曹天蕊，續(xù)欣瑩

（1.太原城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院，太原 030027；2.太原理工大學(xué)，太原 030024）

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對我國軍隊(duì)人- 車- 物信息化管理系統(tǒng)建設(shè)，以及在實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場感知的精確化、系統(tǒng)化和智能化方面能起到很好的推動(dòng)作用［1-2］。在國防信息化建設(shè)無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署后，無線傳感器節(jié)點(diǎn)就能夠通過多跳自組織網(wǎng)絡(luò)的方式完成信息的收集［3］。無線傳感器節(jié)點(diǎn)通過多跳自組織網(wǎng)絡(luò)的方式，節(jié)點(diǎn)之間將感知的信息彼此傳遞，就能夠?qū)崿F(xiàn)軍隊(duì)人、車、物與網(wǎng)絡(luò)的相聯(lián)。節(jié)點(diǎn)在發(fā)送信息之前要進(jìn)行信道探測。如果探測到信道中有其他節(jié)點(diǎn)與上級(jí)節(jié)點(diǎn)通信，則選擇退避等待；如果探測到信道中沒有其他節(jié)點(diǎn)與上級(jí)節(jié)點(diǎn)通信，則發(fā)送信息至上級(jí)節(jié)點(diǎn)［4-5］。

在移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)中，眾多無線傳感器節(jié)點(diǎn)共用信道，非常容易發(fā)生多個(gè)節(jié)點(diǎn)共同向一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息。為了避免沖突的發(fā)生，節(jié)點(diǎn)在發(fā)送信息時(shí)事先會(huì)探測信道是否被占用，也就是是否有其他節(jié)點(diǎn)正在與接收節(jié)點(diǎn)通信。如果通信的話，則選擇等待一段時(shí)間再次探測信道，如果信道沒有被占用，則發(fā)送信息。小規(guī)模的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)之間適當(dāng)?shù)貐f(xié)商有助于減少節(jié)點(diǎn)碰撞，但是隨著節(jié)點(diǎn)部署規(guī)模的增大，節(jié)點(diǎn)密度的升高會(huì)帶來諸多的問題，從而影響軍隊(duì)物資實(shí)時(shí)監(jiān)控［6］。

如果節(jié)點(diǎn)都采取退避的機(jī)制，則過多的退避勢必帶來信道利用率無法保證。Ji 等研究者在發(fā)現(xiàn)這個(gè)問題后，提出了沖突容忍的策略來實(shí)現(xiàn)多個(gè)節(jié)點(diǎn)的并發(fā)傳輸，通過適度地調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)并發(fā)傳輸?shù)母怕?，能夠提高信道利用率?］。在沖突容忍傳輸機(jī)制中，多個(gè)節(jié)點(diǎn)都在接收節(jié)點(diǎn)的半徑范圍內(nèi)，都能將自己的感知數(shù)據(jù)傳遞到接收節(jié)點(diǎn)。但是，由于通信距離，共用信道噪聲和多徑效應(yīng)等影響，節(jié)點(diǎn)有可能無法監(jiān)測到存在隱藏終端問題［8-9］。這樣就導(dǎo)致發(fā)送節(jié)點(diǎn)在接收節(jié)點(diǎn)處發(fā)生了數(shù)據(jù)碰撞，雖然信道資源被占用，節(jié)點(diǎn)的能量被浪費(fèi)。但是，節(jié)點(diǎn)的信息卻無法傳輸出去，降低了系統(tǒng)的信道利用率，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性也無法得到保證。

本文針對沖突容忍傳輸機(jī)制中可能會(huì)出現(xiàn)的隱藏終端的問題，對現(xiàn)有的沖突容忍傳輸機(jī)制進(jìn)行了深入分析和改進(jìn)，提出了利用馬爾科夫預(yù)測模型來分析網(wǎng)絡(luò)設(shè)置向量計(jì)時(shí)器，從而使發(fā)送節(jié)點(diǎn)保留更多的無線傳輸信道的使用權(quán)，預(yù)測模型通過分析現(xiàn)有信道中的信息傳輸速率來提供自適應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸占用時(shí)間，從而減少隱藏終端的發(fā)生，更進(jìn)一步提高基于沖突容忍傳輸機(jī)制的信道利用率。

