TSCH网络中基于自适应混合信道分配的快速传递方法

收稿日期:2019⁃12⁃18;修回日期:2020⁃03⁃25㊀㊀基金项目:安徽省自然科学基金资助项目(1908085MF214)
作者简介:许勇(1966⁃),男,安徽芜湖人,教授,硕导,博士,主要研究方向为高性能计算机网络协议㊁网络安全;顾珺欣(1994⁃),女,安徽六安人,硕士,主要研究方向为网络信息安全与能耗;祝玉军(1982⁃),男(通信作者),山东东营人,副教授,硕导,博士,主要研究方向为无线传感器网络(zhuyujun@mail.ahnu.edu.cn);梅凡(1994⁃),女,安徽安庆人,硕士,主要研究方向为网络信息安全与能耗;康龙龙(1995⁃),男,安徽亳州人,硕士,主要研究方向为物联网通信.
TSCH网络中基于自适应混合信道分配的快速传递方法∗
许㊀勇,顾珺欣,祝玉军†,梅㊀凡,康龙龙,方㊀
(安徽师范大学计算机与信息学院,芜湖241000)
摘㊀要:时隙信道跳频技术(timeslottedchannelhopping,TSCH)是IEEE802.15.4e标准中定义的五大接入行为技术
之一㊂研究表明,TSCH模式下单一的动静态信道分配的无线传感器网络具有较高的堵塞率,造成了
不必要的能量浪
费㊂为此,提出在TSCH模式下测量无线传感器网络的链路质量变化的方式采用自适应混合信道分配策略(AHCA),该策略对部分信道质量进行估计,决定节点是否要在此信道上传输,以及节点信息传输的最佳信道,根据传送信息量的大小变化对动静信道比例自适应调整的混合信道分配(hybridchannelallocation,HCA)方案,以减少能量消耗㊂在Contiki的Cooja平台上进行实验仿真,实验结果表明,在大多数情况下,该方案比单一的动态静态信道分配的无线传感器网络具有更短的传送时间和更低的堵塞率,对信道资源进行了更加合理有效的调节和测量及分析和使用,可以从根本上增加单位时间内无线传感器网络的信息传送量,得到延长无线传感器网络寿命的目的㊂关键词:IEEE802.15.4e;无线传感器网络;混合信道分配;时隙信道跳频;资源调度算法
hca20㊀引言
IEEE802.15.4e-2012是IEEE802.15.4协议的修正标准,该标准引入了时隙信道跳频模式,与传统网络相比,引入了时间同步协议的IEEE802.15.4e标准主要关注时间同步和降低能耗问题㊂无线传感器网络本身以低成本和高灵活性优于有线网络,但无线传感器网络本质上具有不可靠性,因为信息传送过程易于发生冲突和外部干扰,而来自IEEE802
.15.4e的TSCH模式使用信道跳频来对抗网络中的干扰和频道选择性衰落,通过信道跳频和通过适当地调度来提高传输的可靠性,减少信息在节点中的传送时间和降低信道中信息传递时不必要的碰撞以便于在一定程度上降低能耗㊂无线传感器网络布置的环境具有随机性,有时会布置在人迹罕至的野外或者核辐射污染后不适合人踏足的地区,无法随时更换电池㊂所以从降低能耗的角度增加无线传感器网络的寿命是当前无线传感器网络研究的热点;在保证可靠性的情况下,同时降低传输时间和减少堵塞率是当前研究的重难点㊂
针对上述提出的问题,学者们进行了一系列探索,文献[1]提出最小时间表(TSCH⁃Minimal)方案,尽可能细化网络时隙长度;文献[2]提出专用TSCH单元和共享TSCH时隙以相同的时间表共存方案,增加数据包传输效率和系统公平性;文献[3]提出Orchestra方案,节点在本地自主调度,依靠现有网络堆栈维护调度,没有信令开销,但该算法需要普通节点拥有足够多的能量,同时非常依赖网络密集度;文献[4]提出通过共享访问和突发到达来处理不可预测的流量㊂本文把混合信道分配策略考虑进TSCH网络中,在前人的基础上,引入自适应混合信道分配的策略,该方法应对不同的信息量传送具有很高的灵活性㊂
