事件驱动型无线传感网链路质量监控研究

文／徐艳玲

摘要：无线传感网部署在监测区域内的大量传感器节点能够协作地监测、感应其网络覆盖区域内的多种环境信息，事件驱动型无线传感器网络仅在定义的事件发生时才向监控基站返回报警信息；本文重点研究了如何在资源受限的条件下，以对网络正常运行干扰少的方式，动态获取无线链路的状态，并对状态结果进行分析，以便及时通知上层协议做出相应调整。

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关键词 ：无线传感网；事件驱动；链路质量；算法

引言

无线传感器节点使用低功率的射频信号进行通信，其链路质量易受环境、节点通信频段、编码方式、节点所使用收发器和天线等因素的影响，随着时间的推移，节点通信半径内的通信链路质量呈现不规则的变化，起伏较大。事件驱动型无线传感器网络具有阶段性、突发性、数据量大、冗余度高的特点，为了及时获得链路质量、发现不稳定链路，保证感知信息实时、准确地送达监控中心，必须对事件驱动型无线传感网链路质量进行监测，对链路失效等不正常情况进行早期预警。由于受到成本、体积等因素的限制，无线传感器节点的处理能力、通信带宽以及电池容量等资源更为有限，为此，在降低链路监测开销的前提下，针对事件驱动型无线传感器网络特点，对链路实施实时监控并得出一个较为准确的估计，对提高整个网络通信的可靠性具有重要意义。

1、事件驱动型网络链路质量监测面临的问题

在资源受限的状况下，链路质量的监测的准确性与节点的能量使用的高效性存在冲突。一方面，从统计意义上来说采样数越多，其统计结果就越趋近真值，而过多的采样会大量消耗节点的能量，这不利于延长节点的使用寿命；另一方面为了节能目的而降低采样数又无法形成对链路质量的准确估计。因此找到链路监测算法的准确性与能量使用的高效性的平衡，对链路质量监控的研究至关重要。

事件驱动型无线传感网有着其不同于其他无线传感网的特点。在无事件发生时，要求质量估计算法对多个样本空间或多个时间段内的样本进行加权，屏蔽链路的短时或暂时的波动，估计出最大可能性的链路质量以供上层协议使用；在事件发生时，为保证事件消息实时可靠上传，监控算法必须迅速检测到链路的显著变化，并立刻做出响应。因此，无事件发生时，侧重估计算法的稳定性；在有事件发生时，侧重估计算法的灵敏性。所以针对特定情况实施何种链路估计策略是个关键问题。

在事件驱动型网络中进行链路质量监测面临以下几个问题：（1）样本空间的确定：要获得对某条链路通信质量的准确估计，需要收集足够多的采样结果，才能给出统计意义上的结论。样本空间过大，易造成能量消耗过多，但链路估计准确。样本空间过小，能耗小，但链路估计结果不准确。因而需要选择一个合适的样本空间，使得即能保证链路的质量估计的准确性，又不增加过多的能量消耗。

（2）不同时期链路质量估计要求不同：事件驱动型无线传感器网络存在事件发生和无事件发生两种状态。事件发生时，网络流量较大且对链路丢包率的波动十分敏感，一旦链路质量估计不能实时作出响应，将导致报警信息的丢失；无事件发生时，网络流量较小，且信息上传的实时性要求不高，上层路由协议仅需要知道下一时刻链路丢包率最大可能值是多少，这要求链路质量估计能够抵抗链路丢包率的短时波动，给出相对准确的估计值。所以在不同状态下，应对链路质量实施不同的估计策略。

2、方案设计

本文构建了基于TinyOS系统平台，在TinyOS系统平台上用nesC语言对mica2节点进行编程，获取链路质量相关数据，对已获取的数据进行分析，提出了具体链路质量监控的算法，并在仿真环境下验证算法有效性。对每个路由维护周期进行一定量的包测试获取该周期内的链路质量；对连续的多个周期进行移动平均，得出统计意义上相对准确的链路质量估计；对所取得的估计结果进行量化处理以便于网络传输；根据链路质量变化幅度决定是否需要通知上层协议。具体的方案如下：

（1） 利用网络正常流量进行丢包率统计：事件驱动型传感器网络在事件发生时，报警消息密集且数据流量较大，可直接统计单位时间报警消息的收发情况作为周期性链路质量。但网络大部分时间是无事件发生的，此时可进行周期性状态汇报，汇报内容包括节点的剩余能量、链路质量、路由及拓扑关系等，内容较多，考虑到网络在这个阶段的低能耗性，往往汇报间隔较大。而周期性链路丢包率的准确获取需要在一定的量的包收发过程，不可避免的需要消耗一定量的能量。如发送专门的探测包来对链路质量进行估算，能量开销过大，故拟采用将周期性汇报消息进行切割，分成多个短消息来进行传输，以增加采样数，这样可以达到链路质量精度要求同时能量开销增幅不是很大。