1 沖突容忍信道利用率模型

傳統(tǒng)的基于沖突退避的協(xié)議，在節(jié)點(diǎn)覆蓋密度小的情況下適用，原本發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)適度的協(xié)議，有利于節(jié)點(diǎn)之間信道的競爭［10］。但是，隨著節(jié)點(diǎn)密度增加，節(jié)點(diǎn)之間如果依然使用這種協(xié)商退避機(jī)制，會(huì)導(dǎo)致信道利用率不高，系統(tǒng)信息傳輸延遲增加，系統(tǒng)吞吐量下降等［11-12］?；跊_突容忍的傳輸協(xié)議是利用了節(jié)點(diǎn)之間能彼此通信，節(jié)點(diǎn)能夠利用物理層中的捕獲效應(yīng)實(shí)現(xiàn)多個(gè)沖突數(shù)據(jù)包的恢復(fù)解碼。下面通過構(gòu)建信道利用率模型來具體分析。

節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包的概率為PT，為了簡單描述節(jié)點(diǎn)發(fā)送的微觀時(shí)間，統(tǒng)一用時(shí)隙來表述。節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙狀態(tài)包含3 種時(shí)隙狀態(tài)：空閑時(shí)隙狀態(tài)，成功發(fā)送時(shí)隙狀態(tài)，沖突時(shí)隙狀態(tài)，各時(shí)隙狀態(tài)表示如下：

如果節(jié)點(diǎn)總的數(shù)量為N，且這個(gè)N 個(gè)節(jié)點(diǎn)都沒有發(fā)送信息，意味著信道中沒有發(fā)生節(jié)點(diǎn)通信。此時(shí)信道空閑，空閑時(shí)隙的概率Pi，可表示為：

節(jié)點(diǎn)發(fā)送成功代表眾多節(jié)點(diǎn)中至少一個(gè)節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)通信成功，假設(shè)發(fā)送成功的節(jié)點(diǎn)數(shù)位n。當(dāng)超過發(fā)送節(jié)點(diǎn)的數(shù)量超過一個(gè)時(shí)，在接收節(jié)點(diǎn)處，節(jié)點(diǎn)的接收成功率會(huì)下降，此處，我們引入一個(gè)捕獲函數(shù)Pcapture：

式中，ξ 是一個(gè)零均值的高斯變量，σ2代表了方差，γ代表了接收節(jié)點(diǎn)和發(fā)送節(jié)點(diǎn)之間的距離，對于成功時(shí)隙發(fā)生的概率為Ps，表達(dá)式如下：

由于信道的時(shí)隙狀態(tài)只有3 種狀態(tài)，分別為空閑時(shí)隙狀態(tài)，成功時(shí)隙狀態(tài)和碰撞時(shí)隙狀態(tài)。成功時(shí)隙狀態(tài)和空閑時(shí)隙狀態(tài)已經(jīng)求得，則碰撞時(shí)隙狀態(tài)Pc，表達(dá)式如下：

既然已經(jīng)知道了3 種時(shí)隙發(fā)生的概率表達(dá)時(shí)，再加入時(shí)隙分配，即可求得信道利用率Putilization，表達(dá)式如下：

式中，Ts代表成功時(shí)隙持續(xù)的時(shí)間，Ti代表空閑時(shí)隙持續(xù)的時(shí)間，Tc代表碰撞時(shí)隙持續(xù)的時(shí)間。此處需要注意的是，如果信道中有隱藏終端，節(jié)點(diǎn)在發(fā)送信息前由于噪聲影響，通信距離受限等影響是無法監(jiān)測到另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)是否也正在發(fā)送信息至接收節(jié)點(diǎn)，這個(gè)持續(xù)考慮在內(nèi)持續(xù)時(shí)間為Td，對信道利用率Putilization修正后，表達(dá)式如下：

