基于定向天线的WSN路由关键技术研究

【摘要】定向天线相比于全向天线可提高无线传感器网络的吞吐量，减少通信信道之间的干扰，提高网络信噪比，且能有效提升无线传感器网络路由协议DRP的性能，本文针对定向天线技术在无线传感器网络的实现方法，分析其应用优势，并对定向路由中的主要技术进行分析。

【关键词】定向天线；无线传感器网络；路由协议；DRP

1.引言

无线传感器网络（WSN，Wireless Sen-sor Network）路由协议作为当前无线传感器网络研究的热点之一，近年来人们对无线传感器网络技术的持续研究兴趣引发了许多路由协议的提出。目前WSN路由协议设计中出现较大困难是网络信道的高度时变性以及网络拓扑结构的高度动态性。如果采用全向天线技术，将会产生查询包全网范围的洪泛，从而加快消耗有限的带宽资源，会给网络带来广播风暴和信号干扰的问题，限制了无线传感器网络节点自组网的应用[1]。因此，改变原有的全向天线模式下进行路由设计成为新的路由设计发展方向。本文提出基于定向天线的WSN路由协议的思想，希望以此提升WSN自组网的性能。

2.定向天线技术的实现方式

2.1 基本结构与原理

定向天线系统由自适应处理器、天线阵列和波束形成网络所构成。自适应处理器负责把激励信号转换成与各波束相对应的幅值和相位。天线阵列负责接收射频信号的辐射单元；波束形成负责补偿过程中由于多路径效应和空间损耗等引起的信号衰减与失真，会降低节点间的共同信道干扰程度。波束形成的天线阵列单元产生的方向图有助于扩大天线的发射、接收范围，当电磁波从不同方向达到天线阵列时，每个阵元上都接收到来自不同电磁波产生的信号，因此阵元接收到的信号则为多个信号的叠加[2]。根据矩阵运算，则可以算出波达方向的估计图。图1为波束转换天线模型图。现今利用软件设计方法实现数字波束的形成，实现WSN路由算法的自适应更新，在不改变WSN节点硬件前提下能够增加系统网络的灵活性[3]。

图1 波束转换天线模型

波束跟踪天线也是一种固定形状的波束天线，它是通过测向确定用户信号的波达方向OA，然后根据信号的D以选取合适的阵元加权，时刻跟踪信号方向，使最大的增益对准信号方向，提高信噪比。而自适应阵列天线技术在PHs中应用比较广泛，Motorola、EricSS0n、Metewave等公司都推出了应用于蜂窝基站的自适应天线产品[4]。

2.2 自适应阵列天线采用的自适应性算法

自适应阵列天线技术的核心处理技术在于基带处理部分，该处理技术可以在基带处理过程中采用自适应算法。按时域和空域区分获得天线最优加权算法有：LMS、RLS、CM、DMI等算法。采用ESPRIT算法、MUSIC算法可以在空域对频谱进行分析以获得信号到达方位角的估计[5]。根据是否需要借助外部参考信号，可以将自适应算法分为非盲算法和盲算法。盲算法是指发送端没必要传送已知的导频信号，它通常采用自身固有的调制信号；非盲算法是指需要借助参考信号的算法。非盲算法和盲算法相比较，计算误差较小、收敛速度较快，具有占用较多网络资源的特点[6]。两者结合起来可以形成半盲算法，在半盲算法的计算过程中，首先通过非盲算法确定初始权值，再根据盲算法对初始值进行跟踪和调整，最终实现WSN网络与实际的通信系统相一致。

3.引入定向天线的优点

将定向天线引入无线传感器网络中的研究是在21世纪初。采用定向天线，相对于全向天线而言，定向天线增益大、传输距离远，节点能够把发射能量集中起来朝目的方向发送。大大减少了WSN网络区域内节点之间的信号干扰，在所要传送的目的方向上产生更高的信噪比。增大了数据的传输距离和数据传送效率，增强了链路的鲁棒性，降低信号传输的时延和节点的功耗、提高空间复用度。能够使多个节点同时传输，空间复用率高。并且通过定向天线传输增加额外增益能够实现WSN节点的远距离通信，协议可靠性高，时延小，有效提高了WSN网络吞吐量[7]。此外，定向天线可以解决发现下一跳节点位置与波束对应、邻节点在运动过程与波束间的变化而带来的路由断链等定向路由问题。

4.定向路由中的关键技术

定向天线应用于WSN网络的早期研究，集中体现在波束形成方面以及物理层的能量控制方面，主要应用在MAC层和链路层协议的邻节点发现机制和多址接入方式中采用定向传输控制。现有的定向路由方案多数是对目前已有的全向路由协议进行改进。其改进集中在对全向天线的反应式路由方面，利用信号传播方向的大小来估算路由请求包的定向洪泛范围。或是基于发送方向来限制路由请求洪泛范围的先应式路由。目前，还未有较适合定向通信环境下的WSN路由算法，现有的采用定向天线技术的WSN路由协议解决的主要问题为：