1㊀相关研究
对无线传感器网络的研究涉及很多方面,为了提高网络中的信息传递效率,解决当前无线传感器网络
存在的堵塞率居高不下,节点之间信息传输时间过长等问题,文献[5]提出了一种基于PRR的信道质量评估以进行下游信道选择的算法,使用信道评估区分信道受干扰程度,减少数据包的重传,在一定程度上降低堵塞率减少重传时间,但由于所有信道都要多次扫描信道此方法会导致能量更多消耗于评估信道方面;文献[6]为应对网络中的干扰导致信息传输失败增加堵塞率问题提出了能量集中调度方法,并使用额外启发式效率调度器和基于Vogel近似方法的调度解决原调度算法中存在的缺陷,以达到无线传感器网络中较好的信息吞吐量;文献[7]提出一种专用节点信道质量估计的分布式方法,使用动态信道分配(DCA)策略,专用节点检测信道质量,以便网络节点可以决定是否更改信道,以及要使用的最佳信道,此方法是基于硬件估算器的方法,遇到高分组错误率时可能会高估链路质量;文献[8]提出使用爬山方式优化时隙帧长度,通过三次回归方程模拟实验结果,经过优化时隙帧长度,可以改善部分传递堵塞率和传输时间;文献[9]提出了在无线传感器网络中专用节点信道质量估计的分布式方法,使用专用节点监视信道质量,通过接收信号强度指示(RSSI)和链路质量指示符(LQI)识别低质量信道,预估最佳信道;
文献[10]提出了一种MABO⁃TSCH集中式信道调度算法,信道总体使用动态规划,节点之间共享信道,同时通过黑名单机制,将质量不佳的信道打入黑名单,在质量较好的信道中进行信息传输;文献[11]引出一种自适应时隙信道跳频(A⁃TSCH),设计了一种信道接入算法,从跳频序列中排除一些不需要的信道,以便在保持TSCH利益的同时提高通信的可靠性;文献[12]提
出一种TSCH网络中自适应信道选择策略,在严重干扰下,标准TSCH没有足够的调度时隙来可靠地传送所有数据包,而自适应方式使系统更可靠,其中基于PRR信道质量评估和下游驱动信道选择显示了最佳结果㊂上述方法虽然都在一定意义上平衡了节点负载,均衡了网络能量,但是只能降低网络中部分堵塞现象的发生,部分降低网络中信息的传输时间㊂
为了进一步降低信息传递时间,增加无线传感器网络信息传递的效率,本文引入了一种自适应的混合信道分配方案(AHCA)㊂AHCA方案是一种将混合信道分配策略和专用节点技术相结合的算法,将TSCH网络中的信道自适应地划分为公用和私用两个部分㊂对公用信道进行质量估测,质量不佳的信道暂停传送信息,质量较好的信道继续传送信息㊂同时,对部分发送信息较多的节点采取分配专用信道策略[13]以此减少信息在无线信道中的碰撞,减少能耗的产生,增加无线传感器网络的寿命㊂
本文引入了信道配置比这一概念,HCA的性能将和固定信道与动态信道的配置比有直接意义上的关系,不同信道配置比会产生不同的效果,如何选择最佳信道配置比得到最大网络容量是本文讨论的方向之一㊂
2㊀相关技术
2.1㊀信道选择
在TSCH网络中,节点一般使用三个输入来决定用于特定传输的信道[14]:网络的绝对时隙值(ASN)㊁调度的信道偏移CHoffset和伪随机跳频序列(HS),存储为查表㊂
channel=HS[(ASN+CHoffset)% HS ]
(1)
