基于智能天线的定向传播路由协议在WSAN中的应用

黄艳国，陈 超，房 罡，李向邯，韩 亮

（江西理工大学电气工程与自动化学院，江西赣州 341000）

0 引 言

无线传感器及执行器网络（Wireless Sensor and Actor Networks，WSAN）通过在原有的无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）中添加执行器（actor）节点，能够实现自主决策和自主控制设施环境。WSAN 在工业自动化、网络化机器人和战术军事中有潜在的应用前景。

在WSAN 中，传感器（sensor）节点通常能源受限，工作在低功耗状态和较短的通信范围内，而执行器节点一般有丰富的能源并有较大的通信范围。WSAN 网络要求传感器与传感器之间，传感器与执行器之间以及执行器与执行器之间能够进行协同通信，以实现整体的应用目标。传感器与执行器之间的协同能够提供路径建立功能，以支持事件数据从传感器传输到执行器。WSAN网络需要一个合适的路由协议，使传感器和执行器之间能够协作，提高整体网络的能效。

本文将定向传播（Actor-oriented Directional Anycast，ADA）路由协议用于WSAN 网络中。ADA 协议的设计利用了智能天线[1]，为能量受限的传感器节点实现定向传播。在大量用于无线传感器网络的定向传输和智能天线的研究[2-4]中，作者提出并建立了受限资源传感器节点的定向天线模型，提供了真实传感器节点和仿真框架的物理范例，证明了使用智能天线和定向传输用于受限资源传感器节点的可行性。本文参考这些研究，并将ADA 协议用于多跳WSAN网络。

1 智能天线和定向传输

1.1 智能天线

智能天线又叫作自适应阵列天线，由多个天线单元组成。使用智能天线，信号几乎可以指向任何方向，通过相应的控制算法来调节天线各阵元信号的加权幅度和相位，控制信号的范围和强度。它可以在所需要的方向上使信号增益最大化，其他方向的增益被最小化以减少干扰。智能天线已经广泛地应用于传统的通信系统，并逐渐应用于更多的领域。在WSAN 网络中，微型化的智能天线可以安装在传感器节点和执行器节点上[4]，实现WSAN 网络节点信息定向传输的功能。

1.2 定向传输

在WSAN 网络中，源节点到目标节点的定向传输能够减少信息的转发次数，进而减少节点的能量损耗，延长WSAN网络的整体寿命。在定向传输的初始阶段，源节点会在其路由表中搜索目标节点的路由信息。如果目标节点的路由信息不可用，则会触发路由发现。节点的邻域空间将被划分，节点将根据区域的划分模型信息计算传输方向，然后使用计算的传输方向调节智能天线信号的范围。

2 ADA 协议

ADA 协议继承了以往智能天线和定向传输研究的成果，是一种多跳WSAN 网络设计的定向传播路由协议。将ADA 协议用于WSAN 网络，每个节点都会带有智能天线，可以通过定向传输与其他节点进行通信。研究证明WSAN 中的传感器节点无需节点中的GPS 组件，就可以准确地定位自身位置[5-6]。根据这些研究，可以假定已经知道了每个传感器和执行器的位置。当WSAN 中有转发数据的服务请求时，源节点将启动一个数据包，数据包会经过多个sensor 节点和执行器actor 节点的转发。根据节点邻域空间的划分，节点只需要向特定方向的邻近节点转发数据包，并将相应的目标区域保存在路由表中以供以后使用。经过多次定向转发，数据包从源节点到达目标节点，如图1 所示。

2.1 节点优先级

为了改善网络生存期，ADA 协议强调了丰富资源角色在定向传输路由中的重要作用。在转发数据的节点选择过程中，actor 节点会比sensor 节点具有更高的优先级。原因是，WSAN 网络是一种节点能量分布失衡的异构网络，actor 节点是资源丰富的设备，而与actor 节点相比，sensor 节点的资源是非常有限的。sensor节点能量耗尽会使WSAN 网络出现信号空洞，所以网络的寿命关键取决于sensor 节点的能量消耗。为了提高网络寿命，转发的节点优先选择actor节点，减少sensor节点的能耗。

