基于智能天線的定向傳播路由協議在WSAN中的應用

摘" 要： 在無線傳感器及執行器網絡（WSAN）中，節點的協作需要通過路由協議進行大量的信息轉發。傳統使用全方向天線的節點存在能耗高、傳輸延遲高、數據包傳遞率低的問題。文中基于智能天線，將定向傳播路由協議（ADA）應用于WSAN網絡中，通過定向的轉發信息減小節點能耗，降低傳輸延遲，提高數據包傳遞率。最后，通過Matlab對ADA協議和其他使用全方向天線的節點通信協議的性能進行仿真對比。實驗結果表明，在節點能耗、數據包傳送延遲和數據包傳遞率方面，基于智能天線的ADA協議優于其他使用全方向天線的節點通信協議。

關鍵詞： WSAN網絡; 智能天線; 定向傳輸; 節點區域劃分; 定向轉發; 定向傳播路由協議

中圖分類號： TN915.04?34" " " " " " " " " " " "文獻標識碼： A" " " " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2019）21?0028?04

Abstract： In wireless sensor and actor networks （WSAN）， node cooperation requires a lot of information forwarding through routing protocols. Traditional nodes using omnidirectional antenna have the problems of high energy consumption， high transmission delay and low transmission rate of data package. In this paper， actor?oriented directional anycast （ADA） routing protocol is used in WSAN on the basis of smart antenna. Finally， the performance of ADA protocol and other protocols using omnidirectional antenna are simulated and compared by Matlab. The experimental results show that ADA protocol based on the smart antenna is superior to other protocols using omnidirectional antenna in terms of packet transmission delay， node energy consumption and packet transmission rate.

Keywords： WSAN; smart antenna; directional transmission; node area division; directional forwarding; ADA routing protocol

0" 引" 言

無線傳感器及執行器網絡（Wireless Sensor and Actor Networks，WSAN）通過在原有的無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks，WSN）中添加執行器（actor）節點，能夠實現自主決策和自主控制設施環境。WSAN在工業自動化、網絡化機器人和戰術軍事中有潛在的應用前景。

在WSAN中，傳感器（sensor）節點通常能源受限，工作在低功耗狀態和較短的通信范圍內，而執行器節點一般有豐富的能源并有較大的通信范圍。WSAN網絡要求傳感器與傳感器之間，傳感器與執行器之間以及執行器與執行器之間能夠進行協同通信，以實現整體的應用目標。傳感器與執行器之間的協同能夠提供路徑建立功能，以支持事件數據從傳感器傳輸到執行器。WSAN網絡需要一個合適的路由協議，使傳感器和執行器之間能夠協作，提高整體網絡的能效。

本文將定向傳播（Actor?oriented Directional Anycast，ADA）路由協議用于WSAN網絡中。ADA協議的設計利用了智能天線[1]，為能量受限的傳感器節點實現定向傳播。在大量用于無線傳感器網絡的定向傳輸和智能天線的研究[2?4]中，作者提出并建立了受限資源傳感器節點的定向天線模型，提供了真實傳感器節點和仿真框架的物理范例，證明了使用智能天線和定向傳輸用于受限資源傳感器節點的可行性。本文參考這些研究，并將ADA協議用于多跳WSAN網絡。

1" 智能天線和定向傳輸

1.1" 智能天線

智能天線又叫作自適應陣列天線，由多個天線單元組成。使用智能天線，信號幾乎可以指向任何方向，通過相應的控制算法來調節天線各陣元信號的加權幅度和相位，控制信號的范圍和強度。它可以在所需要的方向上使信號增益最大化，其他方向的增益被最小化以減少干擾。智能天線已經廣泛地應用于傳統的通信系統，并逐漸應用于更多的領域。在WSAN網絡中，微型化的智能天線可以安裝在傳感器節點和執行器節點上[4]，實現WSAN網絡節點信息定向傳輸的功能。

1.2" 定向傳輸

在WSAN網絡中，源節點到目標節點的定向傳輸能夠減少信息的轉發次數，進而減少節點的能量損耗，延長WSAN網絡的整體壽命。在定向傳輸的初始階段，源節點會在其路由表中搜索目標節點的路由信息。如果目標節點的路由信息不可用，則會觸發路由發現。節點的鄰域空間將被劃分，節點將根據區域的劃分模型信息計算傳輸方向，然后使用計算的傳輸方向調節智能天線信號的范圍。

