WSN角度協作路由協議中的中繼選擇

鮑 芳，楊 文，張雪瑩

（廣東工業大學 自動化學院，廣東 廣州510006）

0 引 言

無線傳感器網絡 （wireless sensor networks，WSN）具有節點冗余分布及在能量供給、計算能力及通信能力等方面均受限等特點，且采集的數據多與地理位置信息相聯系，這使得無線傳感器網絡在利用地理位置信息方面比移動自組網更具有優勢，基于地理位置信息的路由非常適合于傳感器網絡［1－4］。由于無線通信中的多徑衰落嚴重影響鏈路質量，協作分集作為一種可以有效抵抗無線多徑衰弱的虛擬多天線技術被融入到無線傳感器網絡中，網絡中呈冗余分布的節點可以擁有一個或多個合作伙伴，每個節點在傳輸本節點信息的過程中可以分時利用自身的空間信道及其合作伙伴的空間信道，從而獲得一定的空間分集增益［5－6］。

已有的協作地理位置路由協議的研究表明中繼節點和目的節點之間的距離以及中繼節點和目的節點在源節點處的夾角等因素會影響數據包投遞率及路由算法的能量有效性等性能［7－11］。文獻 ［7］的研究指出，無線鏈路的鏈路質量與相應節點間的歐式距離存在著復雜的關系：距離發送節點較近的區域中的各節點數據包接收率比較一致，距離發送節點較遠區域的相近鄰節點的數據包的接收率卻波動較大。文獻 ［8］提出了一種基于鏈路質量的地理位置路由度量方法，通過周期性監聽鄰居節點發送的數據包，依據其中的鏈路層序列號估算出相應的鏈路質量，得到數據包在該鏈路上傳輸時所花費的代價。再根據節點的地理位置信息，分別計算出當前節點和鄰居節點與目的節點間的歐式距離，進一步得到鄰居節點將數據包向目的節點推進的程度，并將推進程度最大的鄰居節點選為下一跳節點。此算法改善了非理想鏈路上采用傳統貪婪度量的地理位置路由協議的數據包投遞率。

文獻 ［9］考慮到在多節點的無線傳感器網絡獲取和維持節點地理位置信息比較困難，而角度信息的獲取通常比地理信息的獲取容易，提出了一種隨機轉發角度協作路由協議。文獻 ［10］則通過NS仿真來驗證地理位置路由算法中的角度和距離組合的選取策略對路由算法性能的影響，指出對節點數較多的網絡采用先距離后角度的路由算法，對節點數較少的網絡采用先角度后距離的路由算法，能夠有效地提高路由算法的能量有效性。

在有關協作地理位置路由協議的研究中，大多數文獻采用仿真計算來驗證不同路由算法對網絡通信性能、網絡能量有效性等方面的改善。考慮到普通無線傳感器網絡節點的硬件限制及計算能力，本文擬在隨機轉發角度協作路由協議的中繼節點選擇算法中增加距離因素的考慮，并以無線傳感器網絡節點普遍具備的RSSI（received signal strength indicator）研究角度與距離對角度協作路由最佳中繼節點選擇的影響，通過仿真及Zigbee節點硬件實驗探討角度協作路由中擁有多個相同距離但不同角度偵聽節點以及具有相同角度但不同距離偵聽節點條件下最佳中繼節點的選擇問題。

1 角度協作路由協議的中繼節點選擇

有別于隨機轉發角度協作路由協議中將角度信息獨立作為偵聽節點競爭成為中繼節點的判斷條件，角度協作路由協議的中繼選擇對擁有相同角度優先級別的偵聽節點增加距離因素的考慮：擁有最高角度優先級別且距離最接近最佳中繼位置的偵聽節點將獲得最高優先級并成為中繼節點。

角度協作路由協議中繼選擇示意圖如圖1所示，以源節點S和目的節點D之間的連線作為橫坐標，源節點S的自身角度為00，其通信區域覆蓋范圍內 （圖1虛線圓周所圍）的可選協作節點為RA、RB、RC和RD。其中RA和RB具有相同的角度信息即與源節點的傾斜角為θ1，RC和RD的角度信息即與源節點的傾斜角分別為θ2和θ3，并且有｜θ3｜＞｜θ2｜＞｜θ1｜。

