基于匯聚樹協議的多信道通信算法的研究

◆楊 旭 王春佳

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基于匯聚樹協議的多信道通信算法的研究

◆楊 旭1王春佳2

（1.云南機電職業技術學院 云南 650203；2.云南師范大學 云南 650092）

在無線傳感器網絡的路由協議中，匯聚樹協議主要通過單信道進行通信，使得通信過程中的WIFI和WSN出現沖突。基于此，本文提出一種自適應的信道分配算法，可避免信道阻塞問題的出現。首先對匯聚樹協議進行了初步的分析，然后結合WSN和WIFI的頻率特征，給出自適應多信道分配算法的具體應用步驟以及信道切換流程，最后結合對比實驗，分析多信道通信算法的可行性，實驗結果表明該算法對模塊間通信報文改良提供了有效理論依據。

匯聚樹協議；多信道；通信算法

0 前言

傳統的單信道匯聚樹協議使得WSN和WIFI（Wireless Fidelity）在同一個環境中開展工作，如果WSN和WIFI的信道出現重疊，將會對WSN的通信造成干擾，導致無線傳感器出現較高的幀丟失率以及節點功耗。因此，在匯聚樹協議中，技術人員需要應用多信道通信算法，確保WSN在受到WIFI的干擾時，能夠切換到其他信道中，保障WSN的穩定通信。匯聚樹協議的多信道通信算法主要是通過信道切換組件的應用，避免WIFI對WSN造成干擾。

1 匯聚樹協議分析

在無線傳感器運行應用的過程中，需要將自身采集到的數據信息傳輸到匯聚節點中，但是因為每個節點的通信距離具有一定的局限性，所以無線傳感器系統通過匯聚樹協議的應用，在采集節點和匯聚節點之間構建網絡，從而擴大通信范圍。在通信網絡中，每一個節點既是發送節點，也是接收節點。匯聚節點和其他節點呈現出樹形結構。在匯聚樹協議中，主要包括鏈路質量估計器、路由引擎以及轉發引擎這三個組件。其中，鏈路質量估計器主要用來估算單跳的ETX值（期望傳送值）；路由引起會按照鏈路估計的結果和網絡層實際狀況（比如是否存在擁堵現象），進行路由下一跳節點的選擇；轉發引擎主要用來維護發送包隊列，選擇最佳的數據發送時機。

匯聚樹協議中有獨有的匯聚樹算法，能夠對信道通信進行控制。在匯聚樹協議通信過程中，會將ETX值作為路由梯度，通信網絡匯總的節點會根據EXT值的大小進行最優通信路徑的選擇。通常情況下，匯聚樹協議通信中的鏈路質量由收包率來體現。其中，子節點和父節點之間的ETX值計算公式為：

ETX=1/(df*dt)。

公式中，df主要是指從發送節點發送到接收節點的收包率；dt主要是指接收節點發送到發送節點的收包率。在實際的數據傳輸過程中，通信路徑上的ETX值呈逐級遞減趨勢。如果發送節點的ETX值要小于接收節點的ETX值，就表明發送節點中存在路由循環，或者其具備的路由信息過期。這一現象可以用來檢測路由的一致性，準確分析路由中是否存在循環，從而采取廣播路由幀的方式解決路由循環問題，保障無線傳感器數據信息傳輸的有效性[1]。

2 基于匯聚樹協議的多信道通信算法分析

2.1 WSN和WIFI頻率特征分析

通常情況下，在2.4GHz的頻段內，802.11b/g/n協議可以定義13個可用信道。這些信道的帶寬均為22MHz，相鄰信道之間的間隔為3MHz。在802.15.4協議中，WSN的主要工作頻段為2.4GHz的ISM，使其四個信道頻帶和WIFI重疊。但是和WIFI信號功率相比，WSN的信號功率要小1-2個數量級。因此，在兩者信道重疊時，WIFI會對WSN造成較大的干擾。

2.2 多信道的分配算法分析

基于上述頻道特征峰分析，分配算法的設計目標在于將WSN切換到不和WIFI重疊的信道上，實現WSN的高效通信。在WSN網絡中，一共有16個可用信道，信道的帶寬均為3MHz；相鄰信道之間的間隔為2MHz。其中，26信道是穩定性最強，最不容易受到WIFI干擾的信道。因此，在進行多信道分配算法的設計時，技術人員可以將該信道設置為控制信道，并將第11-第25信道設置為數據信道，控制信道主要用來傳輸控制指令以及預約信道；數據信道主要用來通信。

