毛艷艷，程大鵬，馮煙利，竇全勝，李大社

（1.山東工商學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264005；2.中國(guó)石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580；3.山東省高等學(xué)校協(xié)同創(chuàng)新中心：未來智能計(jì)算，山東 煙臺(tái) 264005；4.山東省高校智能信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（山東工商學(xué)院），山東 煙臺(tái) 264005）

1 引言

隨著智能信息時(shí)代的到來，智能傳感系統(tǒng)得到了前所未有的發(fā)展。智能傳感系統(tǒng)是若干傳感器節(jié)點(diǎn)通過實(shí)時(shí)感知、動(dòng)態(tài)采集、分布傳輸和海量信息處理，為智慧城市、智能家居、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能交通和工業(yè)4.0等領(lǐng)域而設(shè)計(jì)的分布式、智能網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)。在智能傳感系統(tǒng)中，受通信能力的限制，單個(gè)感知節(jié)點(diǎn)無法覆蓋整個(gè)系統(tǒng)，往往需要通過構(gòu)建大規(guī)模、分布式的通信網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)，從而完成數(shù)據(jù)采集與分發(fā)[1-2]、智能診斷[3]、信息融合[4-5]等工作。

在智能傳感系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的主要性能指標(biāo)包括節(jié)點(diǎn)功耗、傳輸延遲、分組接收率和信道吞吐量等。由于許多傳感器節(jié)點(diǎn)是能量有限的，因此，如何利用智能算法充分延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存期是智能傳感系統(tǒng)面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)。目前，采用的主要方法有智能調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)運(yùn)算器和通信芯片的功耗[6]、設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)能量消耗的智能均衡算法[7-8]、設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)休眠調(diào)度算法[9-10]等。此外，為了防止感知數(shù)據(jù)失效，智能傳感系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求較高。因此，智能傳感系統(tǒng)要求在相同能量消耗的前提下盡可能地減少數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延。目前的工作主要包括優(yōu)化路由選擇協(xié)議[11]、智能調(diào)整節(jié)點(diǎn)功率[12]等。而且，智能傳感器節(jié)點(diǎn)大多工作在無線環(huán)境下，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃允墉h(huán)境因素的影響較大。保障可靠性的解決方案包括減少多徑效應(yīng)和外部干擾對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊憽⒃O(shè)計(jì)鏈路質(zhì)量評(píng)估算法等[13]。最后，海量數(shù)據(jù)傳輸、智能網(wǎng)絡(luò)重編程和快速數(shù)據(jù)分發(fā)都要求提高信道吞吐量。目前的方法有建立流水線機(jī)制[14]和優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸模型[15]等方法。

最近，以相長(zhǎng)干涉（CI, constructive interference）為代表的并發(fā)傳輸技術(shù)以其高可靠性、低時(shí)延和低功耗的優(yōu)勢(shì)成為智能傳感系統(tǒng)中備受關(guān)注的數(shù)據(jù)傳輸方案。作為一種高效的智能傳感系統(tǒng)并發(fā)傳輸技術(shù)，相長(zhǎng)干涉可以實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延，同時(shí)分組接收率達(dá)到99%以上。而且，以相長(zhǎng)干涉為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)洪泛、網(wǎng)絡(luò)重編程、數(shù)據(jù)分發(fā)、故障診斷等服務(wù)通過碼片級(jí)時(shí)鐘同步有效延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存期，并有效緩解節(jié)點(diǎn)能量消耗分布不均的問題。此外，并發(fā)傳輸技術(shù)可以減少節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸過程中射頻收發(fā)器的工作時(shí)間，從而降低占空比。然而，現(xiàn)有的相長(zhǎng)干涉技術(shù)仍然缺乏一套完整的智能化并發(fā)傳輸策略。本文針對(duì)智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的相長(zhǎng)干涉并發(fā)傳輸技術(shù)進(jìn)行研究，對(duì)分組接收率、能量消耗、吞吐量等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，提出一種智能傳感系統(tǒng)并發(fā)傳輸策略（C3S ，concurrent transmission strategy for intelligent sensing system）。