2" ADA協議

ADA協議繼承了以往智能天線和定向傳輸研究的成果，是一種多跳WSAN網絡設計的定向傳播路由協議。將ADA協議用于WSAN網絡，每個節點都會帶有智能天線，可以通過定向傳輸與其他節點進行通信。研究證明WSAN中的傳感器節點無需節點中的GPS組件，就可以準確地定位自身位置[5?6]。根據這些研究， 可以假定已經知道了每個傳感器和執行器的位置。當WSAN中有轉發數據的服務請求時，源節點將啟動一個數據包，數據包會經過多個sensor節點和執行器actor節點的轉發。根據節點鄰域空間的劃分，節點只需要向特定方向的鄰近節點轉發數據包，并將相應的目標區域保存在路由表中以供以后使用。經過多次定向轉發，數據包從源節點到達目標節點，如圖1所示。

2.1" 節點優先級

為了改善網絡生存期，ADA協議強調了豐富資源角色在定向傳輸路由中的重要作用。在轉發數據的節點選擇過程中，actor節點會比sensor節點具有更高的優先級。原因是，WSAN網絡是一種節點能量分布失衡的異構網絡，actor節點是資源豐富的設備，而與actor節點相比，sensor節點的資源是非常有限的。sensor節點能量耗盡會使WSAN網絡出現信號空洞，所以網絡的壽命關鍵取決于sensor節點的能量消耗。為了提高網絡壽命，轉發的節點優先選擇actor節點，減少sensor節點的能耗。

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圖1" ADA協議的定向轉發

Fig. 1" Directional retransmission of ADA protocol

2.2" 節點鄰域空間劃分

為了利用資源豐富的actor節點的能力，可以將節點的鄰域空間劃分為幾個較大的區域。原因是網絡中actor節點較少，劃分過多的區域會使部分的區域不包含任何actor節點，加大了sensor節點的能量消耗。

文獻[7]提出一種合適的節點區域劃分模型。以某一個節點的位置作為球心，以該節點的最大通信距離作為球半徑，形成一個球形空間，這叫作節點一跳鄰域空間。本文根據節點的區域劃分模型，并根據源節點和目標節點的相對位置，對節點的鄰域空間進行劃分。節點的鄰域空間劃分如圖2所示。

源節點1的坐標為（[x1， y1， z1]），目標節點2的坐標為（[x2，y2，z2]），將源節點1的一跳鄰域空間劃分為[R1， R2， R3]三個區域。定義源節點1的球形鄰域空間為[V1]，將源節點1的三維鄰域空間劃分的方法如下：

1） 作源節點1與目標節點2的連線[L0]，與球形空間[V1]交于點[A]，點[A]坐標為（[xa， ya， za]）。

2） 以目標節點2的位置為起點，向球形空間[V1]引兩條切線[L1]和[L2]，并定義兩個切點分別為點[B]和點[C]，[B]和[C]的坐標分別為（[xb， yb， zb]）和（[xc， yc， zc]）。

3） 作圓形平面[ABC]，并作出垂直于平面[ABC]的直徑，交平面[ABC]于球心源節點1，交球形空間于點[D]和點[E]，[D]和[E]坐標分別為（[xd，yd，zd]）和（[xe，ye，ze]）。

4） 定義由[BCDE]四點切割球形空間[V1]所得的區域為源節點1的前向鄰域區;由[ACDE]四點切割球形空間[V1]所得的區域為源節點1的左鄰域區;由[ABDE]四點切割球形空間[V1]所得的區域為源節點1的右鄰域區。三個區域分別定義為[R1， R2， R3]區域。

由幾何原理可知，[R1，R2，R3]區域在圓平面[ABC]上的投影的夾角大小[θ1]，[θ2]和[θ3]應滿足下式：

為了分辨鄰近節點[j]所屬的區域，作出節點[j]在平面[ABC]上的投影點[j]，坐標為（[xj，yj，zj]），其中，[dij]，[dsj]，[daj]，[dbj] 和 [dcj] 分別為投影點[j]到源節點1、目標節點2、點[A]、點[B]和點[C]的距離，[dis]為源節點1到目標節點2的距離，[θsij]為點 [j]與源節點1和目標節點2的夾角。可以通過下式分辨[j]所屬的區域：

2.3" 路線發現

如果目標的路由信息不可用，則由源節點啟動路由發現進程。在ADA協議中，只需要源節點和目標節點的相對位置，而不像其他路由協議需要完整的路由通信[8]。在此階段中，根據源節點和目標節點的相對位置，源節點向特定方向廣播并發送一個路由請求（ROUTE REQUEST，RREQ），其中包含位置信息。RREQ數據包將被定向轉發直到到達目的地。目標的相對位置是基于本地化機制計算的[5]，在計算相對位置后，目標節點將向源節點發送帶有計算位置的路由回復（ROUTE REPLY，RREP）消息。源節點將此信息存儲在路由表中，以便以后進行路由。為了減小路由表的大小，ADA協議的路由信息非常簡單，只包含目標地址及其相對位置。