2 隱藏終端

在無線傳感網(wǎng)中，節(jié)點(diǎn)散亂的隨機(jī)分布在需要監(jiān)測的環(huán)境中。節(jié)點(diǎn)之間通過協(xié)商合作，信道監(jiān)聽，退避等待等操作維持著傳感器網(wǎng)絡(luò)整體之間的連接［13］。但是由于傳感器自身特點(diǎn)和無線傳感網(wǎng)特性，不可避免地會(huì)產(chǎn)生隱藏終端的問題［14］，原因總結(jié)如下：

1）節(jié)點(diǎn)是散亂分布的，一旦節(jié)點(diǎn)被部署下去，節(jié)點(diǎn)之間就會(huì)通過無線自組織網(wǎng)絡(luò)的方式進(jìn)行多跳組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)將感知信息的收集傳遞。有的節(jié)點(diǎn)頻繁通信，有的節(jié)點(diǎn)處于多跳節(jié)點(diǎn)的必經(jīng)路由。這樣就導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)之間的能量消耗不均勻，很容易出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)能量耗盡的情況，即節(jié)點(diǎn)死去。雖然網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了變化節(jié)點(diǎn)依然可以通過多跳自組織網(wǎng)絡(luò)的形式繼續(xù)傳遞信息，但是網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性是無法改變的。節(jié)點(diǎn)在無法探測到的地方，有可能還會(huì)存在其他節(jié)點(diǎn)與此節(jié)點(diǎn)存在競爭信道的行為（如圖1 所示）。

圖1 節(jié)點(diǎn)隱藏終端問題

2）無線傳感網(wǎng)的本質(zhì)是廣播式信道傳輸，多個(gè)節(jié)點(diǎn)共享傳輸信道，節(jié)點(diǎn)之間遵循的是分時(shí)隙傳播信息，維持各自的醒睡機(jī)制。如果無法做到所有節(jié)點(diǎn)全網(wǎng)時(shí)鐘同步，節(jié)點(diǎn)之間很容易發(fā)生醒睡節(jié)奏出現(xiàn)同步的情況［15］。兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)醒來或節(jié)點(diǎn)同時(shí)需要傳輸感知信息，且彼此都在接收節(jié)點(diǎn)的通信半徑范圍內(nèi)，不在發(fā)送節(jié)點(diǎn)的彼此探測范圍內(nèi)，則容易出現(xiàn)通信碰撞。

3）節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部時(shí)鐘制作精度無法高度統(tǒng)一，即使無線傳感網(wǎng)中做到了所有節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘同步，避免節(jié)點(diǎn)之間的互相影響。但是，由于節(jié)點(diǎn)的制作工藝和制作成本，無法保證部署的節(jié)點(diǎn)來自于同一個(gè)生產(chǎn)廠商和同一批次，更無法保證所有節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部時(shí)鐘，晶振是統(tǒng)一的。

3 改進(jìn)協(xié)議

3.1 接收節(jié)點(diǎn)調(diào)節(jié)NAV

發(fā)送節(jié)點(diǎn)由于各種因素限制，無法知道超過自己通信范圍內(nèi)是否有其他節(jié)點(diǎn)與發(fā)送節(jié)點(diǎn)通信。但是，接收節(jié)點(diǎn)卻明確知道此時(shí)是否有多個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)在競爭信道。隱藏終端問題，對于發(fā)送節(jié)點(diǎn)而言無法預(yù)判，但是對于接收節(jié)點(diǎn)而言卻始終可見。我們可以利用網(wǎng)絡(luò)分配向量（Net Allocation Vector，NAV）來估計(jì)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間。