（2） 确定周期性采样窗口内的发包数：发包数不足难以形成对链路较准确的估计，发包数过多会导致不必要的能耗增加。所以需要确定周期性采样窗口内的发包数，该数应是一个经验值，这个经验值应能完成对链路的较准确的粗估计，且不会造成过大的能量消耗。经验值获取只能通过实验获得。实验方法是使用固定位置的一对节点进行链路实验。实验重复1000次，每次过程持续时间相同，测试包定长且携带序列号，发送者以恒定速率发送，每次实验结束，接收节点通过串口向终端返回未接收到数据包的序列号和丢包率。求取1000次测得的链路丢包率的算术平均值L，并认为该值是非常接近真实链路丢包率的。然后对已收到的数据进行分析，采用二分逼近法的求取能够满足85%以上的丢包率都落在L的±10％之内的最小经验值，然后改变两点间的距离重复实验，看该经验值是否具有通用性。

（3） 指数移动平均的链路估计算法：一个周期内统计出来的链路丢包率，仅是对链路质量的粗略估计，不能反映出真实的链路质量以及链路的变化趋势，所以应在取得周期内链路质量的前提下，以指数加权平均算法得出对下一时刻链路丢包率的最优估计。指数移动平均法通过公式Li=α×Li-1+(1-α)×xi来获得对链路丢包率的估计，移动过程意味着历史数据对统计量的贡献，是随着时间推移呈指数形式递减的，递减速度由权重因子决定，其中Li-1为上一周期的估计值，xi代表第i个周期内的链路丢包率，α∈（0，1）为权重因子，代表过去量对于现在的估计的参考程度大还是小，α越接近1，过去量的参考程度越大，而L0通常设为历史测量的平均值（即网络构建初期计算出的第一个链路收包率）。而α直接决定了估计算法的稳定性和灵敏性。

（4） 不同阶段链路质量估计的策略：由于事件驱动型传感器网络事件发生时，网络流量较大且对链路丢包率的波动十分敏感，要求估计算法灵敏性高，应将α值减少；无事件发生时，要求估计算法能够抵抗链路丢包率的短时波动，稳定性要好，应将α值增大。而α在不同时期具体数值则需要通过实验获取。

（5）事件驱动型无线传感网的上层协议需要掌握区域内节点的链路质量才能准确地做出相应的调整，希望能找到稳定的低丢包率的链路同时又能在这些链路中做出优化选择。链路丢包率大于15%的链路的稳定性是非常不好的，但丢包率位于0~15%之间的链路基本是稳定的。基于这个结果，我拟将链路质量用0~3四个数字划分为4个等级。0代表丢包率在15%以上的链路认为是不可用链路；1代表丢包率在10~15%的链路，链路质量良；2代表丢包率在5~10%的链路，链路质量好；3代表丢包率在0~5%的链路，链路质量较好。采用等级划分的方法将链路质量量化，即满足了上层协议对链路质量精度的需求，又降低了网络消息的负荷（仅占用2比特的空间）。

（6）由于是采用接收者根据发送者发包接收情况的方式对链路丢包率进行统计，所以接收者需要将其统计出的丢包率反馈给发送者，而后由发送者再将该结果向上层协议反馈。但如果在经过一个周期后，链路质量并未发生太大的变化，但节点仍继续交换彼此的链路质量信息则会造成不必要的负载开销。为了解决这个问题，拟在周期性汇报的包头加入1比特的标示位，节点在接收来自邻居的消息时，首先检索该位，0表示链路质量无变化，消息中不携带链路质量信息，节点维持邻居原有的链路质量。1表示链路质量发生变化，节点从消息中取出新的链路质量并更新邻居表中对应项的值。采用这种反馈机制提高的周期性汇报的效率，减少CPU运算次数。

使用少量的周期性测试包进行链路丢包率的粗估计，然后对不同周期内所取得的链路丢包率进行指数加权移动平均，得出相对准确的链路质量。针对事件驱动型网络特点，在不同阶段内，实施不同的链路质量估计策略。无事件发生时，侧重估计算法的稳定性；有事件发生时，侧重估计算法的灵敏性。对链路质量进行量化处理，降低网络传输开销，并根据量化结果确定链路质量的反馈机制。

3、结束语

本文提出了准确、具体的链路质量的预测方法：指数移动平均的链路估计算法和不同阶段链路质量估计的策略，得出了一种能够在不影响事件驱动型无线传感网通信情况下对链路质量进行估计和监控的算法。应用于实际的无线传感网项目中，如进一步完善森林防火无线传感网，可提高无线传感网的可靠性。

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作者简介：徐艳玲，硕士，郧阳师范高等专科学校计算机科学系讲师，研究方向：计算机网络，数据库应用。