面向移動匯點的無線傳感網協同判斷策略

中國移動通信集團江蘇有限公司鎮江分公司

宋嘯天 秦尓楠 劉 欣 戴 健 曹慶皇 劉志堅 石春磊 王 坤 狄 源

0 引言

目前，已有的針對節點固定場景[1]下的判斷條件在移動場景下未必能很好適用，當目的節點為可移動的Sink（匯點）時，它與源節點的通信時間有限，若由于信道不佳的原因形成源節點在有限時間內無法完成數據的傳輸工作。本文綜合考慮移動Sink的停留時間和源節點與Sink進行數據傳輸的傳輸耗時[2-4]，針對Sink的移動性及因信道質量[5]不良導致傳輸性能不佳的問題，根據中繼節點的自身情況，合理選擇單個協同伙伴進行協同傳輸，實現理想的通信性能。本文提出一種面向移動Sink場景下的協同判斷策略（collaborative strategy based on the residence time，CSBR）：若源節點在Sink停留時間內可以獨自完成數據傳輸，此時源節點無需進行協同；否則源節點需要尋求協同伙伴，協同完成傳輸過程。

1 分析場景的建立

設無線傳感器網絡場景為矩形區域，區域內包含一個源節點S、n個中繼節點Ri，以及一個作為目的節點D的移動Sink。源節點和中繼節點是處理能力較強、能量有限的通信節點，Sink是處理能力很強、能量無限的通信節點。

為了有效地對場景模型進行分析，場景中涉及的參量主要是物理層參量和MAC（媒體接入控制）[6]層參量。

在本文中，假設采用的調制方式均為MQAM（多進制正交幅度調制），且每個階段的調制階數均相同。在AWGN（加性高斯白噪聲）信道里，設最高瞬間誤碼率為Pe,max，Pe,max的表達式見式（1）。

其中，b是MQAM的調制階數，滿足M＝2b，酌為接收端的信噪比，Q表示反函數。

設本場景中的無線傳感器與Sink之間的數據通信MAC層采用的是 S鄄MAC（sensor MAC）協議，S鄄MAC 協議是一種采用競爭的分布式MAC層協議，它可以在主節點不進行任何調度的條件下完成傳感器節點搜索相鄰節點的工作，并能夠安排合理的信道占用時間。

在分布式協調（DCF）工作方式下，若節點監聽到無線信道正處于繁忙狀態下后，通過采用隨機退避時間和CSMA/CA（載波檢測多址/沖突避免）機制來實現無線信道的共享，以盡可能地降低無線信道中信號的沖突。此外，所有的定向通信都通過ACK（確認）幀采用主動確認機制；如果沒有收到ACK幀，發送方將進行數據的重新傳輸。

下面給出了S鄄MAC協議中的參量描述。

IFS是IEEE802.11規定的幀間隙，SIFS是最短幀間隔，DIFS是長幀間隙，RTS是請求發送幀，CTS是允許發送幀，ACK是確認信息幀。

在后續的分析中所涉及的物理層參數設置和MAC層參數設置如表1所示。

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2 基于停留時間的協同判斷策略

為了解決移動場景中判斷是否需要協同的問題，本文提出了一種基于停留時間的協同判斷策略，通過對停留時間和數據傳輸耗時的分析，可以判斷出源節點是否需要協同。

2.1 移動Sink的停留時間計算

針對Sink節點處于移動狀態下的情況，源節點與Sink進行數據傳輸時應該考慮它們之間的有效通信時間，即Sink的停留時間。只有當停留時間足夠進行數據傳輸時，源節點才能開始進行通信傳輸，否則可以考慮尋找協同伙伴進行數據的傳輸工作。

Sink在場景內以速率vd做勻速運動，停留時間tstay可以采用勻速直線運動的一般方程式計算得出，如式（2）所示。

其中，dstay是Sink在源節點通信范圍內的運動距離。

2.2 移動Sink的傳輸耗時計算

根據CSBR策略，移動場景中，源節點S進行協同的判斷不僅需要計算Sink的停留時間，也要計算自身發送數據所要消耗的時間，即傳輸耗時ttr,sd。

在RTS/CTS接入方式下，傳輸過程可表示為RTS→CTS→data→ACK。在本章假設的場景中，考慮多用戶接入信道引起的沖突以及源節點因信道質量不良導致的數據重新傳輸，傳輸耗時ttr,sd可分為3部分：成功發送期耗時tsuccess、沖突期耗時tcollide和重傳數據耗時tmnor。

2.2.1 成功發送期耗時計算

成功發送期耗時tsuccess的數學表達式如下：

其中，ttr,data為在傳輸速率為Rb的條件下，傳輸長度為Ldata的數據包所需要的時間；tSIFS、tRTS、tCTS、tACK分別為在傳輸速率為 Rb的條件下，傳輸SIFS幀、RTS幀、CTS幀及ACK幀的耗時。

2.2.2 沖突期耗時計算

沖突期耗時tcollide的計算比較復雜，假設在沖突期內，一共經歷了nc次沖突，在第i次沖突發生時，第i次沖突的數據幀長度和退避時間長度分別記作Lcol,i和Lidle,i，Lcol,i和Lidle,i均是獨立同分布的。沖突期耗時tcollide的表達式為

