机载无线传感器网络的传输可靠性研究

陈燎，孙文慧，李仲兴

（江苏大学汽车与交通工程学院，江苏镇江 212013）

无线传感器网络（Wireless Sensor Network,WSN）是由随机分布的节点组成的无线自组织网络，适用于各种场合的远程监控，而无线传感器网络可靠性是保证通信系统正常运行和任务顺利完成的关键因素。

相关文献中，关于WSN 可靠性评估的主要分为链路传输和网络结构两大类[1-6]，在农机领域，专家学者主要从定位算法和集成技术对WSN 进行研究[7-9]。目前的探索集中于路由协议、数据传输等方面，并未形成统一的标准来评估WSN 的可靠性[10]，尤其是在农机等重要领域。

因此，该文面向ZigBee 标准的机载无线传感器网络，针对遮挡障碍导致的信号衰落问题，建立了传输可靠性评估模型，模型创新性地分别讨论了通信模块、处理模块和链路质量对传输可靠性的影响，通过仿真实验对模型进行评估分析。

1 问题描述

拖拉机对数据传输速率要求不高、通信范围有限、网络简单，同时运行环境恶劣、工况复杂、节点之间遮挡屏蔽较多，在这样的农业装备上，很难给出传输可靠性综合性的评估，根据传统的连通、容量、性能可靠性评估方法，定义数据包成功传输的概率为评估依据，提出ZigBee 机载无线传感器网络的传输可靠性评估模型。

在拖拉机上，微处理器端的中心点与分节点的距离d、传输功率Ptr、信道衰落等通信参数下的链路质量水平各不相同。由图1 可知，中心点与分节点的距离从d1增加到d2时，为了接收到相同级别的信号，发射功率需要从Pd1增加到Pd2。由于中心点和分节点之间距离的增加，传播路径上产生障碍，使视线(Line-Of-Sight,LOS)传播变为非视线(Non-Line-Of-Sight,NLOS)传播，信道的衰落分布也随之改变。

图1 拖拉机通信参数

衰落分为大规模衰落和小规模衰落两种。对于无线传感器网络来说，大规模衰落的路径损失由经验评价来建模，表达式为：

式中，Xσ是一个高斯随机变量N(0，σ2)，也称为对数正态分布，PLF(d0)是参考距离d0处的路径损失，n是路径损失指数。

小规模衰落是由多个发射信号之间的干扰造成的，多径传输的衰落有莱斯分布和瑞利分布。莱斯分布指不同角度到达的随机多径分量叠加在某一平稳的信号上，即存在主导信号，否则就为瑞利分布。根据中心极限定理，随机多径分量由正态分布近似表示。莱斯分布表达式为：

式中，x为接收信号幅值，A为主导信号的峰值，I0为第一类零阶贝塞尔函数。

莱斯分布可由一个参数进行描述，该参数定义为主导信号功率与多径方差之间的比值，其表达式为：

瑞利分布可以看作是K→-∞时莱斯分布的一种特殊情况。机上LOS 信号服从莱斯分布，而其他NLOS 信号服从瑞利分布。

2 传输可靠性评估模型

针对拖拉机机身应用领域，要建立传输可靠性评估模型，需研究不同通信参数下机载无线传感器网络的链路质量[11-12]。现有定义如下：

定义1 链路质量Pl是指通信链路正常工作的概率。中心点和分节点之间的单条链路质量取决于吞吐量和丢包率。

定义2 吞吐量是指成功发送到802.15.4 MAC层以及更高级的总数据流量。

定义3 丢包率是所丢失数据包数量占所发送数据的比率。丢弃的数据包的错误不能被循环冗余校验(CRC)纠正，并且成功传输的数据包到达中心点的功率大于中心点灵敏度。

2.1 端到端传输模型

在建立可靠性模型时，需要考虑节点有限的通信半径、端到端的连通性等因素[13]。由于节点的通信半径有限，数据的流通过程为逐跳传输。两个节点之间的传输如图2 所示。

图2 描述了数据包的传输过程，分节点m通过无线链路将数据包发送给分节点n。数据包在通信链路L上传输，直到到达分节点n，分节点n对数据包进行处理后，传输到下一跳[14]。数据包从m成功传输到n的概率为Pnm，表达式为：