圖1 C3S的邏輯關(guān)系

如圖1所示，C3S分為以下3個(gè)層次：智能時(shí)鐘同步層、智能能量分配層和智能并行流水線層。C3S在底層通過實(shí)現(xiàn)碼片級(jí)時(shí)延度量和智能時(shí)鐘校準(zhǔn)算法，有效地提升了相長(zhǎng)干涉并發(fā)傳輸機(jī)制的可靠性。同時(shí)為上層針對(duì)能耗和吞吐量的工作提供保障性支撐。在智能能量分配層，通過設(shè)計(jì)智能節(jié)點(diǎn)工作模式調(diào)度和自適應(yīng)能量調(diào)度機(jī)制，對(duì)基于相長(zhǎng)干涉的數(shù)據(jù)傳輸過程中傳感器節(jié)點(diǎn)的能量消耗進(jìn)行優(yōu)化。在保障低功耗的前提下，C3S利用智能信道分配方法實(shí)現(xiàn)基于相長(zhǎng)干涉的并行流水線，提高智能傳感系統(tǒng)的吞吐量。與現(xiàn)有并發(fā)傳輸技術(shù)相比，C3S在智能化、可靠性、傳輸時(shí)延、功耗和數(shù)據(jù)傳輸效率等方面都有較大改進(jìn)。

本文提出的C3S策略主要貢獻(xiàn)如下。

1） 提出一種基于相長(zhǎng)干涉的智能時(shí)鐘校準(zhǔn)算法（ICCA，CI-based intelligent clock calibration algorithm），通過分析相鄰層次上的智能傳感節(jié)點(diǎn)相長(zhǎng)干涉時(shí)鐘誤差和多跳累積誤差，對(duì)相長(zhǎng)干涉并發(fā)傳輸進(jìn)行智能補(bǔ)償。

2） 提出稀疏網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎碌南嚅L(zhǎng)干涉能量自適應(yīng)調(diào)度方案（CIES， CI-based energy adaptive scheduling scheme），通過改進(jìn)相長(zhǎng)干涉并發(fā)傳輸時(shí)序，建立能量消耗模型，延長(zhǎng)智能傳感系統(tǒng)的生存期。

3） 提出基于相長(zhǎng)干涉的并行流水線（CI2P，CI-based parallel pipeline），通過設(shè)計(jì)多信道分配方案，使傳感器節(jié)點(diǎn)智能選取工作信道，最大化相長(zhǎng)干涉并發(fā)傳輸?shù)耐掏铝俊?/p>

4） 應(yīng)用真實(shí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膶?shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的 C3S策略可以有效提升智能傳感系統(tǒng)的可靠性、網(wǎng)絡(luò)生存期和吞吐量。

2 相關(guān)工作

作為一種并發(fā)傳輸技術(shù)，相長(zhǎng)干涉指的是當(dāng)來自2個(gè)（I1、I2）或多個(gè)節(jié)點(diǎn)的并發(fā)傳輸數(shù)據(jù)分組到達(dá)接收節(jié)點(diǎn)D的時(shí)間位移不超過0.5 μs時(shí)，接收節(jié)點(diǎn)D收到的數(shù)據(jù)分組信號(hào)強(qiáng)度大于任意節(jié)點(diǎn)單獨(dú)向D發(fā)送數(shù)據(jù)分組時(shí)D接收的信號(hào)強(qiáng)度，如圖2所示。