其中，E[nc]是平均沖突次數，E[tcol]是平均傳輸沖突數據幀所耗時間，E[tidle]是平均退避時間。

2.2.3 重傳數據耗時計算

當源節點因信道質量不良導致數據重傳時，僅需要與Sink進行數據包和ACK幀通信，并不需要重新經歷RTS/CTS過程。

其中tsd,mnor為源節點向Sink發送數據包的重傳次數。根據上述分析，傳輸耗時tr,sd可改寫為

從（3）式可以看出，傳輸耗時與數據的重傳次數呈正比例關系，數據的重傳次數越多，節點的傳輸耗時越大。

通過誤包率的分析，下面給出重傳次數的計算結果。

源節點向Sink發送數據包的重傳次數的表達式為

其中，Pe,sd為源節點向Sink發送數據包的誤包率。根據信道狀況不同，不同數據包所需的重傳次數也不同，但是不能反復進行同一數據的傳輸。為了提高數據傳輸的質量，需要設置節點的最大重傳次數nmnor,max，當數據包都被接收端正確接收或者數據包經過nmnor,max次重傳后仍沒有成功正確接收時，節點不再進行該數據包的發送并將其從鏈路層的緩存器中移走。nmnor,max的選取主要的考慮因素是信道狀況，要能滿足大部分的數據包在重傳nmnor,max次后都能被正確接收。仿真中假設最大重傳次數nmnor,max＝3。

3 協同判斷策略

基于傳輸耗時和停留時間的協同判斷策略，本文結合實際應用場景，綜合考慮移動Sink的運動軌跡、運動速率等信息，提出了CSBR算法，對Sink的停留時間tstay以及源節點的傳輸耗時ttr,sd進行比較。當tstay≥ttr,sd時，源節點可以獨立完成數據的傳輸；當tstay＜ttr,sd時，源節點無法在有限的通信時間內完成數據的傳輸，此時它需要尋找協同伙伴進行協同傳輸。

當tstay＜ttr,sd時源節點需要進行協同的概率Pneed可表為

4 協同判斷策略分析

在表1的參量設置基礎上，分別給出了信噪比、源節點的通信范圍、數據包大小Lc,data以及Sink的運動速率vd對協同概率Pneed的影響曲線仿真圖。

如圖1所示，在數據大小Lc,data＝5 Mb、通信范圍為50 m，以及Sink的運動速率vd＝1 m/s的條件下進行10 000次樣本分析，隨著信噪比的上升，協同概率Pneed逐漸下降；在信噪比酌＜7 dB時，16QAM調制方式下的協同概率遠遠高于8QAM以及4QAM調制方式。

如圖2所示，當信噪比酌＝5 dB、運動速率vd＝1 m/s以及數據大小Lc,data＝5 Mb時，若節點的通信范圍逐漸增大，Sink在源節點可通信范圍內的停留時間也不斷增長，使源節點有較多的時間進行數據傳輸，導致源節點需要中繼節點進行協同的概率不斷下降。

在信噪比酌＝5 dB、通信范圍為50 m以及運動速率vd＝1 m/s的條件下，傳輸的數據包越大，需要協同的概率越大。這是因為隨著數據包大小的增加，在傳輸中發生錯誤的概率越大，很可能在停留時間內無法完成數據包的正確傳輸，這時需要尋找中繼節點協同傳輸，如圖3所示。

在圖4中，在相同信噪比酌＝5 dB、通信范圍為50 m以及以及數據包大小Lc,data，隨著Sink的運動速率vd提高，停留時間tstay變短，使得源節點的可通信時間變短，這也是導致協同概率提高的因素之一。

通過各圖可以看出，隨著調制階數的增加，協同概率始終呈上升趨勢。仿真結果表明：在節點移動的場景下，協同判斷策略與信噪比、源節點的通信范圍、傳輸數據的大小及Sink的運動速率密切相關。

[1] WANG X D, ZHAO X G, LIANG Z. Playing a wireless sensor network on the coal mines[C]// IEEE Intentional Conference on Networking, 2007,3:104-106.

[2] AI KARAKI JN, KAMAL A E. Routing techniques in wireless sensor networks: a survey[J]. IEEE Wireless Communications,2004,11(6): 372-385.

[3] INTANAGONWIWAT C, GOVINDAN R, ESTRIN D. Directed diffusion for wireless sensor networking [J]. IEEE/ACM Transactions, 2003,11: 2-16.

[4] EDGAR H. Wireless Sensor networks: Architectures and protocols[M]. Boca Raton: Auerbach Publications, 2004.

[5] GANESH S. Efficient localization scheme for wireless sensor networks[C]//Proceedings of the 4th International Conference on Wireless Communication and Sensor Networks, 2008, 37:73-76.

[6] JAYAWEERA S K. Virtual MIMO-based cooperative communication for energy-constrained wireless sensor networks[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications,2006,5(5): 984-989. ◆