當節點RB處于休眠狀態時，源節點S僅擁有RA、RC和RD這3個偵聽節點，由于RA的角度信息值即傾斜角θ1最接近源節點的角度00，角度協作路由協議將采用文獻［9］隨機轉發角度協作路由協議的節點選擇算法：RA由于具有最高的角度優先級而被選為協作中繼節點來轉發源節點S的數據包。

圖1 角度協作路由協議中繼節點選擇

當節點RB由休眠狀態轉入活躍狀態，也加入成為源節點S的偵聽節點時，如何在擁有相同的傾斜角信息θ1但與源節點距離不同的偵聽節點RA和RB中選擇中繼節點？文獻 ［9］提出的隨機轉發角度協作路由協議未涉及這個問題。本文擬通過仿真及RSSI測距實驗探討在擁有相同角度信息但不同距離的多個偵聽節點中 （例如圖1的RA和RB）選擇中繼節點的問題。

2 實驗仿真

設無線傳感器網絡在100.0m×100.0m的二維平面包含60個節點，其中源節點和目的節點之間的距離為50.0m，其余節點部署在源節點通信區域覆蓋范圍內且與源節點的距離分別為1.0m～10.0m，具有15°、30°、45°及60°等不同角度信息，驗證在此仿真條件下隨機轉發角度協作路由協議目的節點的中斷概率。仿真結果如圖2所示，圖中4條曲線分別對應中繼節點與源節點的角度為15°、30°、45°及60°時目的節點處的中斷概率p，橫坐標d為中繼節點與源節點的距離。

圖2 隨機轉發角度協作路由協議中斷概率曲線

由圖2可以看到，在預設仿真條件下：①對于特定角度，目的節點的中斷概率p呈現兩頭大中間小的趨勢，即當中繼節點與源節點越近時，中繼節點與目的節點就越遠，目的節點的中斷概率會增大；當中繼節點與目的節點越近時，中繼節點與源節點就越遠，目的節點接收數據包的中斷概率亦會增大。②當中繼節點與源節點的距離d一定時，中繼節點傾斜角越大，目的節點的中斷概率亦越大。這是由于當中繼節點與源節點距離一定時，中繼節點擁有的角度信息值越大，該節點距離目的節點越遠，故目的節點處的中斷概率將增大。③對應不同中繼節點角度的4條曲線都有一個中斷概率的最低點，即最佳中繼位置。隨著角度的增大，最佳中繼位置與源節點的距離值也隨之變大。

由此可見，中繼節點具有的角度與距離將影響目的節點的中斷概率。為保證通信質量，無線傳感器網絡在目的節點大中斷概率條件下，中繼節點需要反復重傳數據包，增加了中繼節點的能量負擔，因此選擇最佳中繼節點將有助于無線傳感網絡節點在有效傳輸數據的情況下節省有限的能量資源，進而獲取更長的無線傳感器網絡壽命。

3 RSSI測距實驗

3.1 RSSI測距原理

RSSI測距普遍采用簡化的Shadowing模型［12］

式中：d——無線信號傳輸距離 （m），A——信號傳輸距離為1m時接收信號的功率 （dBm），典型值取－45.0dBm，RSSI為傳輸距離d米處接收節點的接收信號功率 （dBm），n為路徑損耗指數，是一個與環境相關的值。

由于無線信號的傳輸容易受到實際應用環境的影響，可以對測量結果即接收節點處的接收信號功率RSSI采用高斯模型處理，得到接收節點處接收消息信號強度有效測量值，再根據式 （1）確定傳輸距離d。