圖2 相長(zhǎng)干涉原理

相長(zhǎng)干涉是文獻(xiàn)[16]在解決 ACK廣播風(fēng)暴問題時(shí)發(fā)現(xiàn)的。此后，文獻(xiàn)[17]利用相長(zhǎng)干涉，首次在智能傳感系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了毫秒級(jí)時(shí)延的快速網(wǎng)絡(luò)洪泛。Glossy的工作流程與拓?fù)錈o關(guān)，智能傳感網(wǎng)中的所有節(jié)點(diǎn)都參與每個(gè)數(shù)據(jù)分組的轉(zhuǎn)發(fā)。雖然可以實(shí)現(xiàn)99%的分組接收率和毫秒級(jí)的傳輸時(shí)延，但是傳輸過程中耗費(fèi)了不必要的節(jié)點(diǎn)能量。而且，Glossy還存在可擴(kuò)展性問題。文獻(xiàn)[18]在Glossy的基礎(chǔ)上搭建了相長(zhǎng)干涉數(shù)據(jù)總線 LWB（low-power wireless bus），首次實(shí)現(xiàn)了任一節(jié)點(diǎn)間的相長(zhǎng)干涉數(shù)據(jù)通信，并設(shè)計(jì)了節(jié)點(diǎn)相長(zhǎng)干涉時(shí)隙的動(dòng)態(tài)調(diào)整方案。但是，LWB并未對(duì)Glossy的底層傳輸流程進(jìn)行優(yōu)化，仍然存在能耗和擴(kuò)展性的問題。此外，智能傳感器系統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)流量的多樣性會(huì)導(dǎo)致輪轉(zhuǎn)周期不穩(wěn)定，從而增大調(diào)度算法的收斂時(shí)間。文獻(xiàn)[19]簡(jiǎn)化了LWB的工作流程，設(shè)計(jì)了一種時(shí)分復(fù)用的相長(zhǎng)干涉數(shù)據(jù)采集協(xié)議Choco，首次通過控制數(shù)據(jù)分組來調(diào)整相長(zhǎng)干涉數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ髁鞒?。然而，在多跳智能傳感系統(tǒng)中產(chǎn)生的累積誤差會(huì)增加分組丟失率。由于Choco在轉(zhuǎn)發(fā)失敗的情況下會(huì)重新分配時(shí)隙，直到數(shù)據(jù)分組被成功接收。所以，增加的重傳次數(shù)會(huì)導(dǎo)致傳輸時(shí)延的上升，從而增大能量消耗。在吞吐量方面，文獻(xiàn)[20]通過對(duì)相鄰層次上節(jié)點(diǎn)信道的調(diào)度實(shí)現(xiàn)了基于相長(zhǎng)干涉的流水線Splash。但是，Splash仍然采用拓?fù)錈o關(guān)的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，在任意節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用中，會(huì)產(chǎn)生不必要的能量消耗。同時(shí)，Splash每間隔一個(gè)傳輸輪次才向流水線輸送一個(gè)數(shù)據(jù)分組，并未達(dá)到最優(yōu)的數(shù)據(jù)傳輸效率。

