高可靠线型无线传感网优化研究

郭良 韩韧 冯翔

摘 要：分析IEEE802.15.4自组无线传感网，以解决货运列车线型传感网系统低功耗、高可靠需求。基于REER协议中通信代价计算方法，利用IEEE802.15.4网络中RSL和剩余能量情况进行数据高可靠传输路径规划，实现降低功耗、提高可靠性目的。仿真验证表明：优化后的路由选择算法可降低列车传感网的功耗以及丢包率，提高线型传感网的生命周期和可靠性，与传统线型无线传感网对比表现出很大优势，对货运列车线型无线监测网络设计极具参考价值。

关键词：高可靠；线型网络；IEEE802.15.4；低功耗；多路径

DOI：10.11907/rjdk.172802

中图分类号：TP393

文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2018）005-0195-03

Abstract：IEEE802.15.4 self-organized wireless sensor network is analyzed to meet the low power consumption and high reliability requirements of the the freight train line monitoring sensor network system. Based on the REER protocol communication cost calculation method， RSL in IEEE802.15.4 network and residual energy situation，we make the high reliability data transmission path to reduce power consumption and improvereliability. According to the simulation test， the optimized routing algorithm can reduce the power consumption of the entire train sensor network and packet loss rate， and improve linear sensor network lifetime and reliability. It far outweighs the traditional linear wireless sensor network for its value in freight train line wireless monitoring network design.

Key Words：highly reliable； linear network； IEEE802.15.4； low power； multipath

0 引言

物流裝备正朝着智能化方向发展，行进货运列车状态监测对列车结构疲劳程度评估、预防事故发生、货物追踪有着重要意义。铁路运输系统没有成熟的低功耗、高可靠自组传感网设计方案，基于leach协议改进的传统线型无线传感网仍存在许多难以解决的弊端，货运列车要实现各部位无线监测面临以下问题：①采用无线通信的监测系统，由于通信能耗很大，很难解决能量供应难题；②传统无线传感网无法满足铁路行业高可靠性要求，存在数据丢失严重、组网不灵活等问题。因此，线型传感网降低丢包率和能耗，对提高系统可靠性、延长网络生命周期有着重要意义。

随着物联网技术的发展，近年出现的IEEE 802.15.4标准因其物理层的能量高效性和鲁棒性，以及介质接入控制（media access control，MAC）子层的灵活性[1]，非常适合工业无线传感器网络应用。与其它无线通信技术相比，具有复杂度低、布线成本极低、功耗很小及较高的抗干扰与多径时延干扰能力，因此IEEE 802.15.4标准成为工业无线传感器网络领域非常重要的通信协议。本文首先对IEEE802.15.4网络标准进行研究，通过实验分析得出无线监测网络中存在的问题，然后针对问题进行剖析并查阅相关资料，结合REER无线传输算法模型进行改进，即参照IEEE802.15.4无线网络节点剩余能量和RSL[2]等因素，加入分层策略，得出最终优化方案。与传统线型无线传感网进行仿真，对比得出改进算法的优势，为货运列车线型无线监测网络设计提供参考方案，见图1。

1 相关工作

文献[3]介绍了无线传感网的可靠性建模，分别从信道质量、传感点剩余能量、信噪比、跳数、节点缓存等方面进行数学建模，分析得出各算法的优缺点。文献[4]基于节点能量、节点缓存、信噪比建立可靠性计算模型。文献[5]根据信道质量、跳数、期望可靠性计算出保证至少一个原始数据包到达目的节点所需的数据包拷贝数，以较小的通信开销、较低的时延达到期望可靠性，但忽略了节点能耗和链路质量问题。文献[6]根据文献[4]的标准模型，建立冗余路径算法，降低了时延和能耗，提高了可靠性。但没有考虑较为苛刻环境下的无线干扰问题。

图2是利用标准IEEE 802.15.4无线网进行测试所得丢包率数据和网络能耗信息。从图2（a）可以看出，随着发射功率的增大，丢包率随之降低，因此需要针对铁路环境的具体状况设置相应的发射功率及休眠时间，从而提高网络节点的能量利用率；图2（b）是网络生命周期随数据发送频率变化的趋势图，从中可以看出，随着数据发送频率降低，网络生存周期相应变长，因此网络节点能耗优化对网络生命周期和数据传输路径规划影响极大。

2 模型优化及路径选择

根据实验和网络标准分析，可建立能耗和可靠性模型进行路径规划选择。REER协议[6]提出一种多路径路由协议，在路径建立阶段，利用代价方程综合考虑节点的剩余能量、节点可用缓冲区大小以及信噪比，选择最佳的下一跳节点。

