一种基于多波束转换天线的WSNs 跨层集成协议*

王辛迪，韩江洪，2，石 雷，2

(1.合肥工业大学 计算机与信息学院，合肥230009;2.安全关键工业测控技术教育部工程研究中心，安徽 合肥230009)

0 引 言

随着天线技术的发展，针对智能天线的研究［1］逐渐兴起，多波束转换天线就是其中一类。它采用定向发射模式，拥有更大的通信半径［2］并减少系统干扰，提高频谱利用率。

现有研究中，文献［3］深度总结了MAC 层和路由层协议研究现状，凸显了定向发射模式下的优势。Kulkarni S 在文献［4］中提出了将MAC 和路由跨层融合的AIMRP 协议，由Sink 节点对场景模型层次性划分进而进行路由选择。文献［5］介绍在移动自组网下的经典路由算法和定向天线模型引起的路由问题。文献［6］通过区域划分的方式，利用智能天线作出有效的路由规划。

本文针对无线传感器网络(wireless sensor networks，WSNs)移动Sink 节点情况下，基于多波束转换天线的跨层集成协议(integrated MAC and routing protocol based on switched－multi－beam antennas，IMRPSB)。协议充分利用天线的优势，完善了前期链路层控制的邻居发现和帧结构优化，增加了拓扑控制［7，8］过程，适应移动Sink 节点并制定相应的路由机制，达到减轻协议负载、提升了网络寿命的目的。

1 节点模型和场景模型

1.1 多波束转换天线节点模型

多波束转换天线一般由多个窄波束天线构成，天线具有数目固定、方向可预指定的特点，每个窄波束天线由于张角较小，可以获得较大的增益。多波束转换天线根据算法选择某一特定方向，在天线阵列中只打开相应方向的一个窄波束天线并且关闭其他天线阵列扇区。

根据文献［8］，节点射频能耗为Erf，电路能耗为Eproc，发送能耗Etx，接收能耗Erx，且do，dd分别为全向发射天线和定向发射天线在功率Pact下的通信距离。

定向发射天线发送n bit 的数据的能耗Ed

全向发射天线发送数据n bit 的能耗Eo为

可见全向天线发送能耗远远大于定向天线。

1.2 场景模型

本文场景模型为矩形区域，无线节点随机均匀。移动Sink 节点在场景中间区域环形移动。无线节点位置固定，Sink 节点可移动并认为能量不受限。

2 跨层融合协议设计

2.1 跨层融合协议

WSNs 协议设计不能完全采用传统网络协议模型，对适用性和效率会造成一定影响。

WSNs 应用需满足特定需求并重点考虑能耗，当需要有效减轻协议负载和减少协议栈时，协议的跨层融合将成为重要解决思路［8］。

2.2 信息采集阶段

传统链路层采用IEEE 802.11 协议模型。定向天线的“盲点”状况会造成的连通性问题。由于节点能耗受限的情况，所以，要对IEEE 802.11 进行优化，减轻协议负载。优化主要包括:

1)节点间RTS/CTS 等包流传递，采用阵元全向发射。对控制包流格式添加DIC 控制字，检测包交互的天线扇区;添加身份标示符ID，表示数据包源;添加节点类型控制字，区分不同类型节点。

2)帧中添加ID 号用于邻居信息采集，控制字DIC 判断邻居节点方位，通过CTS 包回复完成邻居的交互，以此收集节点邻居节点情况并判定节点类型。

2.3 网络拓扑控制阶段

RTS/CTS 控制帧进行网络信息采集工作。对本场景下的网络节点度进行研究［9］。

节点度是所有距离节点一跳范围内的邻居数目，是衡量网络结构好坏的重要的标准。在保证连通度的情况下，对节点度进行优化，有利于提高整体网络寿命并增加网络容量。拓扑优化阶段如图1 所示。

2.4 数据转发阶段

IMRPSB 以统一身份符作为地址标识。采用基于方向信息的路由机制，不再依赖地理位置信息。多波束转换天线可应对移动Sink 节点情况，避免了网络拓扑变化导致的能量损失。

路由发送机制按节点类型做不同处理:

