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基于时分多址的无源无线传感器网络多跳路由算法技术研究

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寸怡鹏唐涛王菲姜德航谢卓然

摘要

无源无线传感器网络中选择多跳路由进行数据传输时，很容易出现传感器节点选择不合理引发的过载现象，严重时会导致网络瘫痪，这对网络传输性能会产生很不利影响。本文对这种问题产生原因进行分析，而引入时分多址技术，并结合网络拓扑特征，提出一种通过合理分配超帧时隙和选择中继节点的多跳路由算法。在无源无线传感器网络中部署多节点进行多跳路由传输测试，验证了该多跳路由算法的可行性。

关键词

无源无线传感器网络;多跳路由;时分多址

：TN929.5;TP212.9???????：A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.017

0引言

随着目前传感器节点的尺寸功耗不断降低，性能日益提升，其应用领域开始迅速扩大[1]。传感器节点大部分都用到移动电源提供能量，这对其环境适用性产生一定不利影响。为有效地避免这一问题，无源无线传感器网络被研发出。无源无线传感器网络是指能够收集能量，并且能采集数据、计算、组网传输数据的网络，通常用于没有稳定供电的应用场景[2]。

1研究背景

图1显示了这种网络的拓扑结构情况，分析可知其中的组成单元主要有传感器节点和网关。可基于传感器节点的位置进行划分，而将这种网络划分为不同的区域，从1到H区。其中H代表总区数，各区域中的传感器节点为4个，对这些节点依据顺序编码序，各区域内的节点依据逆时针顺序编码，全部节点一直编码从1到N，通过编码相关十六进制数描述这些节点的位置。其中第一个区域的中继节点为网关，由其他区域的中继节点基于对应的方案确定。在进行传感器节点的数据传输时，依据从h+1到h区的顺序进行。

对这种网络而言，节点一般通过多跳路由网络进行数据传输，每个节点均有可能被选为中继节点。如果某节点长时间执行数据转发的任务，则该节点的电量将消耗殆尽，与此同时，邻居节点由于没有进行数据转发，其剩余电量仍然较多，将造成网络中能耗分布不均的问题。利用无源无线传感器网络可以收集能量的特点，设计一种保证节点间能耗均衡的多跳路由算法成了无线传感器领域的研究热点。

在无源无线传感器网络多跳路由过程中通常采用载波侦听多路访问（CSMA）机制来调度节点访问无线网络的顺序和时间。但是采用该机制可能导致信息在传输信道上相互冲突而遭到破坏，为此CSMA采用了CSMA/CA（CollisionAvoidance）和CSMA/CD（CollisionDetection）的方法来减少或者避免冲突的发生。这两种方法均会通过随机等待一段时间发送数据来避免冲突的发生，存在无法保证传输实时性的问题。

2多跳路由算法改进

节点在进行数据传输过程中需要消耗能量，为了解决网络中能耗分布不均的问题，需要合理选择每个区的中继节点，使得每个区内节点根据自身情况轮流承担数据转发的任务。为了能改进多跳路由算法，本文分配了超帧时隙并且设计了中继节点选择方案。

2.1超帧时隙

为有效地避免这种传感器网络中CSMA机制造成的通信冲突问题，本文使用了无线传感器网络通信技术中的时分多址方式[3]。

在将时分多址技术应用于多跳路由算法的过程中，需要对超帧的时隙进行合理分配。下图2显示了超帧时隙的分配相关情况，具体分析可知其中，t代表节点运行在第t个活跃周期。对這种周期而言，其对应的超帧可进一步划分为7个时隙段，可实现的功能主要如重选通知、选择结果反馈、数据采集、休眠等。其中各时隙段可进一步划分为Hi个时隙，各时隙长表示为Lslot，这样就可计算出时隙段长度表示为HiLslot，一般情况下Lslot为10ms。

2.2中继节点选择方案

首先，提出了一种根据网络中节点的多种指标来动态选择中继节点的方法;其次，中继节点需要根据自身的剩余电量和能量收集速率来决定是否需要重新选择中继节点;最后，以网络中节点的一个工作周期为例，设计了中继节点选择方案的流程。

2.2.1中继节点动态选择

在选择中继节点过程中应用了不同权重系数多种指标的能耗均衡策略[4]。对与此相关的中继节点进行选择时，单纯选择节点剩余电量等指标为依据。为更好地满足所选中继节点的质量要求，对多种指标都进行分析，在剩余电量基础上，还分析了其功耗和RSSI值[5]。根据指标相关的信息量进行分析，设置出合理的权重系数给各指标。确定出全部指标和对应权重系数乘积之和，然后进行对比分析，确定出值最大的节点，将此节点当作为目标节点。

首先，确保在一个周期数据传输过程中，传感器节点不会出现中断的现象，为此需要设定一个阈值电量Eth进行判断，在发现传感器节点的剩余电量低于设定的阈值情况下结束工作。设当前节点的剩余电量为Eremain，传输数据时的功耗为Psend