3.2 Zigbee節點測距

本實驗采用簡單的三節點通信模式，在空曠的戶外環境由多個Zigbee C51RF－CC2430節點分別充當源節點、目的節點和中繼節點。源節點S和目的節點D之間的實際距離｜SD｜0為50.0m，中繼節點R的角度分別為15°、30°、45°及60°。源節點發出一條消息，之后中繼節點向目的節點轉發其接收到的消息。當中繼節點與源節點的距離分別為1.0m～10.0m時，測量中繼節點處接收源節點消息的RSSI值及目的節點接收中繼節點轉發消息時的RSSI值，對于同一地理位置處節點的接收消息信號強度RSSI值重復測量 10 次，記 為RSSI［i］（i＝ 1，2，...，10），并 根 據 式（2）所表示的高斯模型對同一地理位置處節點的RSSI測量結果進行處理：當高斯分布函數值F（x）大于0.6時，對應的RSSI［i］被視為有效測量結果，計入該節點處的接收消息信號強度有效測量值的平均值計算，否則被視為無效測量值，將被舍去

某節點處的接收消息信號強度有效測量值RSSI由下式求得

式中：k——經過式 （2）篩選后入選的RSSI的個數，k＜i。高斯模型在一定程度減小了隨機因素對測試結果的影響。

表1為中繼節點角度值為15°、30°、45°及60°，中繼節點與源節點距離為1.0m～10.0m時，中繼節點和目的節點處的RSSI有效測量值，R（S）代表源節點發送時中繼節點處的RSSI有效測量值，D（R）代表中繼節點發送時目的節點處的RSSI有效測量值。

根據實驗環境，可設式 （1）中的n為3。由式 （1）及表1所示的RSSI有效測量值，可得到中繼節點與源節點之間距離的測量值｜SR｜及中繼節點與目的節點距離的測量值｜RD｜。

如圖1所示，已知｜SR｜、｜RD｜及｜SR｜與｜SD｜之間的夾角θ，可求出源節點S與目的節點D距離的測量值｜SD｜為

表1 中繼節點和目的節點處RSSI有效測量值

取式 （4）兩個解中符合實際意義的一個即為源節點與目的節點距離的測量值。基于不同位置中繼節點條件下源節點與目的節點距離的測量值｜SD｜見表2。

表2 基于不同位置中繼節點條件下的｜SD｜

由于源節點與目的節點距離的實際值｜SD｜0為50.0m，根據表2可以獲得不同位置中繼節點下的源節點與目的節點距離測量的相對誤差，如圖3所示。

圖3 源節點與目的節點距離測量相對誤差曲線

由圖3可以看到：①不同角度中繼節點下的距離測量相對誤差曲線都有一個最小值，基于該中繼節點的源節點與目的節點距離測量的相對誤差最小，該點即為中繼節點的最佳中繼位置；②隨著中繼節點偏離最佳中繼位置，基于中繼節點的源節點與目的節點距離的測量誤差也隨之增大。實驗所獲得的源節點與目的節點距離測量的相對誤差曲線與圖2的中斷概率仿真曲線相吻合。

本測距實驗從Zigbee節點接收的信號強度RSSI的角度驗證了在角度協作路由協議中，角度和距離兩個因素都影響最佳中繼位置的選擇，實際應用時偵聽節點可以根據節點角度信息以及由接收信號RSSI值轉換獲得的距離與最佳中繼位置的偏離程度兩個因素評估自身作為中繼節點的優先權，但角度協作路由協議中不同角度信息值對應的最佳中繼位置的確定有待進一步研究。

4 結束語

本文通過中斷概率曲線仿真及基于中繼節點的源節點與目的節點距離測量實驗探討了角度協作路由中繼節點的選擇問題。通過仿真隨機轉發角度協作路由協議不同位置中繼節點條件下目的節點接收中斷概率，指出最佳中繼位置的存在。在三節點測距模型中，利用RSSI測距原理間接測量源節點與目的節點的距離，并通過高斯模型處理測量結果，最終獲得基于不同位置中繼節點的源節點與目的節點距離的測量相對誤差。通過對此誤差及目的節點中斷概率仿真結果的對比分析，得出在角度路由協議中，中繼節點的選擇不僅與偵聽節點的角度有關，而且與其與源節點的距離有關。實際應用時偵聽節點可以根據節點角度信息以及由接收信號RSSI值轉換獲得的距離與最佳中繼位置的偏離程度兩個因素評估自身作為中繼節點的優先權。

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