1)D 类型节点:检查邻居表中是否含有Sink，是，则发送;否则，调整功率和对丢弃位置位。

2)L 类型节点:检查邻居表中是否含有Sink，是，则发送;否则，检查M 标记节点，是，则发送;否则，丢弃数据包不进行转发。

图1 拓扑优化流程图Fig 1 Flow chart of topological optimization

3)T 类型节点:检查邻居表中是否含有Sink，是，则发送;否则，检查M 标记节点，条件判断自身天线方向和数据包丢弃位，满足条件则丢弃数据包放弃转发。

3 算法仿真与性能分析

这里，对节点度进行仿真，均匀分布在800 m×800 m 的区域。多波束转换天线方向Φ∈{π/4，3π/4，5π/4，7π/4}，张角θ=π/2，路径损耗因子α=2，采用定向发射/全向接收模式。最大覆盖距离160 m，节点数n∈{50，100，150，200}，调整关键邻居数K∈［1，20］，对拓扑图连通率进行统计分析可以得到在n=100 时，当节点度K 值达到12，即连通率趋近于1。

图2 所示分别为拓扑结构的初始模型、邻居数优化模型、连通性控制模型。经数据统计，D 类型节点平均节点度下降25%，连接邻居数下降，通信干扰概率降低;L 类型、T类型节点节点度明显提升，保证了区域之间连通性。网络的平均通信距离下降20%，节点降低了发射功率，延长了寿命。

利用节点度K 值，采用OPNET 对IMRPSB 协议进行仿真，节点进程模型包含8 个模块，分别是天线模块ANT_N、接收模块WLAN_RXN、发送模块WLAN_TXN、链路层模块WLAN_MAC、路由层模块、数据统计模块Collect、数据源模块Source 和计时器模块TS。

协议设计体现为链路层的WLAN_MAC 进程优化和路由层的进程设计。

IMRPSB 在802.11MAC 层进行一定的邻居信息采集和拓扑优化工作，所以，对传统协议进行优化。主要介绍自定义的添加模块:添加FIND_NEIGH 状态，开启定时器并产生优化后的RTS/CTS 帧，采集邻居信息;DIS_TYPE 状态通过接收RTS 帧进行信息汇总，生成邻居表并判定自身节点类型;TC_PRCS 状态用于根据类型调节发送方向和功率。

自设计路由进程Routing 模块:

1)INIT 状态:负责对路由模块的初始化进行参数设置;

图2 拓扑优化过程图Fig 2 Topological optimization process

2)IDLE 状态:属于进程的等待状态，根据收到的不同中断进入不同的状态;

3)RECIV_PACKET 状态:接收由下层MAC 传送上来的包流;

4)SEND_PACKET 状态:由upper_arrivl 中断或者direct_send 中断产生，对收到数据包进行处理;

5)REC_ACK 状态:满足ACK_ARRIVL 时进入本状态，表示成功收包;

6)TRANS_FAIL 状态:满足NACK_ARRIVL 时进入本状态，重新发送数据包;

7)BROADCAST 状态:由REQUEST 中断进入本状态，Sink 节点重新位置广播。

这里对IMRPSB、全向天线模型的UDG－IMRPSB、采用传统方向性路由DAPR［10］进行平均节点能耗和分组交付率仿真比较。

随机采用源节点对Sink 节点进行数据包传输。如图3所示，小业务负载情况下，UDG－IMRPSB 利用其全向优势，分组交付率接近100%，当网络业务负载变大，节点间信道竞争导致碰撞概率增大，协议的分组交付率均下滑，定向发射天线在相同负载条件下可有效地提升分组交付率。

对网络中节点的平均能耗进行监测，如图4 所示，UDG－IMRPSB 协议在同样传输环境下发射能耗更高，DAPR协议在Sink 节点移动过程中产生的多次天线方向变更产生更多能耗，而IMRPSB，随着时间推移能耗损失趋于平稳。

图3 协议分组交付率Fig 3 Protocol packet delivery ratio

图4 网络节点平均寿命Fig 4 Average lifetime of network node

4 结 论

IMRPSB 跨层融合了链路与路由层，采用多波束转换天线模型并适用可移动Sink 节点的场景，充分考虑Sink 节点移动导致的问题。经过仿真得到，IMRPSB 在优化网络节点能耗，提高分组交付率方面均有提高。但是协议也存在一定的缺陷，在特殊情况的网络内区域真空导致Sink 节点是否能接到传递还没有相关控制和证明，有待进一步的研究。

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