在實際的信道切換過程中，WSN節點首先需要明確WIFI所在的信道，避免與WIFI重疊。具體的信道分析計算算法如下：將WIFI信道的信道號設置為Idwifi，如果Idwsn∈[Idwifi+10，Idwifi+13），那么信道號是Idwsn的WSN信號就與信道號是Idwifi的WIFI信道重疊。在通信的過程中，如果信道號為Idwsn的WSN信道已經收到WIFI的干擾，那么技術人員可以通過如下算法的循環操作，掌握具體的Idwifi值：第一，將Idwsn+1，對13取模更新，得出Idwsn=（Idwsn+1）mod13的公式；第二，測試WSN的新信道是否存在WIFI，如果存在WIFI信號，對于WSN造成干擾，則重復步驟一，如果不存在WIFI信號，不會對WSN造成干擾，則進行步驟三；第三，將WIFI信號的工作信道判定為Idwsn-13，Idwsn就是WSN不會受到干擾的信道。具體的WSN干擾判斷標準如下：如果WSN在信道中的丟包率小于1%以內，和存在WIFI干擾相比，通信時間的延長小于25%，就表明WSN成功避開了WIFI[2]。

2.3 信道切換流程分析

如果通信質量相對較差，網絡會通過匯聚樹協議完成路由的更換，如果更換路由完成之后，通信質量仍舊沒有明顯提升，匯聚樹協議會利用廣播的方法通知相鄰的節點，完成信道切換，從而實現擁塞信道的躲避。在實際的路由幀發送過程中，發送節點Sender會在控制信道上進行請求信息Req的廣播，請求信息主要是指需要通信的具體數據信道號；在廣播信息被接收節點Receiver接收之后，會自動切換到請求信息中提到的數據信道號，并向發送節點發送反饋信息；在發送節點接收到反饋信息之后，也會切換到請求信息中的數據信道號，完成信道的切換。當發送節點與接收節點完成一次通信之后，會自動回到控制信道中，接收相應的控制信息，完成下一次通信。基于多信道通信算法，WSN中的不同節點可以在不同信道中進行數據信息的傳輸，在很大程度上避免了信道沖突問題，還可以防止數據信息重發現象的出現。

2.4 多信道通信算法的實踐分析

為了進一步明確本文提出的多信道通信算法應用效果，進行了WSN多點組網通信實驗，共進行三次實驗。實驗的總體流程如下：在90m2的空間內，將10個下位機節點進行隨機分布，并將利用串口相連方式將網關板和PC機連接在一起。按照每500ms發送一個數據包的速度，發送節點進行五百個數據包的傳輸。記錄傳輸結束的收包數量及傳輸時間。其中，WSN的WIFI干擾主要通過無線路由器和PC機來實現，將無線路由器設置在信道1工作，然后由PC機A按照利用WIFI1-1.5Mb/s的速度，向PC機B進行10G大小文件的傳輸。

實驗一，在沒有WIFI信號干擾的條件下，進行單信道匯聚樹協議通信。通信的結果顯示，平均收包數量為499.5；傳輸時間為5分鐘。

實驗二，在有WIFI信號干擾的條件下，進行單信道匯聚樹協議通信。通信的結果顯示，平均收包數量為375.5；傳輸時間為43分鐘。

實驗三，在有WIFI信號干擾的條件下，進行多信道匯聚樹協議通信。通信的結果顯示，平均收包數量為496.7；傳輸時間為7分鐘。

通過上述實驗結果可知，在沒有WIFI信號干擾的條件下，單信道匯聚樹協議具有良好的通信效果。但是在WIFI信號的干擾下，單信道匯聚樹協議的通信效果有顯著的降低。而通過多信道算法的應用，進行多信道匯聚樹協議通信，即使是在同樣的WIFI信號干擾下，多信道匯聚樹協議通信仍舊是ESP8285模塊網絡通信較為理想的通信方式。由此可以看出，本文分析的多信道通信算法，可以顯著提升匯聚樹協議通信的效果，避免ESP8285的WIFI信號對WSN通信造成干擾。需要注意的是，在實際的多信道通信中，由于頻繁切換信道需要花費一定的時間，所以多信道匯聚樹通信花費的傳輸時間相對較長[3]。

3 結論

綜上所述，在匯聚樹協議通信的過程中，ESP8285的WIFI信號會對WSN信號的通信造成干擾，需進行算法改進。通過本文的分析可知，自適應多信道分配算法對傳統的單片機模塊之間的通信報文改良提供了可靠的理論依據，能有效提高下位機模塊間通信的效率。

[1]李文琴,汪大清,文俊浩.基于多信道通信系統的綠色節能算法[J].激光雜志,2014.

[2]謝鯤,李秦古.多接口多信道無線Mesh網絡中面向協作通信的接口分配算法[J].小型微型計算機系統,2014.

[3]李興. 多信道無線傳感器網絡信道調度及匯聚路由算法研究[D].西安電子科技大學,2014.

[4]楊旭，沈俊鑫.基于可變步長的常數模盲均衡算法[J].計算機工程與應用，2014.