面向应急监控的无线传感器网络跨层通信设计

面向应急监控的无线传感器网络跨层通信设计

赵玉正

中国通信建设集团设计院有限公司第四分公司河南郑州450001

摘要：面向应急监控应用的无线传感器网络的通信面临着由于网络拓扑的动态性和时变性，以及应急灾难事件突发区域数据量剧增而造成的网络数据传输冲突严重等问题。针对这些问题，提出设计思路，实验结果表明随着设定灾难模型蔓延和扩大以及数据源增加的情况下，都具有良好的数据投递率、实时性和能量效率；提出的机制适用于各类型灾难应急场景，与同类研究相比具有其优越性。

关键词：无线传感器网络；通信设计；跨层；应急监控

1模型和定义

融合物理层、MAC层和路由层的跨层设计中要解决的关键问题包括：a）功率消耗、能量和实时的折中问题。显然，增大节点发送功率，可以提高数据的实时投递，但会增加节点功耗，使其能量减少；b）干扰控制和实时的折中问题。增大节点发送功率在增加实时投递率的同时，也会增加网间信号的碰撞和干扰，从而导致网络性能降低。因此，这里将综合考虑功率控制、链路调度和实时路由的问题，在进行转发节点选择的时候，选择适当的发送功率，进行实时的TDMA链路调度，以保证较高概率的实时数据投递。式（1）是由信噪比定义干扰的物理模型。从节点u发送的传输满足式（1）时，可以在时槽t被节点v成功接收。

其中：τ为在时槽t时刻的同时传输对；puv为链路（u，v）上节点u的发送功率；Gum为链路（ump）上的信道增益，取决于路径丢失、信道衰退和遮蔽；β为由Quos要求所决定的阈值如比特差错率；N0为热噪声功率。干扰的协议模式定义可以用于评估干扰在节点间的通信影响。为保证节点从邻居有效地接收数据，必须保证当前传输对与其他传输至少为D的安全距离（可不受干扰影响）。本文中为了简化问题，用干扰范围来定义干扰模型，并定义干扰半径等于传输半径，即干扰范围为节点的2跳范围。

2模拟结果和分析

采用NS2模拟工具搭建实验环境、获得数据。为了搭建接近真实情况的模拟环境，参考了MICAz系列传感器节点的各项参数用于实验，

所有节点工作在3档可调节功率情况下，初始采用最小档功率作为默认发送功率。采用100个节点均匀放置在100m×100m的区域。随机选择4个源节点和20个源节点向sink节点报道事件数据，实验中使用1个sink节点，模拟时间是300s。模拟场景中，一个随机选择的灾难源在30s产生，网络中所有节点不能移动，灾难事件以恒定的每隔10s向其邻居节点扩散蔓延，处于灾难事件中节点经过10s时间将无法工作处于失效状态。此外当节点的剩余能量低于1%时，也无法正常工作。比较RPAR功率控制的实时路由在4个源节点和20个源节点情况下的网络性能（这些源节点在网络中周期性产生CBR数据流）。然后对比本文提出的跨层集中式（CCC）算法和分布式（DCC）算法。

其结果显示出当最大延时要求从30ms依次按5s递增放宽到100s的情况下，当网络中有4个随机数据源和20个随机数据源报道数据时，路由得到的包的非实时丢失率。由此可以看出，当灾难蔓延和扩散、多个节点报道事件数据时，RPAR的性能由于干扰和实时路由的影响，包丢失率非常高。

其结果显示当网络中有20个随机数据源报道数据时，最大延时要求从30ms依次按5s递增放宽到100s的情况下，RPAR、DCC和CCC的端到端路由投递延时的结果。RPAR由于干扰的原因，端到端投递延时最大，相比而言DCC和CCC具有良好的实验结果，因为在这两种算法中引入了跨层机制，在选择实时路由的同时，为链路选定一个低干扰的时槽用于传输，从而减少了信号碰撞和干扰。从实验结果可以看出，DCC的算法实验数据与CCC集中式十分接近，因此DCC的分布式解性能良好。

其结果显示当网络中有20个随机数据源报道数据时，最大延时要求从30ms依次按5s递增放宽到100s的情况下，RPAR、DCC和CCC的包非实时丢失率的结果。由于功率增大干扰增加的影响，RPAR的包丢失率很高。而DCC和CCC引入的链路调度有效减少了网间并行传输的干扰，结构表明其具有良好的性能。其显示了随着模拟时间从100s到300s时间内，使用RPAR和DCC、CCC三种机制情况下，网络节点平均剩余能量对比。

结束语

面向应急监控的无线传感器网络能够协作地实时监测、感知和采集分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理。在该过程中，数据的实时路由对应用的成功起着至关重要的作用。针对这种情况，本文提出一种跨层设计方法，融合了功率控制、链路调度和实时路由。并提出一种基于线性规划的集中式解决方法和一种启发式的分布式算法。NS2模拟结果表明，与相关研究对比，文中提出的算法在应急灾难模型下随着数据源增加时具有良好的数据投递率、实时性和能量效率。

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