2.4" 定向轉發操作

根據節點鄰域空間的劃分，節點只需要向屬于前向區域[R1]的鄰近節點轉發數據包。節點轉發的數據還附加了目標節點的位置、路由信息和節點ID，計算方向還用于確定前向區域[R1]最近的actor節點信息。如果得到了最近的actor節點信息，則發送節點首先檢查最近的actor節點和目標節點之間的相對位置。此過程是為了避免從發送節點到actor節點的距離比到目標節點更長的次優問題。如果最近的actor節點比目的地更近，則數據包將根據其相對位置，通過最近的actor節點轉發到目的地。

如果發送節點是傳感器節點，并且最近的actor節點不存在或離目標節點比較遠，則數據包將轉發到該方向最近的下一個躍點，以節省傳感器能量。數據包將連續轉發，直到到達最終目標。

3" 仿真和性能分析

為了評價WSAN網絡中ADA協議的性能，采用Matlab軟件進行仿真，將三維環境下的ADA協議的性能與傳統的全方向天線的協議進行比較。在沒有障礙物的部署環境中，ADA協議將與一種定向集群路由協議（Directional Multi?hop Clustering Routing Protocol，DMCR）[9]以及一種WSAN的有效協調路由協議（Efficient Coordination and Routing Protocol，ECR）[10]進行對比。WSAN網絡區域內隨機部署了1 000個靜態的sensor節點，并有多個actor節點。

本文主要從三個方面進行比較：數據包傳送延遲;傳感器節點的平均能耗比;數據包可靠性。部署環境中隨機產生一個向目標節點轉發數據的請求，由第一個收到請求的節點作為源節點并發起轉發。仿真參數如表1所示。

從圖3中可以看到在部署不同數量的actor節點時，WSAN使用每種協議所得到的平均端到端數據包傳送延遲。圖3顯示，當actor節點較少時，ADA協議的端到端數據包傳送延遲與DMCR，ECR相近。當actor節點數量增加到20，30，40和50時，DMCR，ECR的端到端數據包傳送延遲幾乎沒有變化，但ADA協議的性能有著顯著的提高。結果證明了ADA協議的優點，ADA協議中的定向傳輸有助于提高信號增益，減少碰撞概率，并提高傳輸范圍。與能量受限的sensor節點相比，具有豐富的能量容量和更高傳輸范圍的actor節點加速了數據包的轉發。當將actor節點的數量從10增加到40時，大多數的sensor節點可以輕松地找到最近的actor節點作為轉發錨點，ADA協議的延遲降低率就會迅速增加。

圖4顯示了傳感器節點的平均能耗，可以看出其他協議（ADA協議除外）不會受益于部署更多有豐富資源的actor節點。當增加actor節點的數量時，平均能耗不會有太大的變化。原因是這些協議不利用有豐富資源的actor節點來與傳感器節點共同承擔轉發開銷。幾種協議中，ADA協議達到了傳感器節點的最高能效，即與其他協議相比，ADA協議有最長的網絡工作壽命。當網絡中存在更多actor節點時， 傳感器節點的能量消耗大大減少，網絡生存期將顯著增加。ADA協議的消息包數量更少，這是由于定向傳輸排除了遠離目標節點的數據傳輸，這對于提高WSAN網絡的生存時間是有利的。

數據包可靠性是WSAN網絡的一個重要因素。圖5展現了不同數量的數據包下，各種協議的數據包傳遞比率。數據包傳遞比率即源節點生成的消息總數和目標節點上接收消息的數量之比。與其他協議相比，ADA協議數據包傳遞率更高。當部署更多的actor節點時，ADA協議數據包傳遞率逐漸增加，并保持在92%以上。在數據包可靠性方面，ADA協議具有優勢。

4" 結" 論

本文提出基于智能天線的定向傳播路由協議在WSAN中的應用。ADA協議利用智能天線和定向傳輸對WSAN網絡的端對端的數據傳遞進行了改善，減少了數據的傳輸和接收，降低了數據包的傳送延遲。ADA協議強調了豐富資源的actor節點的重要作用，并為sensor節點節省能源，進而延長了WSAN網絡的工作壽命。ADA協議提高了數據包的傳遞率，使WSAN網絡數據傳遞的可靠性得到了增長。通過大量的實驗模擬證明了ADA協議在數據包傳送延遲、網絡生命周期和數據包可靠性方面均優于其他全方向天線的協議。

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