其中:ASN表示来自TSCH网络开始以来的时隙总数目,ASN=(kˑs+ts),k为时隙周期,s为时隙帧大小,ts表示时隙;0ɤCHoffsetɤ HS ,使用2.4GHz频带的IEEE802.15.4e网络总共使用了16(11 26)个信道㊂假设当有6个信道固定时,剩下10个信道用于信息传送,此时信道选择如图1所示㊂
㊃362㊃㊀第37卷增刊许㊀勇,等:TSCH网络中基于自适应混合信道分配的快速传递方法
㊀㊀㊀
此时HS={16,17,23,18,26,15,25,22,19,11}
CHoffset=HS[(4+1)mod10]=HS[5]=15(channel15)
在该示例中,使用信道V的任意向量,并且时隙帧内的时隙3由CHoffset=1表征㊂式(1)中的增量计数器ASN使得时隙3在每个时隙帧周期中使用不同的信道㊂
无论无线介质的有损性质如何,TSCH网络在其调度中都是确定性的㊂TSCH调度可以用2D矩阵表示,其宽度是时隙帧中的时隙数,高度是可用频率的数量㊂
2.2㊀信道质量评估
无线传感器网络中有很多信道质量评估的方式,文献[13]使用RSSI的值评估信道质量,如式(2)所示,使用指数平滑(SES)技术即能获得测量的信道质量,以此计算出每个信道的质量估计(QE)为
QE[c]k=
NF[c]0㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀k=0αQ[c]k-1+(1-α)NF[c]k
kɪ[1,ɕ)
{
cɪ[11,26],αɪ[0,1]
(2)
QE[c]k表示在第k个信息传递后获得的信道质量的估计,初
始估计QE[c]0被指定为NF[c]0,这是第一个信道质量的估计㊂根据式(2)依次可以得到后面直至第k个质量的估计㊂k的下一个估计使用αQE[c]k-1和最近的信道质量NF[c]k计算得到,且受到系数α的影响㊂
3㊀自适应的混合信道分配方案(AHCA)
信道分配一般包含呼叫接入控制㊁信道分配和信道调整三个阶段,本文提出采用混合信道分配㊂混合信道分配是指在采用信道复用技术的无线传感器网络中,进行信道分配的过程中,部分信道公用,部分信道私有化,且公用信道需要遵循一定规律进行分配的一个信道调度方案㊂
HCA可以看做是固定信道分配(FCA)和动态信道分配(DCA)的一个合成,所以HCA的性能由FCA和DCA[14]的共同特点㊂它既能降低FCA频率规划策略的复杂度,又能根据信道的实际信息传输通信量自适应地调整信道的使用情况㊂比DCA的优化少了大量的实时运算㊂综上,把AHCA策略引入TSCH网络是一个较实用的信道分配方案㊂
3.1㊀HCA性能分析
HCA是固定信道分配(FCA)和动态信道分配(DCA)的一个合成,所以HCA的性能有FCA和DCA的共同特点㊂
在FCA中,本文假定网络中每个节点信息传送量均衡,此时信道堵塞的概率满足
BFCA=(αNc/Nc!)/ðNc
i=0αi/i!
(3)
其中:α为每个节点的平均传递信息量;Nc为FCA条件下每个节点的可用信道数目㊂而在DCA中,假定所有信道分配情况是独立的,且拥有相同的优先级,首先分配不需要区分信道质量,只需要区分占用信道数量,此时DCA堵塞率应为
BDCA=ðN
x=0G(x)P(x)
(4)
其中:G(x)为有空闲信道的概率;P(x)为节点中有x个信息正在传送的概率㊂由式(4)可知,若要获得堵塞率,首先需要求出G(x)和P(x)㊂
假设公用信道中,节点间传递信息量均衡,且知道信道被占用的概率,此时G(x)满足二项分布:
G(x)=
N!
