基于時分多址的無源無線傳感器網絡多跳路由算法技術研究

寸怡鵬　唐濤　王　菲　姜德航　謝卓然

摘 要

無源無線傳感器網絡中選擇多跳路由進行數據傳輸時，很容易出現傳感器節點選擇不合理引發的過載現象，嚴重時會導致網絡癱瘓，這對網絡傳輸性能會產生很不利影響。本文對這種問題產生原因進行分析，而引入時分多址技術，并結合網絡拓撲特征，提出一種通過合理分配超幀時隙和選擇中繼節點的多跳路由算法。在無源無線傳感器網絡中部署多節點進行多跳路由傳輸測試，驗證了該多跳路由算法的可行性。

關鍵詞

無源無線傳感器網絡;多跳路由;時分多址

中圖分類號： TN929.5;TP212.9 ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.017

0 引言

隨著目前傳感器節點的尺寸功耗不斷降低，性能日益提升，其應用領域開始迅速擴大[1]。傳感器節點大部分都用到移動電源提供能量，這對其環境適用性產生一定不利影響。為有效地避免這一問題，無源無線傳感器網絡被研發出。無源無線傳感器網絡是指能夠收集能量，并且能采集數據、計算、組網傳輸數據的網絡，通常用于沒有穩定供電的應用場景[2]。

1 研究背景

圖1顯示了這種網絡的拓撲結構情況，分析可知其中的組成單元主要有傳感器節點和網關。可基于傳感器節點的位置進行劃分，而將這種網絡劃分為不同的區域，從1到H區。其中H代表總區數，各區域中的傳感器節點為4個，對這些節點依據順序編碼序，各區域內的節點依據逆時針順序編碼，全部節點一直編碼從1到N，通過編碼相關十六進制數描述這些節點的位置。其中第一個區域的中繼節點為網關，由其他區域的中繼節點基于對應的方案確定。在進行傳感器節點的數據傳輸時，依據從h+1到h區的順序進行。

對這種網絡而言，節點一般通過多跳路由網絡進行數據傳輸，每個節點均有可能被選為中繼節點。如果某節點長時間執行數據轉發的任務，則該節點的電量將消耗殆盡，與此同時，鄰居節點由于沒有進行數據轉發，其剩余電量仍然較多，將造成網絡中能耗分布不均的問題。利用無源無線傳感器網絡可以收集能量的特點，設計一種保證節點間能耗均衡的多跳路由算法成了無線傳感器領域的研究熱點。

在無源無線傳感器網絡多跳路由過程中通常采用載波偵聽多路訪問（CSMA）機制來調度節點訪問無線網絡的順序和時間。但是采用該機制可能導致信息在傳輸信道上相互沖突而遭到破壞，為此CSMA采用了CSMA/CA（Collision Avoidance）和CSMA/CD（Collision Detection）的方法來減少或者避免沖突的發生。這兩種方法均會通過隨機等待一段時間發送數據來避免沖突的發生，存在無法保證傳輸實時性的問題。

2 多跳路由算法改進

節點在進行數據傳輸過程中需要消耗能量，為了解決網絡中能耗分布不均的問題，需要合理選擇每個區的中繼節點，使得每個區內節點根據自身情況輪流承擔數據轉發的任務。為了能改進多跳路由算法，本文分配了超幀時隙并且設計了中繼節點選擇方案。

2.1 超幀時隙

為有效地避免這種傳感器網絡中CSMA機制造成的通信沖突問題，本文使用了無線傳感器網絡通信技術中的時分多址方式[3]。

在將時分多址技術應用于多跳路由算法的過程中，需要對超幀的時隙進行合理分配。下圖2顯示了超幀時隙的分配相關情況，具體分析可知其中，t代表節點運行在第t個活躍周期。對這種周期而言，其對應的超幀可進一步劃分為7個時隙段，可實現的功能主要如重選通知、選擇結果反饋、數據采集、休眠等。其中各時隙段可進一步劃分為Hi個時隙，各時隙長表示為Lslot，這樣就可計算出時隙段長度表示為HiLslot，一般情況下Lslot為10ms。

