基于Anycast模型的农田环境下的无线传感器网络研究.pdf

Telecom Power Technology 147 Sep.25,2023,Vol.40 No.18 2023 年 9 月 25 日第 40 卷第 18 期通信网络技术DOI：10.19399/ki.tpt.2023.18.049基于 Anycast 模型的农田环境下的无线传感器网络研究高承彬1，于雪2,3*，魏常进4，刘茹敏1，李洁静1（1.沧州职业技术学院，河北 沧州 061101；2.河北水利电力学院，河北 沧州 061101；3.河北省工业机械手控制与可靠性技术创新中心，河北 沧州 061101；4.国网河北省电力公司青县供电分公司，河北 青县 062650）摘要：为提高农田环境下的传感器网络传输效率，减少非电力网络供电状态下的传感器网络系统耗电和延长网络系统使用寿命，采用Anycast多基站网络通信系统服务技术，为每个农田环境传感器基站搭建一个Anycast通信服务，优化无线传感器数据节点间通过最小网桥间距离的生成树协议（Spanning Tree Protocol，STP）度量，实现不同服务质量要求的数据时延应用。通过仿真实验，采用 Anycast 多基站网络通信系统服务技术能有效改善农田环境无线传感器网络多基站的通信服务，延长传感器网络系统的使用周期，为农田环境下的无线传感器网络系统搭建提供一种节能、有效的方法。关键词：农田环境；Anycast；无线传感器网络Research on Wireless Sensor Network in Farmland Environment Based on Anycast ModelGAO Chengbin1,YU Xue2,3*,WEI Changjin4,LIU Rumin1,LI Jiejing1(1.Cangzhou Technical College,Cangzhou 061101,China;2.Hebei University of Water Resources and Electric Engineering,Cangzhou 061101,China;3.Hebei Technology Innovation Center of Industrial Manipulator Control and Reliability,Cangzhou 061101,China;4.Qingxian Power Supply Company of State Grid Hebei Electric Power Company,Qingxian 062650,China)Abstract:In order to improve the transmission efficiency of sensor networks in agricultural environments,reduce power consumption of sensor network systems under non power network power supply conditions,and extend the service life of network systems,the Anycast multi base station network communication system service technology is adopted to establish an Anycast communication service for each agricultural environment sensor base station,optimize the Spanning Tree Protocol(STP)metric for minimizing bridge to bridge distance between wireless sensor data nodes to achieve data latency applications with different service quality requirements.Through simulation experiments,the use of Anycast multi base station network communication system service technology can effectively improve the communication service of wireless sensor networks in agricultural environments,extend the service life of sensor network systems,and provide an energy-saving and effective method for building wireless sensor network systems in agricultural environments.Keywords:farmland environment;Anycast;wireless sensor networks0引言目前，我国农业从传统农业向现代化农业转变，无线传感器网络技术的广泛应用，有效促进农田环境下的无线传感器网络检测的发展。