基于汇聚树协议的多信道通信算法的研究

◆杨 旭 王春佳



基于汇聚树协议的多信道通信算法的研究

◆杨 旭1王春佳2

（1.云南机电职业技术学院 云南 650203；2.云南师范大学 云南 650092）

在无线传感器网络的路由协议中，汇聚树协议主要通过单信道进行通信，使得通信过程中的WIFI和WSN出现冲突。基于此，本文提出一种自适应的信道分配算法，可避免信道阻塞问题的出现。首先对汇聚树协议进行了初步的分析，然后结合WSN和WIFI的频率特征，给出自适应多信道分配算法的具体应用步骤以及信道切换流程，最后结合对比实验，分析多信道通信算法的可行性，实验结果表明该算法对模块间通信报文改良提供了有效理论依据。

汇聚树协议；多信道；通信算法

0 前言

传统的单信道汇聚树协议使得WSN和WIFI（Wireless Fidelity）在同一个环境中开展工作，如果WSN和WIFI的信道出现重叠，将会对WSN的通信造成干扰，导致无线传感器出现较高的帧丢失率以及节点功耗。因此，在汇聚树协议中，技术人员需要应用多信道通信算法，确保WSN在受到WIFI的干扰时，能够切换到其他信道中，保障WSN的稳定通信。汇聚树协议的多信道通信算法主要是通过信道切换组件的应用，避免WIFI对WSN造成干扰。

1 汇聚树协议分析

在无线传感器运行应用的过程中，需要将自身采集到的数据信息传输到汇聚节点中，但是因为每个节点的通信距离具有一定的局限性，所以无线传感器系统通过汇聚树协议的应用，在采集节点和汇聚节点之间构建网络，从而扩大通信范围。在通信网络中，每一个节点既是发送节点，也是接收节点。汇聚节点和其他节点呈现出树形结构。在汇聚树协议中，主要包括链路质量估计器、路由引擎以及转发引擎这三个组件。其中，链路质量估计器主要用来估算单跳的ETX值（期望传送值）；路由引起会按照链路估计的结果和网络层实际状况（比如是否存在拥堵现象），进行路由下一跳节点的选择；转发引擎主要用来维护发送包队列，选择最佳的数据发送时机。

汇聚树协议中有独有的汇聚树算法，能够对信道通信进行控制。在汇聚树协议通信过程中，会将ETX值作为路由梯度，通信网络汇总的节点会根据EXT值的大小进行最优通信路径的选择。通常情况下，汇聚树协议通信中的链路质量由收包率来体现。其中，子节点和父节点之间的ETX值计算公式为：

ETX=1/(df*dt)。

公式中，df主要是指从发送节点发送到接收节点的收包率；dt主要是指接收节点发送到发送节点的收包率。在实际的数据传输过程中，通信路径上的ETX值呈逐级递减趋势。如果发送节点的ETX值要小于接收节点的ETX值，就表明发送节点中存在路由循环，或者其具备的路由信息过期。这一现象可以用来检测路由的一致性，准确分析路由中是否存在循环，从而采取广播路由帧的方式解决路由循环问题，保障无线传感器数据信息传输的有效性[1]。

2 基于汇聚树协议的多信道通信算法分析

2.1 WSN和WIFI频率特征分析

通常情况下，在2.4GHz的频段内，802.11b/g/n协议可以定义13个可用信道。这些信道的带宽均为22MHz，相邻信道之间的间隔为3MHz。在802.15.4协议中，WSN的主要工作频段为2.4GHz的ISM，使其四个信道频带和WIFI重叠。但是和WIFI信号功率相比，WSN的信号功率要小1-2个数量级。因此，在两者信道重叠时，WIFI会对WSN造成较大的干扰。

2.2 多信道的分配算法分析

基于上述频道特征峰分析，分配算法的设计目标在于将WSN切换到不和WIFI重叠的信道上，实现WSN的高效通信。在WSN网络中，一共有16个可用信道，信道的带宽均为3MHz；相邻信道之间的间隔为2MHz。其中，26信道是稳定性最强，最不容易受到WIFI干扰的信道。因此，在进行多信道分配算法的设计时，技术人员可以将该信道设置为控制信道，并将第11-第25信道设置为数据信道，控制信道主要用来传输控制指令以及预约信道；数据信道主要用来通信。