2.2 节点邻域空间划分

为了利用资源丰富的actor 节点的能力，可以将节点的邻域空间划分为几个较大的区域。原因是网络中actor 节点较少，划分过多的区域会使部分的区域不包含任何actor 节点，加大了sensor 节点的能量消耗。

文献[7]提出一种合适的节点区域划分模型。以某一个节点的位置作为球心，以该节点的最大通信距离作为球半径，形成一个球形空间，这叫作节点一跳邻域空间。本文根据节点的区域划分模型，并根据源节点和目标节点的相对位置，对节点的邻域空间进行划分。节点的邻域空间划分如图2 所示。

源节点1 的坐标为（x1,y1,z1），目标节点2 的坐标为（x2,y2,z2），将源节点1 的一跳邻域空间划分为R1,R2,R3三个区域。定义源节点1 的球形邻域空间为V1，将源节点1 的三维邻域空间划分的方法如下：

1）作源节点1 与目标节点2 的连线L0，与球形空间V1交于点A，点A坐标为（xa,ya,za）。

2）以目标节点2 的位置为起点，向球形空间V1引两条切线L1和L2，并定义两个切点分别为点B和点C，B和C的坐标分别为（xb,yb,zb）和（xc,yc,zc）。

3）作圆形平面ABC，并作出垂直于平面ABC的直径，交平面ABC于球心源节点1，交球形空间于点D和点E，D和E坐标分别为（xd,yd,zd）和（xe,ye,ze）。

4）定义由BCDE四点切割球形空间V1所得的区域为源节点1 的前向邻域区；由ACDE四点切割球形空间V1所得的区域为源节点1 的左邻域区；由ABDE四点切割球形空间V1所得的区域为源节点1的右邻域区。三个区域分别定义为R1,R2,R3区域。

由几何原理可知，R1,R2,R3区域在圆平面ABC上的投影的夹角大小θ1，θ2和θ3应满足下式：

为了分辨邻近节点j所属的区域，作出节点j在平面ABC上的投影点j′，坐标为（xj′,yj′,zj′），其中，dij′，dsj′，daj′，dbj′和dcj′分别为投影点j′到源节点1、目标节点2、点A、点B和点C的距离，dis为源节点1 到目标节点2 的距离，θsij′为点j′与源节点1 和目标节点2 的夹角。可以通过下式分辨j所属的区域：

2.3 路线发现

如果目标的路由信息不可用，则由源节点启动路由发现进程。在ADA 协议中，只需要源节点和目标节点的相对位置，而不像其他路由协议需要完整的路由通信[8]。在此阶段中，根据源节点和目标节点的相对位置，源节点向特定方向广播并发送一个路由请求（ROUTE REQUEST，RREQ），其中包含位置信息。RREQ 数据包将被定向转发直到到达目的地。目标的相对位置是基于本地化机制计算的[5]，在计算相对位置后，目标节点将向源节点发送带有计算位置的路由回复（ROUTE REPLY，RREP）消息。源节点将此信息存储在路由表中，以便以后进行路由。为了减小路由表的大小，ADA 协议的路由信息非常简单，只包含目标地址及其相对位置。

2.4 定向转发操作

根据节点邻域空间的划分，节点只需要向属于前向区域R1的邻近节点转发数据包。节点转发的数据还附加了目标节点的位置、路由信息和节点ID，计算方向还用于确定前向区域R1最近的actor 节点信息。如果得到了最近的actor 节点信息，则发送节点首先检查最近的actor节点和目标节点之间的相对位置。此过程是为了避免从发送节点到actor节点的距离比到目标节点更长的次优问题。如果最近的actor节点比目的地更近，则数据包将根据其相对位置，通过最近的actor节点转发到目的地。