如果直接來估計(jì)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸持續(xù)時(shí)間NAV 難于實(shí)現(xiàn)，如果估計(jì)的NAV 傳輸時(shí)間與節(jié)點(diǎn)實(shí)際的傳輸信息持續(xù)時(shí)間大，其他競爭節(jié)點(diǎn)或是隱藏終端的節(jié)點(diǎn)就會(huì)延遲訪問信道，信道利用率還是得不到保證；如果NAV 傳輸時(shí)間與實(shí)際的傳輸信息持續(xù)時(shí)間小，其他節(jié)點(diǎn)就會(huì)提前訪問信道，引起節(jié)點(diǎn)之間的信息沖突。NAV 的估值是個(gè)關(guān)鍵問題，估值太大和太小都會(huì)對信道的利用率產(chǎn)生影響。我們一方面借助分組信息來估值，一方面借助馬爾可夫預(yù)測來輔助估值。

3.2 增加控制分組

在控制分組中，可以增加控制分組信息，數(shù)據(jù)發(fā)送起始和數(shù)據(jù)發(fā)送截止。當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)加入數(shù)據(jù)發(fā)送起始（Data Send Start，DSS）和數(shù)據(jù)發(fā)送截止（Data Send Finish，DSF）后，接收節(jié)點(diǎn)通過在接收到DSS和DSF 控制信息后，通過計(jì)算發(fā)送節(jié)點(diǎn)的發(fā)送起始時(shí)間和截止時(shí)間就能夠得到節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息的持續(xù)時(shí)間。雖然節(jié)點(diǎn)加入控制分組信息后能夠有效減少其他節(jié)點(diǎn)過早的競爭信道或者遲滯競爭信道帶來的信道利用率浪費(fèi)的問題。但是，對于接收節(jié)點(diǎn)而言，當(dāng)多個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)競爭激烈，在接收節(jié)點(diǎn)處無法正確解碼，更無從從控制分組信息中獲取節(jié)點(diǎn)的NAV值時(shí)，就需要進(jìn)一步借助預(yù)測模型來進(jìn)行估值。

3.3 馬爾可夫預(yù)測輔助估值

馬爾可夫預(yù)測能夠根據(jù)不同的初始狀態(tài)，以及不同狀態(tài)之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率來預(yù)測狀態(tài)的變化趨勢，馬爾科夫預(yù)測是一種動(dòng)態(tài)的隨機(jī)預(yù)測過程，之后的轉(zhuǎn)移概率僅與現(xiàn)在的狀態(tài)及此時(shí)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率有關(guān)。對于節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)分配向量而言，其當(dāng)前的長度狀態(tài)為SN，下一個(gè)時(shí)刻的長度狀態(tài)為SN+1，則利用馬爾科夫預(yù)測的表達(dá)式如下：

從當(dāng)前的狀態(tài)SN轉(zhuǎn)移到下一步狀態(tài)SN+1，將所有可能的Pij都依次排列展示開，構(gòu)成狀態(tài)概率矩陣，表達(dá)式如下：

該狀態(tài)概率矩陣每次使用過程是一個(gè)此時(shí)狀態(tài)和下一個(gè)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，狀態(tài)矩陣是一個(gè)不斷迭代學(xué)習(xí)的過程。通過預(yù)測的值與實(shí)際通過控制信息測得的NAV 值相比較，每預(yù)測正確一次，其對應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率會(huì)增加，則在下一次預(yù)測中的話語權(quán)重變大，反之，則話語權(quán)重減少，之后的多次狀態(tài)轉(zhuǎn)移預(yù)測的準(zhǔn)確率會(huì)越來越高。

4 改進(jìn)方法仿真與分析

4.1 實(shí)驗(yàn)仿真設(shè)置

本節(jié)將對改進(jìn)方法的性能進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)采用的是NS-2 仿真軟件［13］，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用隨機(jī)非對稱拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，適用于分析協(xié)議在隱藏終端下的性能比較。實(shí)驗(yàn)中，選擇的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為10 個(gè)，時(shí)間窗口為28 ms，這樣設(shè)置基本能保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在MAC 層遇到的多數(shù)單層競爭節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)情況（實(shí)驗(yàn)仿真具體設(shè)置如表1 所示）。

