAN）通過在原有的無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks，WSN）中添加執(zhí)行器（actor）節(jié)點，能夠實現自主決策和自主控制設施環(huán)境。WSAN 在工業(yè)自動化、網絡化機器人和戰(zhàn)術軍事中有潛在的應用前景。

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，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 網絡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)行器之間能夠進行協同通信，以實現整體的應用目標。傳感器與執(zhí)行器之間的協同能夠提供路徑建立功能，以支持事件數據從傳感器傳輸到執(zhí)行器。WSAN網絡需要一個合適的路由協議，使傳感器和執(zhí)行器之間能夠協作，提高整體網絡的能效。

本文將定向傳播（Actor-oriented Directional Anycast，ADA）路由協議用于WSAN 網絡中。ADA 協議的設計利用了智能天線[1]，為能量受限的傳感器節(jié)點實現定向傳播。在大量用于無線傳感器網絡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 協議用于多跳WSAN網絡。

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，通過相應的控制算法來調節(jié)天線各陣元信號的加權幅度和相位，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。智能天線已經廣泛地應用于傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)，并逐漸應用于更多的領域。在WSAN 網絡中，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WSAN 網絡節(jié)點信息定向傳輸的功能。

1.2 定向傳輸

在WSAN 網絡中，源節(jié)點到目標節(jié)點的定向傳輸能夠減少信息的轉發(fā)次數，進而減少節(jié)點的能量損耗，延長WSAN網絡的整體壽命。在定向傳輸的初始階段，源節(jié)點會在其路由表中搜索目標節(jié)點的路由信息。如果目標節(jié)點的路由信息不可用，則會觸發(fā)路由發(fā)現。節(jié)點的鄰域空間將被劃分，節(jié)點將根據區(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節(jié)智能天線信號的范圍。

2 ADA 協議

ADA 協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 網絡設計的定向傳播路由協議。將ADA 協議用于WSAN 網絡，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，就可以準確地定位自身位置[5-6]。根據這些研究，可以假定已經知道了每個傳感器和執(zhí)行器的位置。當WSAN 中有轉發(fā)數據的服務請求時，源節(jié)點將啟動一個數據包，數據包會經過多個sensor 節(jié)點和執(zhí)行器actor 節(jié)點的轉發(fā)。根據節(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)點轉發(fā)數據包，并將相應的目標區(qū)域保存在路由表中以供以后使用。經過多次定向轉發(fā)，數據包從源節(jié)點到達目標節(jié)點，如圖1 所示。

2.1 節(jié)點優(yōu)先級

為了改善網絡生存期，ADA 協議強調了豐富資源角色在定向傳輸路由中的重要作用。在轉發(fā)數據的節(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 網絡是一種節(jié)點能量分布失衡的異構網絡，actor 節(jié)點是資源豐富的設備，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 網絡出現信號空洞，所以網絡的壽命關鍵取決于sensor 節(jié)點的能量消耗。為了提高網絡壽命，轉發(fā)的節(jié)點優(yōu)先選擇actor節(jié)點，減少sensor節(jié)點的能耗。

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。原因是網絡中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[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。本文根據節(jié)點的區(qū)域劃分模型，并根據源節(jié)點和目標節(jié)點的相對位置，對節(jié)點的鄰域空間進行劃分。節(jié)點的鄰域空間劃分如圖2 所示。

源節(jié)點1 的坐標為（x1,y1,z1），目標節(jié)點2 的坐標為（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 與目標節(jié)點2 的連線L0，與球形空間V1交于點A，點A坐標為（xa,ya,za）。

2）以目標節(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、目標節(jié)點2、點A、點B和點C的距離，dis為源節(jié)點1 到目標節(jié)點2 的距離，θsij′為點j′與源節(jié)點1 和目標節(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

如果目標的路由信息不可用，則由源節(jié)點啟動路由發(fā)現進程。在ADA 協議中，只需要源節(jié)點和目標節(jié)點的相對位置，而不像其他路由協議需要完整的路由通信[8]。在此階段中，根據源節(jié)點和目標節(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 數據包將被定向轉發(fā)直到到達目的地。目標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，目標節(jié)點將向源節(jié)點發(fā)送帶有計算位置的路由回復（ROUTE REPLY，RREP）消息。源節(jié)點將此信息存儲在路由表中，以便以后進行路由。為了減小路由表的大小，ADA 協議的路由信息非常簡單，只包含目標地址及其相對位置。