2.2 中繼節點選擇方案

首先，提出了一種根據網絡中節點的多種指標來動態選擇中繼節點的方法;其次，中繼節點需要根據自身的剩余電量和能量收集速率來決定是否需要重新選擇中繼節點;最后，以網絡中節點的一個工作周期為例，設計了中繼節點選擇方案的流程。

2.2.1 中繼節點動態選擇

在選擇中繼節點過程中應用了不同權重系數多種指標的能耗均衡策略[4]。對與此相關的中繼節點進行選擇時，單純選擇節點剩余電量等指標為依據。為更好地滿足所選中繼節點的質量要求，對多種指標都進行分析，在剩余電量基礎上，還分析了其功耗和RSSI值[5]。根據指標相關的信息量進行分析，設置出合理的權重系數給各指標。確定出全部指標和對應權重系數乘積之和，然后進行對比分析，確定出值最大的節點，將此節點當作為目標節點。

首先，確保在一個周期數據傳輸過程中，傳感器節點不會出現中斷的現象，為此需要設定一個閾值電量Eth進行判斷，在發現傳感器節點的剩余電量低于設定的閾值情況下結束工作。設當前節點的剩余電量為Eremain，傳輸數據時的功耗為Psend，分配的發送時隙時間具體表示為Tsend。對全部的待選節點進行遍歷，如果發現其符合條件Eremain-PsendTsend>Eth，則認為結束此周期的傳輸后其剩余電量高于閾值，如果不滿足此條件則不選擇其當作為中繼節點，結束后對列表進行更新。

其次，通過公式評分法對中繼節點進行評分，相應的流程如下：根據要求設置適當的指標和相關權重系數，，在此分析過程中假設X1為剩余電量，X2為發射功率，X3表示RSSI值，Wi為指標i的權重系數。在對各指標的權重系數進行分析時，選擇了信息量權數法，這種方法在設置時主要依據指標的信息量進行，基于變異系數法進行判斷，設置的權重系數大小和變異幅度正相關。

體系中包含m個指標，設其中的指標Xi有n個樣本，設的應用其均值，Si為相關的標準差，這種情況下可通過如下表達式確定出其變異系數為：

將CV設置為不同指標的權重得分，進行歸一化處理后就可確定出的對應指標的權重系數。在此過程中還應該確定出此種系數的正負號，也就是指標值增加后，對應的貢獻變化方向。選擇中繼節點應該依據一定的原則，主要是剩余電量多，這樣可確保在運行過程中網絡全部節點的能耗均衡，提高網絡運行的穩定性。因而應該設置剩余電量指標的權重系數為正。而功耗小則節點被選擇為中繼節點的可能性較高，在選擇后設置發射功率為對應子節點的，由此分析可確定出發射功率指標的這種系數為負。最后，相關RSSI值大的節點被選擇為中繼節點，此參數和兩節點的間距存在負相關關系，其數值大則說明在數據傳輸中不容易受到環境因素的干擾，因而此指標的權重系數為正。可在以上分析基礎上確定出三類指標的權重系數結果如下：

接著設xi為Xi的第n個樣本，這樣可通過如下的表達式確定出選擇參數RN

進行對比分析，確定出RN值最大的節點，將其設置為目標節點，后者對狀態進行調整后，依據超幀時隙相關要求進行子節點數據的接收。

2.2.2 中繼節點周期更換

在確定出合適的中繼節點后，接著應分析怎樣情況下需要更換中繼節點。根據實際的經驗可知，節點在運行過程中可收集附近的環境能量，這可基于支持向量回歸發放進行預測[6]。中繼節點可通過這種方法預測出下一個數據處理周期內收集的能量，并計算確定出此周期結束后的剩余電量。在判斷發現剩余的電量低于閾值情況下，為滿足其后的正常運行要求，其會給自己的子節點發送重選廣播，讓后者重新選擇中繼節點。