表1 實(shí)驗(yàn)仿真場景設(shè)置

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖2 是CoCo 協(xié)議與本文提出的改進(jìn)協(xié)議的吞吐量對比。從圖中可以看到，CoCo 協(xié)議隨著測試次數(shù)的增加其抖動(dòng)幅度更加明顯，因?yàn)镃oCo 協(xié)議在節(jié)點(diǎn)隱藏終端問題上沒有很好地解決。如果隱藏終端問題較小，CoCo 協(xié)議表現(xiàn)良好，但是隱藏終端問題限制了CoCo 協(xié)議的高吞吐量，這也就意味著本文提出的協(xié)議有更強(qiáng)的解決隱藏終端問題的能力。

圖2 兩種協(xié)議吞吐量對比

如圖3 所示，就明確隱藏終端節(jié)點(diǎn)數(shù)量的情況下，對比CoCo 協(xié)議與本文提出的改進(jìn)協(xié)議的吞吐量的對比。改進(jìn)的協(xié)議的吞吐量性能方面相比CoCo協(xié)議有一定的優(yōu)勢。尤其是隱藏終端節(jié)點(diǎn)數(shù)量達(dá)到5 時(shí)，改進(jìn)的協(xié)議依然擁有良好的性能，其吞吐量相比CoCo 協(xié)議提高了27.24%。

圖3 兩種協(xié)議吞吐量對比（在隱藏終端情況下）

圖4 對比了CoCo 協(xié)議與本文提出的改進(jìn)協(xié)議的信道利用率的對比，信道利用率從側(cè)面反映信道利用率與節(jié)點(diǎn)發(fā)送速率的影響。本文提出的改進(jìn)協(xié)議相比CoCo 協(xié)議，隨著數(shù)據(jù)包大小的增加，其在信道利用率上有了明顯的提高，在數(shù)據(jù)包長度較大時(shí)，其優(yōu)勢能夠達(dá)到30.76%。這些都得益于本文提出的改進(jìn)方法在時(shí)間窗口和空閑偵聽長度進(jìn)行了適度減少和靈活調(diào)整，由此可見，隱藏終端問題如果沒有得到很好的解決，直接影響了系統(tǒng)信道的利用率，全網(wǎng)的傳輸時(shí)延也無法保證。

之后，分別對本文改進(jìn)協(xié)議的兩種核心機(jī)制：控制分組信息和馬爾可夫預(yù)測共同決定網(wǎng)絡(luò)分配向量的長度進(jìn)行了對比。

如圖5 所示，只有馬爾科夫預(yù)測的改進(jìn)方法，其在系統(tǒng)吞吐率方面依然不夠優(yōu)秀，其對自己的下一個(gè)狀態(tài)的預(yù)判不能得到很好的修正。只有控制分組信息機(jī)制的改進(jìn)方法，雖然在吞吐量上有了一定的提高，但是，該機(jī)制無法進(jìn)行局部的修正。只有將兩者共同結(jié)合，本文提出的改進(jìn)協(xié)議才能在系統(tǒng)吞吐量上有抖動(dòng)較小的優(yōu)越性能。

圖4 兩種協(xié)議的信道利用率對比

圖5 改進(jìn)協(xié)議吞吐量對比（在不同機(jī)制下）

5 結(jié)論

本文提出的基于沖突容忍傳輸協(xié)議的隱藏終端問題改進(jìn)方法，增加了數(shù)據(jù)控制分組信息和馬爾可夫預(yù)測，能夠及時(shí)調(diào)制網(wǎng)絡(luò)分配向量的長度，致使節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)碰撞減少，解決了隱藏終端的過分干擾，即使在隱藏終端節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)較多時(shí)，依然有良好的系統(tǒng)吞吐率。隨著未來國防信息化建設(shè)，傳感器網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大隱藏終端問題越來越凸顯，時(shí)刻影響著系統(tǒng)的吞吐量和信道利用率，本文提出的改進(jìn)方法對未來的國防信息化建設(shè)提供了一定的指導(dǎo)意義。