最近的工作開始對(duì)相長(zhǎng)干涉拓?fù)鋬?yōu)化進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[21]發(fā)現(xiàn)拓?fù)錈o關(guān)的相長(zhǎng)干涉數(shù)據(jù)傳輸存在可擴(kuò)展性問題。當(dāng)智能傳感系統(tǒng)傳輸路徑中存在相互獨(dú)立的子路徑時(shí)，所產(chǎn)生的累積同步誤差使相長(zhǎng)干涉的分組接收率隨著獨(dú)立子路徑的跳數(shù)增加而減少。對(duì)此，文獻(xiàn)[21]通過設(shè)計(jì)基于網(wǎng)格的網(wǎng)絡(luò)洪泛協(xié)議SCIF（spine constructive interference-based flooding），改善了相長(zhǎng)干涉的可擴(kuò)展性問題。但是，SCIF增加了轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)，從而增大了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延。文獻(xiàn)[22]在多條傳輸鏈路中選取數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)最少的鏈路轉(zhuǎn)發(fā)相長(zhǎng)干涉數(shù)據(jù)分組，提出了并發(fā)傳輸調(diào)度算法（CX, concurrent transmission）。相比于Glossy，CX 在一定程度上節(jié)省了轉(zhuǎn)發(fā)過程中的能量消耗，但是，轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)易受外部環(huán)境和鏈路質(zhì)量的影響而動(dòng)態(tài)變化，從而導(dǎo)致CX調(diào)度算法的重復(fù)調(diào)用，增大了網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延和計(jì)算開銷。此外，在理想條件下（PRR=100%），CX調(diào)度算法的計(jì)算對(duì)象為全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，并未對(duì)拓?fù)溥M(jìn)行有效控制。文獻(xiàn)[23]設(shè)計(jì)了單跳時(shí)延誤差的時(shí)鐘補(bǔ)償方案 Triggercast，提高了相長(zhǎng)干涉的可靠性。但是，Triggercast沒有對(duì)智能傳感系統(tǒng)中相鄰兩層節(jié)點(diǎn)的距離誤差進(jìn)行補(bǔ)償。文獻(xiàn)[24]在Triggercast的基礎(chǔ)上提出了有損鏈路下相長(zhǎng)干涉的充分條件。文獻(xiàn)[24]認(rèn)為參與發(fā)送的節(jié)點(diǎn)數(shù)量越多，相長(zhǎng)干涉的分組接收率并非越高，從側(cè)面證實(shí)了對(duì)基于相長(zhǎng)干涉的智能傳感系統(tǒng)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化的必要性。

此外，相長(zhǎng)干涉在智能傳感系統(tǒng)中的應(yīng)用也很廣泛。文獻(xiàn)[25]提出了一種 MAC（medium access control）層協(xié)議Flip-MAC，通過修改IEEE 802.15.4的標(biāo)志位，將相長(zhǎng)干涉應(yīng)用于 ACK幀的傳遞，大大節(jié)省了 ACK幀的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延。但是，隨著并發(fā)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的上升，F(xiàn)lip-MAC需要占用更多的標(biāo)志位進(jìn)行并發(fā)調(diào)度。另外，固定數(shù)量的標(biāo)志位靈活性差，會(huì)帶來傳輸開銷和匹配率低等問題。文獻(xiàn)[26]將相長(zhǎng)干涉的應(yīng)用擴(kuò)展到了捕獲效應(yīng)的范圍。與 LWB相比，文獻(xiàn)[26]通過對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)隙的控制實(shí)現(xiàn)了全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)交換。而文獻(xiàn)[27]提出的FTSP（flooding time-synchronization protocol）則利用相長(zhǎng)干涉減小時(shí)鐘漂移估算誤差，從而提高了時(shí)間同步協(xié)議的同步精度。此外，為了解決隱蔽站問題，文獻(xiàn)[28]提出了一種沖突處理機(jī)制，而文獻(xiàn)[29]利用相長(zhǎng)干涉實(shí)現(xiàn)了快速、高效的沖突調(diào)度。此外，文獻(xiàn)[30]設(shè)計(jì)了相長(zhǎng)干涉的硬件測(cè)試平臺(tái)Flocklab，文獻(xiàn)[31]基于相長(zhǎng)干涉設(shè)計(jì)了一個(gè)MAC協(xié)議參數(shù)的低功耗采集方案pTunes。與FTSP類似，文獻(xiàn)[32]使用相長(zhǎng)干涉改進(jìn)時(shí)鐘同步精度。文獻(xiàn)[33]將相長(zhǎng)干涉應(yīng)用于可見光通信的數(shù)據(jù)傳輸。