根据农田环境下的无线传感器网络高效率、稳定性、低能耗的要求，单基站的无线传感器网络通信服务无法实现不同服务质量要求的数据时延应用1。因此，为延长无线传感器网络通信服务系统的使用周期和节点数据量传输效率，需在多个基站的数据通信中确定最优路径，且在最优路径通信前，完成对基站的评估并确立对应传输节点的最优基站2。本研究通过 Anycast 多基站网络通信系统服务技术可有效完成节点传输的最优基站选择。1农田无线传感器网络模型本研究将多基站网络通信系统服务分析为一个无向图 G(V,E)。子集合 V 为 n 个基站的网络拓扑中节点、基站，无向图网络拓扑节点、基站通信需一跳或多跳；子集合 E 为网络拓扑中网络连接的集 合。假设 k 属于 E 的节点的相邻节点集合为 Lk，那么任意节点 i 可以与 Li范围的一切节点连接进行数据通信。农田环境下的无线传感器网络中多个源节点同基站为无序分布，源节点能够将农田环境采集的信息数据经过一跳、多跳传输到其中的一个基站。农田无线传感器网络每个节点有信息采集、空闲、通信监听、信息接收以及信息播报等状态，各个状态的功耗都不相同3-4。uo为信息采集 1 Byte 数据的功耗，um为空闲状态的功耗，1 Byte 的信息播报功耗为ec=50 nJ、且放大增益 ea=100 pJ/（bm2），节点信收稿日期：2023-08-07基 金 项 目：沧 州 市 科 技 支 撑 计 划 项 目（213102004）；河 北 水 利 电 力 学 院 大 学 生 创 新 创 业 训 练 计 划 资 助 项 目（S202310085024）。作者简介：高承彬（1990），男，河北黄骅人，硕士研究生，讲师，主要研究方向为无线传感器网络；于雪（1990），女，河北沧州人，硕士研究生，通信作者，讲师，主要研究方向为无线传感器网络。2023 年 9 月 25 日第 40 卷第 18 期Sep.25,2023,Vol.40 No.18Telecom Power Technology 148 息接收 1 Byte 数据功耗 ej=ec5。那么，网络中一节点数据到相邻另一节点功耗为kjcakjwuee D=+（1）式中：D 为节点 k 数据的传送路径长度；w 为路径能耗模型量值，通信监听功耗 um=ec。假设 nk为节点 k对基站传送 1 Byte 数据信息的功耗，nk表示为komjj knuueu=+（2）农田环境下的无线传感器网络路由算法以搭建适应农田特殊数据采集环境要求的最优连接为技术关键。本研究的农田环境下的无线传感器网络路由算法为ikvkQQs=+（3）式中：Q 为从任意 1 个节点传输数据到相邻节点路由搭建的费用和资源消耗；sk为多跳传输距离的信息数据通信功耗后的能耗余量；i为 yk的分析权重量。采用 Anycast 多基站网络通信系统服务技术的邻节点路由搭建的费用和资源消耗为1k2k3d4cQQpnts=+（4）式中：pk为最优功评价耗权重，农田环境下的无线传感器网络中一节点数据到相邻节点功耗最优功耗的关键为 pk=16；td为信息从任意节点传输到双亲节点的时延；sc为此节点信息传输前的能耗余量。依据农田环境无线传感器网络监测需求，本研究的 Anycast 路由计算采用(1,2,3,4)=(0,1,0,1)的多跳模式。2Anycast 无线传感器网络模型农田环境下的无线传感器网络中每个基站完成一个相应的 Anycast 树拓扑，拓扑的根是基站节点，网络拓扑内非基站节点在树拓扑内对应信息可达其双亲节点，一直联通至拓扑树根，且任意节点都确保联通至一个最优的 Anycast 树拓扑。Anycast 树拓扑中的任意节点都可完成其相邻的节点子节点的广播模式，内容包括位置信息、地址信息、Anycast 树拓扑地址、邻节点路由搭建的费用和资源消耗以及其路径所有节点地址。如果广播信息的 Anycas 树拓扑地址为 0，则说明发送广播信息的节点已将信息加入其中 1 棵Anycas树拓扑，对应的信息内容在其双亲节点单元内；如果 Anycas 树拓扑地址为 1，则说明发送广播信息的节点以将信息为加入 1 棵 Anycas 树拓扑，可忽略此信息。