x!(N!-x)
nN-x(1-n)x
(5)
其中:n为公用信道的平均占用率㊂假设节点总数为M,信道总数为N,网络承载的信息总量为A,则在DCA网络中,每个节点中每个信道的平均承载信息量为A/MN㊂当不考虑其他节点的影响,任意给定节点,其信道空闲的概率为1-A/(MN),因为有信道复用的状态存在,所以当一条信道被某个节点使用时,它会被剩下K-1个节点禁用,各个信道的使用在某种条件下是独立的,此时可以得到公用信道的平均占用率:
n=1-[1-A/(MN)K]
(6)
所以
F(x)=ðN
y=x
G(y)=ð
Ny=x
N!
x!(N!-x)
nN-y(1-n)y
(7)
如果系统中节点能量传输量均衡,此时信道被占用的概率P(x),求P(x),假设网络中节点数量为N,节点信息到达率为α,节点信息离开率为β,则
αP[x]=(x+1)βP(x+1)且ði
P(i)=1所以
P(x)=
(α/β)xx!
P(0)(8)
所以把式(7)(8)带入式(4),可得
BDCA=
ðN
x=0G(x)(α/β)x/x!ðNx=0
F(x)(α/β)x/x!
(9)
因为HCA可以看做DCA和FCA的组合,所以在HCA系统中只有当一个节点的固定信道和动态信道都用完时,才会发生堵塞现象㊂对比HCA和DCA的网络节点信道堵塞率,HCA的信道堵塞率可以用固定信道堵塞和溢出动态信道堵塞率之积来进行计算㊂这里用EHCA(NH,A)来表示堵塞率,NH表示HCA的可用信道数㊂
BHCA(NH,A)=
BFCA(NFk,AM)BDCA[ND,ABFCA(NFk,AM
)]
(10)
所以,HCA中固定信道和动态信道之比Y=NF/ND㊂此时,再设置a=A/M,可以将式(10)改写为
BHCA(NH,A)=
BFCA[YN(1+Y)K,a]BDCA[N(1+Y),AB(YN
(1+Y)K
,a)]
(11)
3.2㊀混合信道配置比
可自由分配的公用信道数和节点间信息传送的信息量大小之间存在一个平衡㊂当信息传送量较少时,HCA策略具有一个普遍较低的堵塞率;当信息传送量较多,HCA的堵塞率将会随之增大㊂所以当公用信道数确定后,不同信息传送量的网络会存在一个唯一且确定的信道配置比,使网络堵塞率最小㊂如:信息量为A时可以达到最佳信道配置比Y,所以需要根据信息量的变化来随时调配信道数以达到最佳的信道配置比,信道配置比最佳可以减少信道之间的碰撞,从而减少了节点能量的消耗,增加无线传感器网络的寿命㊂
3.3㊀混合信道分配算法机制
混合信道分配算法如下:算法1:AHCA算法1while(1)
2㊀setcoordinator
3㊀definitiontwovariables:dynamic,static4㊀distribute(channel)5㊀listeninchbest
6㊀if(信息量<定值)
7㊀foreachNchѳ{n, ,26}do8㊀㊀dynamic++
9㊀㊀chbestѳbestqualitychannelinQ[Nch]10㊀transmission11㊀else
12㊀foreachNchѳ{11, ,n}do13㊀㊀static++
14㊀㊀Q[Nch]ѳqualityestimation(Nch)15㊀㊀advertisemessageinElist16㊀end
17㊀Y=dynamic/static;18endwhile
算法第4行进行动静信道的划分;6 10行是信息量小于一定值时,节点之间信息在动态信道中传递;12 16行是节点之间传递信息量大于一定值时在静态信道中传递;第17行表示动静信道比例的划分㊂一般来看,节点会在动态信道中选择任一个信道进行信息传送,但是由于信道堵塞会导致动
态信道中各个信道的质量不同,所以信息传送时间不同㊂算法1显示了选择动静信道的机制,使用专用节点进行信道质量评估,可实现网络信息传送时间最优㊂