綜上所述，相長(zhǎng)干涉技術(shù)以其可靠、快速的特點(diǎn)受到了廣泛關(guān)注。然而，目前尚缺乏一種自下而上的基于相長(zhǎng)干涉的智能傳感并發(fā)傳輸策略。本文提出的C3S策略，將時(shí)鐘校準(zhǔn)、拓?fù)鋬?yōu)化和流水線構(gòu)建集于一體，不僅解決了相長(zhǎng)干涉的能耗、吞吐量等問題，也很大程度上提升了相長(zhǎng)干涉在智能傳感系統(tǒng)中的應(yīng)用范圍。該策略可以使傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行智能時(shí)鐘校準(zhǔn)和智能能量調(diào)度，并自動(dòng)構(gòu)建基于相長(zhǎng)干涉的并行流水線。

3 智能時(shí)鐘同步層的設(shè)計(jì)

本節(jié)主要介紹C3S的底層策略，給出了相長(zhǎng)干涉的相關(guān)定義，分析了相長(zhǎng)干涉的碼片級(jí)時(shí)延誤差，描述了如何通過拓?fù)淇刂仆瓿蒊CCA算法的設(shè)計(jì)。

3.1 定義

應(yīng)用相長(zhǎng)干涉進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，通常采用同步機(jī)制控制數(shù)據(jù)傳輸流程。

在圖3所示的傳輸場(chǎng)景中，第一個(gè)同步傳輸輪次內(nèi)，初始節(jié)點(diǎn)I先將相長(zhǎng)干涉數(shù)據(jù)分組發(fā)送給第一層同步節(jié)點(diǎn)R1、R2、R3和R4。R1、R2、R3和R4在收到數(shù)據(jù)分組后，在第二個(gè)同步傳輸輪次內(nèi)同時(shí)將相長(zhǎng)干涉數(shù)據(jù)分組發(fā)送給第二層同步節(jié)點(diǎn)R5、R6、R7、R8、R9以及初始節(jié)點(diǎn)I。在此輪次內(nèi)，節(jié)點(diǎn)I同時(shí)收到來自R1、R2、R3和R4的相長(zhǎng)干涉數(shù)據(jù)分組，R5同時(shí)收到來自R1、R2的相長(zhǎng)干涉數(shù)據(jù)分組，R6同時(shí)收到來自R2、R4的相長(zhǎng)干涉數(shù)據(jù)分組，R7同時(shí)收到來自R1、R3的相長(zhǎng)干涉數(shù)據(jù)分組，R8同時(shí)收到來自R3、R4的相長(zhǎng)干涉數(shù)據(jù)分組，R9同時(shí)收到來自R2、R3、R4的相長(zhǎng)干涉數(shù)據(jù)分組。與第二個(gè)同步傳輸輪次類似，在第三個(gè)同步傳輸輪次中，R5、R6、R7、R8和R9將相長(zhǎng)干涉數(shù)據(jù)分組同步傳輸給葉子節(jié)點(diǎn)：R10、R11、R12、R13、R14和R15。此外，每個(gè)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組的次數(shù)不能超過最大發(fā)送次數(shù)（參見定義2）。而且，每次相長(zhǎng)干涉都必須滿足以下條件。

圖3 相長(zhǎng)干涉分層傳輸原理

1） 多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向一個(gè)共同節(jié)點(diǎn)發(fā)送內(nèi)容相同的數(shù)據(jù)分組。

2） 多個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)分組到達(dá)共同節(jié)點(diǎn)時(shí)的最大時(shí)間位移。

3）m個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度差滿足其中，Pmax為m個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的最高信號(hào)強(qiáng)度，ΔiP為第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度差。

根據(jù)相長(zhǎng)干涉的特點(diǎn)，本文對(duì)相長(zhǎng)干涉的主要概念進(jìn)行如下定義和說明。

定義 1在相長(zhǎng)干涉過程中，來自多個(gè)節(jié)點(diǎn)的同步數(shù)據(jù)分組到達(dá)接收端時(shí)的最大時(shí)間誤差稱為相長(zhǎng)干涉的最大時(shí)間位移，用Δ表示。