（1）路由选择

定向天线无线传感器网络路由选择时根据网络状态信息和节点工作状态信息来选择最佳的传播路径，负责把确定收集到的分组转发到哪个链路接口。而影响路由选择判决的主要因素有网络故障和拥塞。网络故障体现在WSN节点发生中继链路断链或者故障时，就不能作为路由的一部分；拥塞体现在当网络十分拥塞时，最好让分组能够避开，而不是从发生拥塞的区域穿过。为此，定向天线WSN路由应满足以网络稳定性、链路状态和传播路径长度为参数或组合来衡量路由的好坏，选择满足延迟最短或者负载最少等约束条件最佳的路径。使用有关拥塞程度较小的最优路径，来减少端到端的时延。

（2）路由环路避免

环路将导致路由的错误，会消耗较多的带宽资源，影响路由协议的性能，而无环路则是保证路由协议正确性的途径，由于源路由协议中的路由信息标记于路由控制分组的头部，因此该协议具备避免环路的特性。定向天线WSN链路状态协议是在网络拓扑信息条件下进行路由计算，因此避免环路的产生，距离矢量路由协议采用信息标识技术来解决路由环路问题。因此，基于定向天线的WSN路由协议具备避免路由环路的功能。

（3）路由重构

定向天线WSN路由协议中的路由重构实际上是对WSN网络动态性的适应结果。无线传感器网络的高度动态性决定了节点间链路的瞬时变化，当路由断链或者失效时候，网络节点需要以较快的速度告知其他邻近节点，以便重新调整和计算最短路径路由[8]。通常路由重构的方式有：路由备份，失效路由节点重新计算路由，失效路由节点重新修复路由等方式。在WSN自组网中，通过及时的采用路由的局部链路修复，能够将链路的变化控制在局部区域内。这实际上是减少对路由最优路径的选择，在保持链路通畅的情况下减少路由开销，节省路由重构时间。

（4）路由表维护

定向天线WSN路由协议中，由于路由信息不断更新，存储在节点中的网络拓扑结构一旦过时，就需要不间断进行维护。定向路由协议中路由表的维护则需要考虑天线波束号的不同来进行维护，如文献[5]中提到的定向路由协议报刊定向路由表DRT的建立与维护机制，可以维护到不同节点的路由信息，在节点传输过程中用来接收包所用的天线波束ID号[9]。

（5）路由开销

在无线传感器网络中，网络能量开销是衡量路由协议性能的重要标准，一般采用单位时间内路由控制分组的传输量来表示。由于自组网的WSN路由信道所能提供的带宽资源很有限，因此大量的路由控制消耗会造成网络拥塞，导致数据转发过程时延的产生。因此，必须控制路由开销，提高网络的整体性能。采用定向天线的路由协议的设计过程也就是对现有路由协议的优化过程，即在满足分组传输基础上最大程度减少路由开销，从而提高网络的吞吐量。

5.小结

WSN具有一般自组网的共同特性，如网络拓扑结构时刻变化、信号传输带宽有限等。目前将定向天线技术应用于WSN，主要集中在算法的改进方面，利用定向天线增益高，实现远距离，跳数少的通信，缩短路由发现时间，减少传输时延。实现网络整体性能的提高，同时解决功率控制问题。

参考文献

[1]李戈阳，曹阳，冯浩.基于节点剩余能量调配的无线传感器网络能量均衡路由协议[J].中南大学学报（自然科学版），2009，40（6）：1642-1648.

[2]邬春学，叶胤鹏，许博威.基于梯度阈值和时延的定向扩散路由协议[J].计算机工程，2012，38（7）：77-79.

[3]冯延蓬，仵博.基于簇首定向扩散的无线传感器网络路由协议研究[J].计算机测量与控制，2010，18（1）：240-242.

[4]郑少雄.基于定向天线WSN的水稻田温湿度监测系统设计[J].传感器与微系统，2014，33（1）：92-96.

[5]秦博，胡光岷，张志勇.基于链路丢包率估计的定向扩散路由协议[J].微计算机信息，2010，26（11）：84-86.

[6]Joshi R D，Rege P P.Distributed energy efficient routing in Ad hocnetworks[C].//Proceedings of the Fourth International Conference on Wireless Communication and Sensor Networks，2008：16-21.

[7]骆海艳，郑淑丽，李少林.一种改进的无线传感器网络定向扩散协议[J].合肥工业大学学报（自然科学版）， 2010，33（6）：851-854.

[8]王国强.无线传感器网络定向扩散算法的研究与改进[J].北京：中国石油大学，2010.

[9]臧海娟，梅素平.一种基于定向技术的Ad hoc路由协议[J].南京信息工程大学学报（自然科学版），2010， 2（5）：461-467.

项目基金：广东省科技计划项目：基于定向天线的水稻田无线传感器网络组网关键技术研究（项目编号：2010B020315021）；2011年广东省科技计划项目（项目编号：2011B020313019）。

作者简介：

郑少雄（1990—），广东潮州人，硕士，主要从事无线传感器网络在农业信息化当中的应用研究。