WSN角度协作路由协议中的中继选择

鲍 芳，杨 文，张雪莹

（广东工业大学 自动化学院，广东 广州510006）

0 引 言

无线传感器网络 （wireless sensor networks，WSN）具有节点冗余分布及在能量供给、计算能力及通信能力等方面均受限等特点，且采集的数据多与地理位置信息相联系，这使得无线传感器网络在利用地理位置信息方面比移动自组网更具有优势，基于地理位置信息的路由非常适合于传感器网络［1－4］。由于无线通信中的多径衰落严重影响链路质量，协作分集作为一种可以有效抵抗无线多径衰弱的虚拟多天线技术被融入到无线传感器网络中，网络中呈冗余分布的节点可以拥有一个或多个合作伙伴，每个节点在传输本节点信息的过程中可以分时利用自身的空间信道及其合作伙伴的空间信道，从而获得一定的空间分集增益［5－6］。

已有的协作地理位置路由协议的研究表明中继节点和目的节点之间的距离以及中继节点和目的节点在源节点处的夹角等因素会影响数据包投递率及路由算法的能量有效性等性能［7－11］。文献 ［7］的研究指出，无线链路的链路质量与相应节点间的欧式距离存在着复杂的关系：距离发送节点较近的区域中的各节点数据包接收率比较一致，距离发送节点较远区域的相近邻节点的数据包的接收率却波动较大。文献 ［8］提出了一种基于链路质量的地理位置路由度量方法，通过周期性监听邻居节点发送的数据包，依据其中的链路层序列号估算出相应的链路质量，得到数据包在该链路上传输时所花费的代价。再根据节点的地理位置信息，分别计算出当前节点和邻居节点与目的节点间的欧式距离，进一步得到邻居节点将数据包向目的节点推进的程度，并将推进程度最大的邻居节点选为下一跳节点。此算法改善了非理想链路上采用传统贪婪度量的地理位置路由协议的数据包投递率。

文献 ［9］考虑到在多节点的无线传感器网络获取和维持节点地理位置信息比较困难，而角度信息的获取通常比地理信息的获取容易，提出了一种随机转发角度协作路由协议。文献 ［10］则通过NS仿真来验证地理位置路由算法中的角度和距离组合的选取策略对路由算法性能的影响，指出对节点数较多的网络采用先距离后角度的路由算法，对节点数较少的网络采用先角度后距离的路由算法，能够有效地提高路由算法的能量有效性。

在有关协作地理位置路由协议的研究中，大多数文献采用仿真计算来验证不同路由算法对网络通信性能、网络能量有效性等方面的改善。考虑到普通无线传感器网络节点的硬件限制及计算能力，本文拟在随机转发角度协作路由协议的中继节点选择算法中增加距离因素的考虑，并以无线传感器网络节点普遍具备的RSSI（received signal strength indicator）研究角度与距离对角度协作路由最佳中继节点选择的影响，通过仿真及Zigbee节点硬件实验探讨角度协作路由中拥有多个相同距离但不同角度侦听节点以及具有相同角度但不同距离侦听节点条件下最佳中继节点的选择问题。

1 角度协作路由协议的中继节点选择

有别于随机转发角度协作路由协议中将角度信息独立作为侦听节点竞争成为中继节点的判断条件，角度协作路由协议的中继选择对拥有相同角度优先级别的侦听节点增加距离因素的考虑：拥有最高角度优先级别且距离最接近最佳中继位置的侦听节点将获得最高优先级并成为中继节点。

角度协作路由协议中继选择示意图如图1所示，以源节点S和目的节点D之间的连线作为横坐标，源节点S的自身角度为00，其通信区域覆盖范围内 （图1虚线圆周所围）的可选协作节点为RA、RB、RC和RD。其中RA和RB具有相同的角度信息即与源节点的倾斜角为θ1，RC和RD的角度信息即与源节点的倾斜角分别为θ2和θ3，并且有｜θ3｜＞｜θ2｜＞｜θ1｜。

当节点RB处于休眠状态时，源节点S仅拥有RA、RC和RD这3个侦听节点，由于RA的角度信息值即倾斜角θ1最接近源节点的角度00，角度协作路由协议将采用文献［9］随机转发角度协作路由协议的节点选择算法：RA由于具有最高的角度优先级而被选为协作中继节点来转发源节点S的数据包。

图1 角度协作路由协议中继节点选择

当节点RB由休眠状态转入活跃状态，也加入成为源节点S的侦听节点时，如何在拥有相同的倾斜角信息θ1但与源节点距离不同的侦听节点RA和RB中选择中继节点？文献 ［9］提出的随机转发角度协作路由协议未涉及这个问题。本文拟通过仿真及RSSI测距实验探讨在拥有相同角度信息但不同距离的多个侦听节点中 （例如图1的RA和RB）选择中继节点的问题。

2 实验仿真

设无线传感器网络在100.0m×100.0m的二维平面包含60个节点，其中源节点和目的节点之间的距离为50.0m，其余节点部署在源节点通信区域覆盖范围内且与源节点的距离分别为1.0m～10.0m，具有15°、30°、45°及60°等不同角度信息，验证在此仿真条件下随机转发角度协作路由协议目的节点的中断概率。仿真结果如图2所示，图中4条曲线分别对应中继节点与源节点的角度为15°、30°、45°及60°时目的节点处的中断概率p，横坐标d为中继节点与源节点的距离。