任意节点接收到广播信息后，通过一个递减数值判断是否能够进行节点数据下一跳传输，其中接收广播信息中根据最优节点选择作为双亲节点，并回执应答信号7。由于每一个基站存在独立的 Anycast 树拓扑，同时 Anycast 树拓扑中每个节点都可以与根节点直接通信，则根节点无须保留其子节点的数据内容，而子节点必须记录其双亲节点的数据内容，任意子节点通信其所在的 Anycast 树拓扑双亲节点后，通过其双亲节点信息表示下一跳的条件，分析其路由搭建的费用和资源消耗，重新计算并记录其对应的节点相关数据。当农田环境下的无线传感器网络中节点全部划分至 Anycas 树拓扑，数据首节点利用树拓扑发送信息至其双亲节点，再经过数据处理传送至根节点。根节点采集 Anycas 树拓扑所有首发节点信息，所有Anycas 树拓扑路由协议在网络内公开，利用基站间每个 Anycast 树拓扑的通信，有效减少系统负载，进而减少路径中间节点的转送能耗，减少信息发送延迟时间。另外，通过 Anycas 算法建立费用和资源消耗最低的节点间连接，根据农田环境监测数据时延等级对应 Anycas 算法的权重分配，从而满足网络数据传输的节能性及有效性。网络中信息首节点信息可能存在较大的时域空间关联，同时网络中信息首节点信息或传送至副基站，基站内的信息同样具有一定的关联性，需要信息融合来删去大量的信息冗余，避免造成信息传送频率上升和信息干扰。因此，本研究采用 Anycas 技术将树内所有节点归属其对应树后，统一将信息字节发送至根节点，由根节点完成信息融合。3实验仿真本研究通过 Matlab 仿真软件，在 200 m200 m的仿真模拟场地中任意布置 3 5 个基站、60 个首节点及中间节点，任意节点的最大通信距离为 150 m，在模拟场地内任何节点之间可进行连接并完成数据传输，按每个信息组大小为 512 kB，所有节点的原始能量为 100 mJ，节点发送或接收一个信息组功耗参数为 50 nJ/b。在以上仿真模拟场地中依次建 3、4、5个基站，仿真测试后的系统功耗如图 1 所示。根据图 1 可知，随着基站数量增加，网络内树结构增加，首节点传送至根节点的路径变短，传输效率提高且功耗降低。当基站从 3 个提高至 5 个后，系统功耗大致为原功耗的 2/3，系统使用周期也显著提高。本研究采用的 Anycas 技术与 Leach 技术、Aodv技术进行仿真分析，如图 2 所示。当首节点信息量增达时，由于 Aodv 技术数据路径较长，系统效率逐渐降低，功耗变大；Leach 技术由于节点的范围更广，节点数据组发送、接收数据的功耗随之上升。2023 年 9 月 25 日第 40 卷第 18 期 149 Telecom Power TechnologySep.25,2023,Vol.40 No.18 高承彬，等：基于 Anycast 模型的 农田环境下的无线传感器网络研究4结论Anycast 多基站网络通信系统服务技术，为每个农田环境传感器基站搭建一个 Anycast 树，使网络节点选择最优相邻节点,达到减小功耗目的，并根据网络环境时延情况，调整权重参数连接双亲节点。首节点数据依据所在的树拓扑结构传输至其根节点，仿真实验表明多基站 Anycast 网络通信系统服务技术能有效改善农田环境无线传感器网络通信效率，延长系统的使用时间，为农田环境下的无线传感器网络系统搭建提供了一种有效方法。参考文献：1 周敏苑，郑嘉琦，窦万春，等.任播研究综述 J.软件学报，2023，34（1）：334-350.2 龙飞.无线传感网络中基于链路质量的能效任播路由 J.弹箭与制导学报，2022，42（5）：27-31.3 周文祥，乔学工.基于能量优化的无线传感器网络任播路由算法 J.计算机科学，2020，47（12）：291-295.4 谭肖平.AnyCast 实现 DNS 系统负载均衡的技术分析 J.中国新通信，2020，22（9）：74.5 樊伟，徐华，李京.SDN 下的 IPv6 任意播实现负载均衡的路由算法研究 J.小型微型计算机系统，2019，40（3）：545-551.6 林海峰，刘云飞.基于 Anycast 的无线传感器网络多基站路由算法 J.中南民族大学学报（自然科学版），2018，37（1）：120-124.7 高颖.Anycast 技术在 DNS 系统应用分析 D.长春：吉林大学，2017.00.51.01.52.03.02.5能耗/（104 mWmin）1503个基站4个基站5个基站200250300350时间/s400450500550图 1不同基站数量随时间变化的网络功耗10000.51.01.52.02.5能耗/（104 mWmin）150AnycastLeachAodv200250300350时间/s400450500550600图 23 种技术模型随时间变化的网络功耗分析