在实际的信道切换过程中，WSN节点首先需要明确WIFI所在的信道，避免与WIFI重叠。具体的信道分析计算算法如下：将WIFI信道的信道号设置为Idwifi，如果Idwsn∈[Idwifi+10，Idwifi+13），那么信道号是Idwsn的WSN信号就与信道号是Idwifi的WIFI信道重叠。在通信的过程中，如果信道号为Idwsn的WSN信道已经收到WIFI的干扰，那么技术人员可以通过如下算法的循环操作，掌握具体的Idwifi值：第一，将Idwsn+1，对13取模更新，得出Idwsn=（Idwsn+1）mod13的公式；第二，测试WSN的新信道是否存在WIFI，如果存在WIFI信号，对于WSN造成干扰，则重复步骤一，如果不存在WIFI信号，不会对WSN造成干扰，则进行步骤三；第三，将WIFI信号的工作信道判定为Idwsn-13，Idwsn就是WSN不会受到干扰的信道。具体的WSN干扰判断标准如下：如果WSN在信道中的丢包率小于1%以内，和存在WIFI干扰相比，通信时间的延长小于25%，就表明WSN成功避开了WIFI[2]。

2.3 信道切换流程分析

如果通信质量相对较差，网络会通过汇聚树协议完成路由的更换，如果更换路由完成之后，通信质量仍旧没有明显提升，汇聚树协议会利用广播的方法通知相邻的节点，完成信道切换，从而实现拥塞信道的躲避。在实际的路由帧发送过程中，发送节点Sender会在控制信道上进行请求信息Req的广播，请求信息主要是指需要通信的具体数据信道号；在广播信息被接收节点Receiver接收之后，会自动切换到请求信息中提到的数据信道号，并向发送节点发送反馈信息；在发送节点接收到反馈信息之后，也会切换到请求信息中的数据信道号，完成信道的切换。当发送节点与接收节点完成一次通信之后，会自动回到控制信道中，接收相应的控制信息，完成下一次通信。基于多信道通信算法，WSN中的不同节点可以在不同信道中进行数据信息的传输，在很大程度上避免了信道冲突问题，还可以防止数据信息重发现象的出现。

2.4 多信道通信算法的实践分析

为了进一步明确本文提出的多信道通信算法应用效果，进行了WSN多点组网通信实验，共进行三次实验。实验的总体流程如下：在90m2的空间内，将10个下位机节点进行随机分布，并将利用串口相连方式将网关板和PC机连接在一起。按照每500ms发送一个数据包的速度，发送节点进行五百个数据包的传输。记录传输结束的收包数量及传输时间。其中，WSN的WIFI干扰主要通过无线路由器和PC机来实现，将无线路由器设置在信道1工作，然后由PC机A按照利用WIFI1-1.5Mb/s的速度，向PC机B进行10G大小文件的传输。

实验一，在没有WIFI信号干扰的条件下，进行单信道汇聚树协议通信。通信的结果显示，平均收包数量为499.5；传输时间为5分钟。

实验二，在有WIFI信号干扰的条件下，进行单信道汇聚树协议通信。通信的结果显示，平均收包数量为375.5；传输时间为43分钟。

实验三，在有WIFI信号干扰的条件下，进行多信道汇聚树协议通信。通信的结果显示，平均收包数量为496.7；传输时间为7分钟。

通过上述实验结果可知，在没有WIFI信号干扰的条件下，单信道汇聚树协议具有良好的通信效果。但是在WIFI信号的干扰下，单信道汇聚树协议的通信效果有显著的降低。而通过多信道算法的应用，进行多信道汇聚树协议通信，即使是在同样的WIFI信号干扰下，多信道汇聚树协议通信仍旧是ESP8285模块网络通信较为理想的通信方式。由此可以看出，本文分析的多信道通信算法，可以显著提升汇聚树协议通信的效果，避免ESP8285的WIFI信号对WSN通信造成干扰。需要注意的是，在实际的多信道通信中，由于频繁切换信道需要花费一定的时间，所以多信道汇聚树通信花费的传输时间相对较长[3]。

3 结论

综上所述，在汇聚树协议通信的过程中，ESP8285的WIFI信号会对WSN信号的通信造成干扰，需进行算法改进。通过本文的分析可知，自适应多信道分配算法对传统的单片机模块之间的通信报文改良提供了可靠的理论依据，能有效提高下位机模块间通信的效率。

[1]李文琴,汪大清,文俊浩.基于多信道通信系统的绿色节能算法[J].激光杂志,2014.

[2]谢鲲,李秦古.多接口多信道无线Mesh网络中面向协作通信的接口分配算法[J].小型微型计算机系统,2014.

[3]李兴. 多信道无线传感器网络信道调度及汇聚路由算法研究[D].西安电子科技大学,2014.

[4]杨旭，沈俊鑫.基于可变步长的常数模盲均衡算法[J].计算机工程与应用，2014.