定義 2在相長(zhǎng)干涉過程中，任意節(jié)點(diǎn)發(fā)送同一個(gè)數(shù)據(jù)分組的最大次數(shù)稱為相長(zhǎng)干涉的最大發(fā)送次數(shù)，用N_tx表示。

定義 3在相長(zhǎng)干涉過程中，節(jié)點(diǎn)成功接收同一個(gè)數(shù)據(jù)分組的次數(shù)與最大發(fā)送次數(shù)的比值稱為相長(zhǎng)干涉的數(shù)據(jù)分組傳輸成功率。

說明相長(zhǎng)干涉的數(shù)據(jù)分組傳輸成功率與分組接收率不同，前者更強(qiáng)調(diào)每次相長(zhǎng)干涉發(fā)生時(shí)的成功率，而后者是指在相長(zhǎng)干涉的最大發(fā)送次數(shù)內(nèi)，只要一次接收成功就計(jì)算為有效接收分組。

定義 4相長(zhǎng)干涉的數(shù)據(jù)分組從初始節(jié)點(diǎn)發(fā)出開始，到全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)都收到該數(shù)據(jù)分組為止的這段時(shí)間稱為相長(zhǎng)干涉的網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延。

說明相長(zhǎng)干涉的網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延更強(qiáng)調(diào)全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)首次全部收到數(shù)據(jù)分組的時(shí)間，代表了相長(zhǎng)干涉數(shù)據(jù)傳輸?shù)饺W(wǎng)的最短時(shí)間。

定義 5相長(zhǎng)干涉的數(shù)據(jù)分組從初始節(jié)點(diǎn)發(fā)出開始，到全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)結(jié)束數(shù)據(jù)分組的發(fā)送和接收為止的這段時(shí)間內(nèi)，全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的射頻芯片運(yùn)行時(shí)間的總和稱為相長(zhǎng)干涉的射頻芯片工作時(shí)長(zhǎng)。

3.2 相長(zhǎng)干涉時(shí)延誤差分析

設(shè)計(jì)智能時(shí)鐘同步策略的目的是保證相長(zhǎng)干涉的可靠性。為此，本文首先通過捕捉初始節(jié)點(diǎn)和轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)中SFD中斷的碼片級(jí)時(shí)延，對(duì)相長(zhǎng)干涉數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序進(jìn)行分析。

如圖4所示，在發(fā)送和接收一個(gè)數(shù)據(jù)分組的過程中，初始節(jié)點(diǎn)和轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)之間存在的時(shí)間延遲主要包括：發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)延Tip、傳播時(shí)延Tcd和接收數(shù)據(jù)時(shí)延Trp。其中，Tip由信號(hào)處理時(shí)延Tsp和發(fā)送時(shí)延Tfd組成，Trp則包含由軟件校準(zhǔn)時(shí)延Tsd、邏輯處理時(shí)延Tld和收發(fā)轉(zhuǎn)換時(shí)延Ttd。其中Tsp的取值與射頻芯片的采樣頻率相關(guān)，誤差范圍為0.125 μs以內(nèi)。而且對(duì)于相同型號(hào)的智能傳感器節(jié)點(diǎn)來說，由于相長(zhǎng)干涉的數(shù)據(jù)分組長(zhǎng)度相同，節(jié)點(diǎn)傳輸速率也相同，所以Tfd是常量，可以忽略不計(jì)。此外，Tsd的值可以參照式（2）計(jì)算。

其中，fc為射頻芯片的晶振頻率，fr為DCO振蕩頻率，kr為在區(qū)間[0, 1]內(nèi)的隨機(jī)數(shù)。值得注意的是，最新的射頻通信芯片 CC2538可消除軟件校準(zhǔn)時(shí)延。Tld則受晶振時(shí)鐘漂移的影響，無法完全消除。和Tfd類似，相同型號(hào)的智能傳感器節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的Ttd也可以被看作常量。值得注意的是，Tcd的取值是依賴于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞摹?/p>