式中，PTm表示分节点m成功发送数据的概率；PRn表示分节点n成功接收数据的概率；PHm表示分节点m成功处理数据的概率；Pl表示通信链路L上的链路质量。

2.2 K端传输可靠性评估模型

1）网络假设和定义

WSN 是一种多跳网络，分节点在网络中随机分布。数据包由分节点通过中间节点传输到中心点，传输网络的目标是使中心点可靠地接收网络中检测到的信息[15]。研究创新性地考虑网络中分节点的两个模块：通信模块和处理模块。假设两个模块和通信链路都是相互独立的，正常工作具有一定的概率。

定义4 分节点从末端传感器或其他分节点收集数据信息，在传输前进行数据处理。处理模块正常工作的概率为Phan。

定义5 在WSN 中，数据是逐跳地传输到中心点的，这就要求节点的无线模块处于正常工作状态，以保证节点之间的传输。通信模块正常工作的概率为Pcom。

定义6 在WSN 中，定义Tp,centre为从分节点到中心点的任务事件。该任务可以通过备选路径来完成，选择跳数最少的一条为lp,centre。每条路径的可靠性不仅与Phan和Pcom有关，还与Pl有关。

2）单任务网络可靠性

首先计算单个任务的网络可靠性。无线传感器网络的拓扑结构可以分为星形结构、平面结构、簇状结构等多种类型，不同的拓扑结构影响可靠性的计算。

如果路径lp,centre由N个节点和N-1 条链路组成，则定义每个节点的可靠性等于处理模块正常工作的概率Phan乘以通信模块正常工作的概率Pcom。

在平面结构的WSN 中随机分布节点，分节点采集的数据被逐跳传输到中心点。假设数据报文可以通过N个节点转发到中心点，其可靠性可表示为：

在簇状结构中，节点被组织成簇，簇中的成员节点将收集到的信息直接转发给簇头。数据由簇头聚合，然后转发到中心点。因此，每个数据包经过两跳和两条链路从簇头传递到中心点。由于分节点的同构性，不同节点的Phan和Pcom应该是相同的。因此，每个任务的可靠性计算公式如下：

不同的拓扑结构使得单个任务可靠性的计算公式不同，可将公式综合描述为：

3）多任务网络可靠性

由于多个任务可能同时发生，因此计算整个网络的可靠性而不是单个任务的可靠性具有十分重要的意义[16]。假设网络中随机分布有R个分节点，则有R个任务同时发生。系统的可靠性可描述如下：

αlp,centre是在整个网络中多个任务之间进行权衡的权重因子，实验时考虑的考察范围有限，将每个节点的权值视为相同，则可进一步将公式进行简化。Psingle表示单个传输任务完成的概率。

3 仿真实验及分析

通过软件OPNET 进行仿真，评估无线传感器网络的传输可靠性。在仿真实验中，将中心点设置在网络区域的中心，分节点随机分布在其周围。

3.1 仿真设置

分节点和中心点在机上相互通信，中心点通过分节点定时采集传感器报文或数据。将中心点和分节点设置在半径为1～6 m 的圆形范围内，覆盖整个拖拉机机身。

实验中使用的通信参数如下：

①分节点发射功率集：{-10，-15，-20，-25}dBm，适用于ZigBee；②载频：2.4 GHz；③中心点接收灵敏度：采用典型的ZigBee 接收阈值，设置为-95 dBm；④传输周期：10 ms；⑤信道：考虑适用于机载无线传感器网络，信道1(a,b)为莱斯衰落LOS 路径，参数k值分别为20.16 dB 和16.08 dB；信道2(a,b)为瑞利衰落NLOS 路径，参数k值趋于无穷。信道1(a)和2(a)的路径损失指数n为3，信道1(b)和2(b)的路径损失指数n为4，遮蔽偏差σ值为8 dB。⑥包大小：220 位，其中，ZigBee 包头120 位，数据100 位；⑦整个网络设置分节点：50 个；⑧WSN 的面积：半径为6 m的圆形范围；⑨设置默认值：Phan=0.98，Pcom=0.98，Pl=0.9[17-18]。