本文基于IEEE 802.15.4无线网控制模式，结合IEEE802.15.4网络特性，将Iinterference，xy替换为IEEE802.15.4网络中RSLx，y进行计算，忽略节点缓冲区因素得出单跳代价方程（2）：

根据单跳代价公式，通过累加得出单条成功通信路径的总代价，见式（3）。根据IEEE802.15.4网络特性，每个节点至少会形成两条上传路径，当前传输路径遇阻后，数据包随即切换到备用路径。为防止循环路径产生，本文首先加入节点分层设计，层次由加入网络的先后顺序进行规划，然后基于得出的代价模型进行通信路径划分，通过多条路径同时传输，增加原始数据成功传输到目的节点的可靠性。

3 算法实现

3.1 算法流程

基于IEEE802.15.4无线传感网络特性，网络管理由基站程序统一实现，此设计方案拥有两方面优势：①可减少因单个节点故障带来的通信失败概率；②可减少节点的计算能耗开销[9]。算法分网络信息初始化、路径优先级划分以及数据的探测传输3部分实现，如图3所示。

（1）网络信息初始化。基站与附近节点通信时，探测节点的能耗及其相邻节点之间的信噪比信息，由基站按照TDMA分配连接时隙等通信资源。基站远方节点依靠与网关连接的节点进行中继通信，向网关发送能耗以及周围信噪比信息，网关同时循环分配通信资源，划分节点层次。以此类推，直到网络所有节点都获取稳定的通信资源。

（2）路径优先级划分。基站获取初始信息后，根据剩余能量和传输节点间的RSL，计算各条路径通信代价，并根据通信代价进行路径优先级划分，得出数据传输的优先路径。首先设定优先数据通信代价区间，然后根据得到的通信代价进行归类。代价值越大，路径的优先级越高，最终级别的优先层次数由整个网络的规模决定。

（3）数据探测传输。传输路径探测规划完成后，即对数据进行节点的逐跳传输。路径遇阻后立即切换到次优路线传输，直至数据成功传输到Sink节点或基站。

3.2 应用模型

货运列车编解组频繁，本模型利用IEEE802.15.4无线传感可灵活自组特性[10]，快速实现网络自组以及修复。所有传感节点按照线型分布于各车厢，根据算法模型进行规划组网。应用模型如图4所示。

（1）基站可部署于列车头部车厢，节点分别部署于各车厢通信环境较好部位，整个网络成线型分布，网络节点的层次根据初始化信息划分。

（2）根据我国货运列车制造标准，车厢平均长度≤13m，本文设计网路中单个节点高可靠通信距离≥100m[11]，每个节点可至少覆盖前后两节车厢，形成至少两条通信路径，如图4中B1可通过A1与基站通信，也可直接与基站建立连接。

（3）根据（1）、（2）中的部署要点以及网络特性，结合本文改进算法模型，可进行网络自组以及通信，快速实现对整个列车运行状态的监测。

4 仿真结果与分析

结合本文优化后的算法模型，使用MATLAB仿真工具评估改进后的算法性能。为提高本文算法的可行性，根据标准IEEE802.15.4无线传感网测得的实际功耗数据（见表1）进行相关仿真参数设置（α，β为仿真过程中得出的最优解），并与传统的基于leach协议线型无线传感网络进行对比分析。

仿真实验结果如图5、图6所示。图5是传感节点随通信进行的轮数剩余能量的平均情况对比，从中可以看出本文优化算法在节点能量消耗方面明显小于基于leach协议改进的线型算法；图6是在较低RSL（链路可靠度）情况下，随网络节点增加的成功收包率趋势对比图，从中可以看出优化算法在10个节点内无优势，在大于10个节点后优势显现。综合以上仿真结果可知，基于REER优化后的算法模型在降低功耗、提高可靠性方面具有一定的优势。

5 结语

本文针对传统货运列车线型无线监测网络需求，以及现有工业无线传感能耗不均、可靠性低等问题，结合IEEE802.15.4无线传感网优势，对REER无线传感网路径选择算法进行优化。仿真结果表明，优化后的算法可降低传感网能耗，提高网络生命周期。与传统leach线型无线传感网相比，在可靠性传输等方面具有较大优势。本文的线型高可靠無线传感网模型可拓展到如智慧城市中井盖状态监测、能源建设的管道状态监测等线型应用场景中。

参考文献：

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（责任编辑：杜能钢）