為了測(cè)試節(jié)點(diǎn)距離對(duì)Tcd的影響，本文分別在室內(nèi)環(huán)境和室外環(huán)境下搭建了如圖5所示的通信場(chǎng)景。

在圖5中，節(jié)點(diǎn)S1和S2到接收節(jié)點(diǎn)R的距離差為Δd，且將R處收到來自S1和S2的信號(hào)強(qiáng)度調(diào)整為一致。將S2的位置固定不變，S1從距離節(jié)點(diǎn)R為1 m逐漸移動(dòng)到100 m。通過S1和S2同時(shí)向R發(fā)送相長(zhǎng)干涉數(shù)據(jù)分組，測(cè)試R處的分組接收率。

圖5 相長(zhǎng)干涉的Tcd誤差通信場(chǎng)景

如圖6所示，當(dāng)節(jié)點(diǎn)距離大于45 m時(shí)，室內(nèi)、室外的相長(zhǎng)干涉分組接收率均低于90%。當(dāng)大于70 m時(shí)，室內(nèi)、室外的相長(zhǎng)干涉分組接收率均低于10%。而且，受多徑效應(yīng)的影響，室內(nèi)環(huán)境下的平均分組接收率比室外環(huán)境少 21%?？梢?，Tcd誤差對(duì)相長(zhǎng)干涉分組接收率的影響是明顯的。

3.3 基于CI的智能時(shí)鐘校準(zhǔn)算法

在之前的工作中，Disco利用式（3）對(duì)單跳相長(zhǎng)干涉的Tsp和Tcd進(jìn)行了有效的補(bǔ)償，有效提高了相長(zhǎng)干涉的同步精度。

圖4 相長(zhǎng)干涉的節(jié)點(diǎn)SFD引腳時(shí)序

圖6 節(jié)點(diǎn)距離差與相長(zhǎng)干涉分組接收率

如圖7所示，節(jié)點(diǎn)I為相長(zhǎng)干涉數(shù)據(jù)傳輸?shù)某跏脊?jié)點(diǎn)，而節(jié)點(diǎn)R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8和R9為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。為了簡(jiǎn)單起見，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲杏?種不同的距離d1和d2，且任意節(jié)點(diǎn)與I的累計(jì)距離為dik，任意節(jié)點(diǎn)之間的距離為dpk。當(dāng)相長(zhǎng)干涉數(shù)據(jù)傳輸開始時(shí)，I首先向R1、R2、R3發(fā)出數(shù)據(jù)分組。在隨后的傳輸輪次，由R1、R2、R3發(fā)送數(shù)據(jù)分組。如果按照式（3）對(duì)I與R1、R2、R3的距離差進(jìn)行Tcd補(bǔ)償，可以彌補(bǔ)di2與di1和di3之間的Tcd誤差。但是，在圖 7的拓?fù)渲校琑1、R2、R3同時(shí)也向R4、R5、R6轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組。以R6為例，因?yàn)閐63小于d62，若只考慮對(duì)上一跳的補(bǔ)償反而會(huì)增加d63和d62帶來的Tcd誤差，從而導(dǎo)致相長(zhǎng)干涉失敗。