3.2 链路质量分析实验

如定义1 所述，实验从吞吐量和丢包率的角度讨论中心点和分节点之间的链路质量。在吞吐量方面，分析了平均吞吐量随中心点和分节点距离、传输功率的变化以及衰落分布的影响而变化的几种情况。信道2(a,b)的平均吞吐量如图3 所示。

图3 信道2(a,b)的平均吞吐量

图3显示了信道2(a,b)的平均吞吐量随中心点和分节点距离以及传输功率的变化规律。随着距离的增加，平均吞吐量呈下降趋势，产生这种趋势是由于到达中心点的数据包功率逐渐降低。从式（1）可以分析得出，路径损失随着距离的增加而增加，同时对数正态分布影响了接收功率在时间上的波动，导致数据包到达中心点的功率低于中心点的灵敏度，所以中心点将接收到的数据包评估为噪声，造成了数据包丢失，进而降低通信性能，使平均吞吐量下降。并且传输功率越低，路径损失指数越大，吞吐量越小。信道1(a)和信道2(a)的平均吞吐量如图4 所示。

图4 信道1(a)和信道2(a)的平均吞吐量

从图4 中可以看出，信道1(a)(莱斯衰落)的平均吞吐量优于信道2(a)(瑞利衰落)，因为在莱斯衰落中存在主导性信号分量。并且因为接收功率低于中心点灵敏度，当中心点和分节点之间的距离从4 m 增加到5 m 时平均吞吐量急剧减少,例如在-25 dBm 莱斯衰落的情况下，5 m 距离处平均吞吐量为12 kb/s，而在瑞利衰落的情况下，大约为8 kb/s。

图5 显示了信道1(a,b)数据丢包率随中心点和分节点的距离以及传输功率的变化情况。总体上，丢包率随中心点与分节点距离的增加而增大，因为当距离增加时，数据包到达中心点的功率逐渐降低，导致信噪比降低，误码率增加，从而使报文丢弃，丢包率增大。而对于较低的传输功率，例如Ptr=-25 dBm，n=4 在5～6 m 的区间内，随着距离的增加，丢包率出现减小趋势，这是因为此时中心点的接收功率低于中心点灵敏度，这与定义3 中的丢包率性能描述不一致。并且传输功率越低，路径损失指数越大，丢包率越大。

图5 丢包率与距离的关系

根据链路质量仿真结论，分节点与中心点及分节点与分节点之间一个单链距离在4 m 以内的数据传输较为可靠。

3.3 传输可靠性评估模型

从无线通信模块故障率、数据处理模块故障率及链路质量三方面，对平面结构和簇状结构下的可靠性进行对比分析。图6 和图7 展示了在两种网络拓扑结构下，节点的无线通信和数据处理模块故障率对可靠性的影响。

图6 Pcom 与可靠性的关系

图7 Phan 与可靠性的关系

如图6 和图7 所示，平面结构和簇状结构的可靠性随着模块故障率的增加而减小，当故障率达到0.008 后，可靠性开始迅速下降，并且不同的网络拓扑结构也会导致可靠性的不同：考虑无线通信模块故障率时，平面结构的可靠性连续高于簇状结构；考虑数据处理模块故障率时，簇状拓扑结构的可靠性连续高于平面结构。

图8 展示了在两种网络拓扑结构下的链路质量对可靠性的影响。随着通信链路质量的提高，系统的可靠性也在稳步提升，可靠性与链路质量呈线性关系，并且簇状结构的可靠性持续高于平面结构。特殊地，当链路质量Pl=1 时，系统也无法完全可靠，因为存在延迟或误码问题。

图8 链路质量Pl 与可靠性的关系

4 结论

以机载无线传感器网络为基础对通信链路质量进行分析，得出了拖拉机无线通信网络任意两节点之间布设的合理距离，即单链传输的相对可靠范围。建立了传输可靠性评估模型，综合无线通信模块故障率、数据处理模块故障率及链路质量三方面考察两种拓扑结构下的传输可靠性，仿真结果表明，簇状结构优于平面结构。因此，该研究为拖拉机领域无线传感器网络构建提供了参考数据和拓扑结构方案，实现了数据的可靠传输。