4㊀实验过程
4.1㊀实验设置
为了评估AHCA㊁DCA和Orchestra,必须准确地分析它们的性能,本文在Cooja平台上进行模拟实验,这是Contiki操作系统上的一个平台,为了对这三种算法进行公平比对,必须调优电路和参数㊂
从工业物联网的需求出发,本文研究方向是调优电路和最小参数,以获得高可靠性㊁低延迟和平衡的能源消耗㊂所以需要对时隙帧进行细粒度配置,时隙帧越长节点睡眠越多,能量消耗相应减少,但是此类配置会增加竞争和冲突,导致更多的包丢失从而会增加传输时间,所以需要到一个合适的时隙帧长度,从而在可靠性㊁网络延迟和能源消耗之间保持最佳折中状态,本文在一系列实验参数调整后,将时隙帧的长度设为最小时隙长度的五倍㊂在五
462㊃计算机应用研究
2020年㊀
个时隙中,只有时隙帧的第一个单元被安排用于通信㊂
对比AHCA㊁DCA和Orchestra算法下网络节点信息传递时间和信道堵塞率,HCA的信道堵塞率可以用固定信道堵塞和溢出动态信道堵塞率之积来进行计算㊂本文用EHCA(NH,A)来表示堵塞率,NH表示HCA的可用信道数㊂所以
BHCA(NH,A)=EFCA(NF,A)FDCA(ND,A)
从10个信道中选择1个足够好的信道比从16个信道中选择1个信道更易实现,且后者需要更多的能量用于信道质量测量㊂
4.2㊀实验模拟
考虑了分别在100mˑ100m的范围类部署10㊁50㊁98个普通节点,1个协调器节点,分别代表稀疏㊁普通和密集网络中节点的部署㊂在节点之间互相进行同等信息量数据信息的传输,比较在AHCA㊁DCA和Orchestra模型下,考虑几个重要指标:信息传输时间㊁端到端延迟时间㊁可靠性(PRR)[15]占空比和信道堵塞率㊂端到端延迟是指数据包通过网络从一个源传输到一个目的地所花费的时间㊁PRR是指成功接收到数据包与发送数据包总数之比;占空比是指节点
处于收听发送和接收状态的时间比例㊂
图2为Contiki平台[16]上Cooja实验的节点分布信息传送图,包含了一个协调器节点和10个普通节点
4.3㊀实验比对
在上述实验场景中,改变了物联网应用程序的网络密度和传输速率两个参数,研究在使用三种算法时,为了测量高分组频率,网络密度和数据量对物联网应用程序性能的影响本文进行了三组实验,第一组实验目的是评估三种不同网络密度下传递同样多的包花费的时间,为此在稀疏㊁普通㊁密集情况下设置传递不同数量数据包,图4是在图3的节点分布基础上,当协调器节点使用DCA㊁AHCA和Orchestra方法时,传输时间随传递数据包数量变化而变化的效果图㊂图3 5分别在20㊁50㊁98个节点情况下三种算法信息传输的对比时间㊂由图3可知数据包数量越多,使用AHCA算法比DCA算法具有更短的传输时间㊂同时,对比图3 5可知在一定范围内,数据量相同情况下,网络密度越大,传输时间越短㊂
第二组实验目的是研究应用级的传输速率对所评估调度算法可靠性㊁延迟和能量的影响㊂为此在密集网络(98个节点)中运行参考程序应用场景㊂开始时预留必要时间确保网络形成,然后DAG根[16]开始向给定节点发送请求,通过不同的发送时间间隔(0.65s㊁1s㊁2s㊁5s㊁10s)来改变DAG根上的发送间隔,并重新运行实验,每个实验重复五次,平均结果如图6 8所示
图6显示了Orchestra㊁AHCA和DCA算法的平均交付比,观察可得,当发送间隔大于2s时,这三种方式都提供了高可靠性,然而当发送间隔较小时DCA㊁Orchestra分别降低了27%和28%,而
AHCA降低了25%,这是由于高发送频率导致的信道堵塞率㊂事实上,在这样的传输速率下,发送方已经开始发送新的请求,但是之前发送的请求依然没有被响应㊂此时有一个解决方案,增大传输
的缓冲区以增加传输延迟为代价解决这种情况,但是这种方案会受节点性能和内存容量的影响