如果发送节点是传感器节点，并且最近的actor 节点不存在或离目标节点比较远，则数据包将转发到该方向最近的下一个跃点，以节省传感器能量。数据包将连续转发，直到到达最终目标。

3 仿真和性能分析

为了评价WSAN 网络中ADA 协议的性能，采用Matlab 软件进行仿真，将三维环境下的ADA 协议的性能与传统的全方向天线的协议进行比较。在没有障碍物的部署环境中，ADA 协议将与一种定向集群路由协议（Directional Multi-hop Clustering Routing Protocol，DMCR）[9]以及一种WSAN 的有效协调路由协议（Efficient Coordination and Routing Protocol，ECR）[10]进行对比。WSAN 网络区域内随机部署了1 000 个静态的sensor 节点，并有多个actor 节点。

本文主要从三个方面进行比较：数据包传送延迟；传感器节点的平均能耗比；数据包可靠性。部署环境中随机产生一个向目标节点转发数据的请求，由第一个收到请求的节点作为源节点并发起转发。仿真参数如表1所示。

从图3 中可以看到在部署不同数量的actor 节点时，WSAN 使用每种协议所得到的平均端到端数据包传送延迟。图3 显示，当actor 节点较少时，ADA 协议的端到端数据包传送延迟与DMCR，ECR 相近。当actor 节点数量增加到20，30，40 和50 时，DMCR，ECR 的端到端数据包传送延迟几乎没有变化，但ADA 协议的性能有着显著的提高。结果证明了ADA 协议的优点，ADA 协议中的定向传输有助于提高信号增益，减少碰撞概率，并提高传输范围。与能量受限的sensor 节点相比，具有丰富的能量容量和更高传输范围的actor 节点加速了数据包的转发。当将actor 节点的数量从10 增加到40 时，大多数的sensor 节点可以轻松地找到最近的actor 节点作为转发锚点，ADA 协议的延迟降低率就会迅速增加。

图4 显示了传感器节点的平均能耗，可以看出其他协议（ADA 协议除外）不会受益于部署更多有丰富资源的actor 节点。当增加actor 节点的数量时，平均能耗不会有太大的变化。原因是这些协议不利用有丰富资源的actor 节点来与传感器节点共同承担转发开销。几种协议中，ADA 协议达到了传感器节点的最高能效，即与其他协议相比，ADA 协议有最长的网络工作寿命。当网络中存在更多actor 节点时，传感器节点的能量消耗大大减少，网络生存期将显著增加。ADA 协议的消息包数量更少，这是由于定向传输排除了远离目标节点的数据传输，这对于提高WSAN网络的生存时间是有利的。

图4 传感器节点的平均能耗Fig.4 Average energy consumption of sensor nodes

数据包可靠性是WSAN 网络的一个重要因素。图5展现了不同数量的数据包下，各种协议的数据包传递比率。数据包传递比率即源节点生成的消息总数和目标节点上接收消息的数量之比。与其他协议相比，ADA协议数据包传递率更高。当部署更多的actor 节点时，ADA 协议数据包传递率逐渐增加，并保持在92%以上。在数据包可靠性方面，ADA 协议具有优势。

图5 不同数量的数据包下的数据包传递比率Fig.5 Data packet delivery ratio of different number of data flows

4 结 论

本文提出基于智能天线的定向传播路由协议在WSAN 中的应用。ADA 协议利用智能天线和定向传输对WSAN 网络的端对端的数据传递进行了改善，减少了数据的传输和接收，降低了数据包的传送延迟。ADA协议强调了丰富资源的actor 节点的重要作用，并为sensor 节点节省能源，进而延长了WSAN 网络的工作寿命。ADA 协议提高了数据包的传递率，使WSAN 网络数据传递的可靠性得到了增长。通过大量的实验模拟证明了ADA 协议在数据包传送延迟、网络生命周期和数据包可靠性方面均优于其他全方向天线的协议。