图2 随机转发角度协作路由协议中断概率曲线

由图2可以看到，在预设仿真条件下：①对于特定角度，目的节点的中断概率p呈现两头大中间小的趋势，即当中继节点与源节点越近时，中继节点与目的节点就越远，目的节点的中断概率会增大；当中继节点与目的节点越近时，中继节点与源节点就越远，目的节点接收数据包的中断概率亦会增大。②当中继节点与源节点的距离d一定时，中继节点倾斜角越大，目的节点的中断概率亦越大。这是由于当中继节点与源节点距离一定时，中继节点拥有的角度信息值越大，该节点距离目的节点越远，故目的节点处的中断概率将增大。③对应不同中继节点角度的4条曲线都有一个中断概率的最低点，即最佳中继位置。随着角度的增大，最佳中继位置与源节点的距离值也随之变大。

由此可见，中继节点具有的角度与距离将影响目的节点的中断概率。为保证通信质量，无线传感器网络在目的节点大中断概率条件下，中继节点需要反复重传数据包，增加了中继节点的能量负担，因此选择最佳中继节点将有助于无线传感网络节点在有效传输数据的情况下节省有限的能量资源，进而获取更长的无线传感器网络寿命。

3 RSSI测距实验

3.1 RSSI测距原理

RSSI测距普遍采用简化的Shadowing模型［12］

式中：d——无线信号传输距离 （m），A——信号传输距离为1m时接收信号的功率 （dBm），典型值取－45.0dBm，RSSI为传输距离d米处接收节点的接收信号功率 （dBm），n为路径损耗指数，是一个与环境相关的值。

由于无线信号的传输容易受到实际应用环境的影响，可以对测量结果即接收节点处的接收信号功率RSSI采用高斯模型处理，得到接收节点处接收消息信号强度有效测量值，再根据式 （1）确定传输距离d。

3.2 Zigbee节点测距

本实验采用简单的三节点通信模式，在空旷的户外环境由多个Zigbee C51RF－CC2430节点分别充当源节点、目的节点和中继节点。源节点S和目的节点D之间的实际距离｜SD｜0为50.0m，中继节点R的角度分别为15°、30°、45°及60°。源节点发出一条消息，之后中继节点向目的节点转发其接收到的消息。当中继节点与源节点的距离分别为1.0m～10.0m时，测量中继节点处接收源节点消息的RSSI值及目的节点接收中继节点转发消息时的RSSI值，对于同一地理位置处节点的接收消息信号强度RSSI值重复测量 10 次，记 为RSSI［i］（i＝ 1，2，...，10），并 根 据 式（2）所表示的高斯模型对同一地理位置处节点的RSSI测量结果进行处理：当高斯分布函数值F（x）大于0.6时，对应的RSSI［i］被视为有效测量结果，计入该节点处的接收消息信号强度有效测量值的平均值计算，否则被视为无效测量值，将被舍去

某节点处的接收消息信号强度有效测量值RSSI由下式求得

式中：k——经过式 （2）筛选后入选的RSSI的个数，k＜i。高斯模型在一定程度减小了随机因素对测试结果的影响。

表1为中继节点角度值为15°、30°、45°及60°，中继节点与源节点距离为1.0m～10.0m时，中继节点和目的节点处的RSSI有效测量值，R（S）代表源节点发送时中继节点处的RSSI有效测量值，D（R）代表中继节点发送时目的节点处的RSSI有效测量值。

根据实验环境，可设式 （1）中的n为3。由式 （1）及表1所示的RSSI有效测量值，可得到中继节点与源节点之间距离的测量值｜SR｜及中继节点与目的节点距离的测量值｜RD｜。

如图1所示，已知｜SR｜、｜RD｜及｜SR｜与｜SD｜之间的夹角θ，可求出源节点S与目的节点D距离的测量值｜SD｜为

表1 中继节点和目的节点处RSSI有效测量值

取式 （4）两个解中符合实际意义的一个即为源节点与目的节点距离的测量值。基于不同位置中继节点条件下源节点与目的节点距离的测量值｜SD｜见表2。

表2 基于不同位置中继节点条件下的｜SD｜

由于源节点与目的节点距离的实际值｜SD｜0为50.0m，根据表2可以获得不同位置中继节点下的源节点与目的节点距离测量的相对误差，如图3所示。

图3 源节点与目的节点距离测量相对误差曲线

由图3可以看到：①不同角度中继节点下的距离测量相对误差曲线都有一个最小值，基于该中继节点的源节点与目的节点距离测量的相对误差最小，该点即为中继节点的最佳中继位置；②随着中继节点偏离最佳中继位置，基于中继节点的源节点与目的节点距离的测量误差也随之增大。实验所获得的源节点与目的节点距离测量的相对误差曲线与图2的中断概率仿真曲线相吻合。

本测距实验从Zigbee节点接收的信号强度RSSI的角度验证了在角度协作路由协议中，角度和距离两个因素都影响最佳中继位置的选择，实际应用时侦听节点可以根据节点角度信息以及由接收信号RSSI值转换获得的距离与最佳中继位置的偏离程度两个因素评估自身作为中继节点的优先权，但角度协作路由协议中不同角度信息值对应的最佳中继位置的确定有待进一步研究。

4 结束语

本文通过中断概率曲线仿真及基于中继节点的源节点与目的节点距离测量实验探讨了角度协作路由中继节点的选择问题。通过仿真随机转发角度协作路由协议不同位置中继节点条件下目的节点接收中断概率，指出最佳中继位置的存在。在三节点测距模型中，利用RSSI测距原理间接测量源节点与目的节点的距离，并通过高斯模型处理测量结果，最终获得基于不同位置中继节点的源节点与目的节点距离的测量相对误差。通过对此误差及目的节点中断概率仿真结果的对比分析，得出在角度路由协议中，中继节点的选择不仅与侦听节点的角度有关，而且与其与源节点的距离有关。实际应用时侦听节点可以根据节点角度信息以及由接收信号RSSI值转换获得的距离与最佳中继位置的偏离程度两个因素评估自身作为中继节点的优先权。

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