比较此三种方案的PRR时,可以发现Orchestra和AHCA比DCA更加可靠,这可以解释为Orchestra和AHCA在时隙帧中增加了优先级的概念,给予较高优先级的地址,时隙帧更高的优先级,其次也规划了路由优先级,允许优先级的划分,网络的重新同步,网络的传输和路由的维护,而DCA没有设置优先级,可能会导致大量数据一次性流入,而此类消息可能会由于路由失败而丢失㊂
虽然DCA的可靠性不如AHCA和Orchestra,但它可获得更好的延迟,如图7所示㊂这可以用DCA中时隙帧的时间片数量少来解释㊂AHCA的时隙帧比DCA大,而Orchestra的时隙帧更大,所以DCA和AHCA比Orchestra在信息传递方面具有更大的优势㊂
最后,图8显示了三种算法的无线电占空比㊂由图8可知三种算法的无线电占空比都随着传输速率增加而增加㊂虽然AHCA和Orchestra都具有较大的时隙帧,但是总体会比DCA消耗更少的能量,因为大多数时隙帧的时隙间隔被安排为睡眠时隙,从而能量消耗较少㊂
第三组实验是在节点数(98个)不变的情况下,执行AHCA算法时,图9㊁10表示信道配置比不同,随着数据量的变化,堵塞率与信道配置比之间的关系㊂
2.4Hz频率下,TSCH网络有16个信道,由图9㊁10可以得到以下结论:
a)在节点信息传送量较少的情况下,AHCA堵塞率普遍较低;b)在节点信息传送量较多的情况下,HCA堵塞率普遍较高,在数据信息量约为5M,NF/ND=4:0时达到最高时大约为46%,而NF/ND=0:4时堵塞率仅为18%;c)随着信息传送量的增加,Y大的AHCA方案性能更好;d)因为在2.4GHz频率下,TSCH网络有16个信道,信道总数一定,此时在不同信息量下存在唯一确定的Y,使得网络堵塞率最小㊂鉴于以上结论,只要随时统计网络中的信息传送量,就可以根据比例将信道分配调节到最佳值,以跟随信息传送量的变化㊂
4.4㊀性能评估
由图3 5可知,自适应混合信道分配策略在降低信息传输时间方面有不错的进步;同时由图6 8可知在降低端到端延迟,提升网络可靠性,降低无线电占空比方面,相比传统的单一TSCH跳频信道动态规划和Orchestra算法调度都有显著优势;由图9㊁10可知,正如单一的固定信道分配策略和单一的动态信道分配策略中出现的问题一样,不同比例的公私信道AHCA方案在不同信息传输量情况中会呈现出不同的性能特点,因此在不同负荷下有时也无法完全保证均具有良好的性能㊂
值得注意的一点是:本文的统计周期应该根据信道中传输数据量变化的多少来确定,当信道中传输的数据变化(下转第273页)
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㊀㊀㊀
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(上接第265页)较剧烈时,需要设置较短的统计周期㊂
5 结束语
本文提出了将混合信道分配策略引入TSCH网络中,同信道质量估计技术相结合,旨在延长无线传感器网络的寿命,同时减少伪随机信道的跳频时间㊂实验证明,与其他策略所带来的结果相比,本文AHCA策略在增加网络可靠性,节约网络能耗,降低网络信息传递时间方面都有不错的效果㊂
下一步即将开展的工作是开发一种混合的TSCH调度算法,考虑进TSCH网络,在保证可靠性和能量特性的同时减少网络传输延迟时间,减少网络的复杂度这种机制还应减少对其他协议的依赖,以扩展其应用领域;同时可以考虑将黑名单[17]机制考虑进入混合调度TSCH网络,进一步降低节点间信息传递所需要的能耗,延长网络的整体寿命㊂
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㊀第37卷增刊谭㊀龙,等:CRSN中一种基于事件驱动的频谱感知路由方法㊀㊀㊀

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