在此設置的訓練數據為最近一段時間內收集的能量數據，其中Ei對應于i周期收集的能量，可據此預測出下周期可收集的能量。

支持向量回歸過程中，需要確定出一個線性函數，控制此函數與訓練數據差值低于ε，設線性函數可具體表示如下：

代入訓練數據就能確定出此線性函數，然后就可預測出下周期中繼節點收集的能量Eharvest。如式（14），而下周期結束后其剩余電量Enext可基于如下表達式確定出

在對比分析發現剩余電量小于設定的閾值時，則認為下一周期數據傳輸完畢后，中繼節點的電量不足而關閉，此時，條件下中繼節點會發送重選信息給子節點。

2.2.3 中繼節點選擇方案流程

以下以一個工作周期為例，設計出選擇中繼節點的流程，具體情況如圖3。在此選擇過程中先初步選擇中繼節點，且計算確定出鄰居區節點的剩余電量。然后依據條件將其中不滿足要求的節點排除。接著依據剩余電量、發射功率和RSSI值相關指標進行計算確定出各候選節點的RN值，進行對比分析確定出最大值對應的節點，將其設置為中繼節點。后者在運行過程中采集和傳輸結束后預測分析下一個周期內收集的能量，然后進行判斷，如發現不滿足條件，則發送重選信息給子節點，其后進入休眠狀態。

3 測試驗證

3.1 測試拓撲

圖4顯示出這種網絡的測試拓撲圖，分析可知此網絡包含十六個節點，可總體上劃分為4個區，對其中各區內的節點依據逆時針順序編號。網關用于對全部節點發送的數據進行接收，和這種網絡數據傳輸相關的報文主要含有中繼節點初選廣播包、中繼節點重選廣播包和路由轉發數據包等，相關情況如下所示[7]。

3.2 中繼節點選擇測試

在此測試過程中設置第3區全部節點開始選擇中繼節點，對此區域中的9-12號節點進行對比分析，確定出中繼節點，在選擇時依據圖2相關的超幀時隙進行，在中繼節點確定出之后進行數據的傳輸。

3.3 中繼節點更換測試

中繼節點在運行過程中預測下一個工作周期內收集的能量，并計算分析確定出此周期結束后的剩余電量。在對比發現剩余電量值低于設定值情況下，其會發送重選廣播包到子節點，然后對中繼節點進行重選擇。9號節點在進行中繼節點的更換時，依據圖6相關的順序進行。在確定出下一周期的中繼節點后后，通過其進行數據的轉發。在中繼節點更換過程中，6號節點發送了這種重選廣播包，5、7、8號節點則傳輸了初選廣播包，9號傳輸了反饋廣播包，7號傳輸了確認廣播包。在以上操作基礎上，9號節點的重選工作實現，中繼節點從6號變為7號。

3.4 數據傳輸測試

在三次廣播選擇完畢后，節點發送自身采集的信息到中繼節點。以第3區9號節點的數據傳輸為例進行說明，此節點選擇了6號節點當作自己中繼節點，這樣其需要發送數據包給6號節點。

路由轉發數據包的具體過程如下圖7，分析此圖可知，節點的數據包源和目標地址分別為0x0009、0x0006。在此條件下9號節點被選中為中繼節點，因而對應的角色值為0x01。網絡報文類型值為0x06，其中包含了80個字節信息，并且對應的序列段值為0x0000，進而判斷出其屬于一個路由轉發數據包。

4 結論

本文對無源無線傳感器網絡結構進行論述，且針對這種網絡而設置了一類多跳路由算法，介紹了多跳路由的網絡拓撲，設計了超幀時隙和中繼節點選擇方案，并通過分析傳感器節點在中繼節點選擇、中繼節點更換以及數據傳輸過程的網絡報文對多跳路由算法進行了測試驗證。驗證結果表明，節點可通過該多跳路由算法在無源無線傳感器網絡中實現數據的傳輸。

參考文獻

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[7]802.15.4e-2012–IEEE Approved Draft Standard for Local and Metropolitan Area Networks Part 15.4：Low Rate Wireless Personal Area Networks（LR-WPANs） Amendment to the MAC sub-layer，2012.