2.4 定向轉發(fā)操作

根據節(jié)點鄰域空間的劃分，節(jié)點只需要向屬于前向區(qū)域R1的鄰近節(jié)點轉發(fā)數據包。節(jié)點轉發(fā)的數據還附加了目標節(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，則數據包將根據其相對位置，通過最近的actor節(jié)點轉發(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)點不存在或離目標節(jié)點比較遠，則數據包將轉發(fā)到該方向最近的下一個躍點，以節(jié)省傳感器能量。數據包將連續(xù)轉發(fā)，直到到達最終目標。

3 仿真和性能分析

為了評價WSAN 網絡中ADA 協議的性能，采用Matlab 軟件進行仿真，將三維環(huán)境下的ADA 協議的性能與傳統(tǒng)的全方向天線的協議進行比較。在沒有障礙物的部署環(huán)境中，ADA 協議將與一種定向集群路由協議（Directional Multi-hop Clustering Routing Protocol，DMCR）[9]以及一種WSAN 的有效協調路由協議（Efficient Coordination and Routing Protocol，ECR）[10]進行對比。WSAN 網絡區(qū)域內隨機部署了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行比較：數據包傳送延遲；傳感器節(jié)點的平均能耗比；數據包可靠性。部署環(huán)境中隨機產生一個向目標節(jié)點轉發(fā)數據的請求，由第一個收到請求的節(jié)點作為源節(jié)點并發(fā)起轉發(fā)。仿真參數如表1所示。

從圖3 中可以看到在部署不同數量的actor 節(jié)點時，WSAN 使用每種協議所得到的平均端到端數據包傳送延遲。圖3 顯示，當actor 節(jié)點較少時，ADA 協議的端到端數據包傳送延遲與DMCR，ECR 相近。當actor 節(jié)點數量增加到20，30，40 和50 時，DMCR，ECR 的端到端數據包傳送延遲幾乎沒有變化，但ADA 協議的性能有著顯著的提高。結果證明了ADA 協議的優(yōu)點，ADA 協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)點加速了數據包的轉發(fā)。當將actor 節(jié)點的數量從10 增加到40 時，大多數的sensor 節(jié)點可以輕松地找到最近的actor 節(jié)點作為轉發(fā)錨點，ADA 協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，可以看出其他協議（ADA 協議除外）不會受益于部署更多有豐富資源的actor 節(jié)點。當增加actor 節(jié)點的數量時，平均能耗不會有太大的變化。原因是這些協議不利用有豐富資源的actor 節(jié)點來與傳感器節(jié)點共同承擔轉發(fā)開銷。幾種協議中，ADA 協議達到了傳感器節(jié)點的最高能效，即與其他協議相比，ADA 協議有最長的網絡工作壽命。當網絡中存在更多actor 節(jié)點時，傳感器節(jié)點的能量消耗大大減少，網絡生存期將顯著增加。ADA 協議的消息包數量更少，這是由于定向傳輸排除了遠離目標節(jié)點的數據傳輸，這對于提高WSAN網絡的生存時間是有利的。

圖4 傳感器節(jié)點的平均能耗Fig.4 Average energy consumption of sensor nodes

數據包可靠性是WSAN 網絡的一個重要因素。圖5展現了不同數量的數據包下，各種協議的數據包傳遞比率。數據包傳遞比率即源節(jié)點生成的消息總數和目標節(jié)點上接收消息的數量之比。與其他協議相比，ADA協議數據包傳遞率更高。當部署更多的actor 節(jié)點時，ADA 協議數據包傳遞率逐漸增加，并保持在92%以上。在數據包可靠性方面，ADA 協議具有優(yōu)勢。

圖5 不同數量的數據包下的數據包傳遞比率Fig.5 Data packet delivery ratio of different number of data flows

4 結 論

本文提出基于智能天線的定向傳播路由協議在WSAN 中的應用。ADA 協議利用智能天線和定向傳輸對WSAN 網絡的端對端的數據傳遞進行了改善，減少了數據的傳輸和接收，降低了數據包的傳送延遲。ADA協議強調了豐富資源的actor 節(jié)點的重要作用，并為sensor 節(jié)點節(jié)省能源，進而延長了WSAN 網絡的工作壽命。ADA 協議提高了數據包的傳遞率，使WSAN 網絡數據傳遞的可靠性得到了增長。通過大量的實驗模擬證明了ADA 協議在數據包傳送延遲、網絡生命周期和數據包可靠性方面均優(yōu)于其他全方向天線的協議。