當(dāng)N_tx=2時(shí)，進(jìn)一步對(duì)相長(zhǎng)干涉的沖突次數(shù)進(jìn)行分析。在首個(gè)傳輸輪次，R1、R2、R3收到來自I的數(shù)據(jù)分組。接下來的傳輸輪次，由于Tcd誤差導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)I和R5處接收分組失敗。同時(shí)，由于Tcd累積誤差被抵消，R4和R6可以收到數(shù)據(jù)分組。第三個(gè)傳輸輪次，R1、R3、R7、R9會(huì)成功收到來自單個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)分組；由于d42= d62= d2，d48=d68=d2，R2和R8也會(huì)成功接收來自R4和R6發(fā)送的數(shù)據(jù)分組。第四個(gè)傳輸輪次，因?yàn)閐41+di1=d42+di2=d63+di3，節(jié)點(diǎn)I可以成功接收數(shù)據(jù)分組。同時(shí)，由于d51+d14+d41+di1=d52+d42+d41+di1=d53+d36+d63+di3，所以R5成功接收數(shù)據(jù)分組。然而，R4和R6卻由于Tcd誤差而導(dǎo)致相長(zhǎng)干涉失敗。第五個(gè)傳輸輪次，R7、R8、R9成功收到來自R5的數(shù)據(jù)分組。第6個(gè)傳輸輪次，R4和R6由于累積誤差被抵消，所以成功收到數(shù)據(jù)分組。因?yàn)閐85≠d95= d75，所以R5接收失敗。最后一個(gè)傳輸輪次，R4和R6完成最后一次數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)，相長(zhǎng)干涉數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束。在所有的7個(gè)傳輸輪次中發(fā)生了5次由Tcd累積誤差引起的相長(zhǎng)干涉失敗。因此，要保證相長(zhǎng)干涉的可靠性，需要設(shè)計(jì)基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞腡cd補(bǔ)償算法。

圖7 基于Tcd的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

根據(jù)圖7的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，可以將智能傳感系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)分為末端節(jié)點(diǎn)和中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)兩類。末端節(jié)點(diǎn)包括初始節(jié)點(diǎn)和葉子節(jié)點(diǎn)，只需要計(jì)算單跳Tcd補(bǔ)償。當(dāng)時(shí)，中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)可以在不同的傳輸輪次中分別完成對(duì)上一跳和下一跳的Tcd補(bǔ)償。假設(shè)一個(gè)包含n個(gè)節(jié)點(diǎn)的智能傳感系統(tǒng)，第i個(gè)節(jié)點(diǎn)在第k個(gè)傳輸輪次的Tcd補(bǔ)償與校準(zhǔn)式如式（4）所示。

基于式（4），本文提出智能時(shí)鐘校準(zhǔn)算法ICCA。如算法1所示，ICCA假設(shè)初始節(jié)點(diǎn)為v1，網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)為H，節(jié)點(diǎn)vi的跳數(shù)為hi，Niu={u1,u2,…,up},Niu∈V為節(jié)點(diǎn)vi的hi-1跳鄰居節(jié)點(diǎn)集合，Nid={d1,d2,… ,dq},Nid∈V為節(jié)點(diǎn)vi的hi+1跳鄰居節(jié)點(diǎn)集合。首先，ICCA根據(jù)hi判定節(jié)點(diǎn)的類別。若當(dāng)前節(jié)點(diǎn)是末端節(jié)點(diǎn)，按照式（3）進(jìn)行Tcd補(bǔ)償。若當(dāng)前節(jié)點(diǎn)是中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)，則在奇數(shù)傳輸輪次對(duì)其上一跳節(jié)點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償，在偶數(shù)傳輸輪次對(duì)其下一跳進(jìn)行補(bǔ)償。最后，算法返回智能傳感系統(tǒng)中所有節(jié)點(diǎn)在第i個(gè)傳輸輪次的Tcd補(bǔ)償集合。

算法1智能時(shí)鐘校準(zhǔn)算法（ICCA）

輸入一個(gè)節(jié)點(diǎn)集合V={v1,v2,… ,vn}

輸出節(jié)點(diǎn)Tcd補(bǔ)償集合T={t1,t2,… ,tn}

//初始節(jié)點(diǎn)或葉子節(jié)點(diǎn)

遍歷其上一跳節(jié)點(diǎn)集合Niu

//中間節(jié)點(diǎn)

遍歷其上一跳節(jié)點(diǎn)集合Niu

end

//傳輸輪次判定

ICCA的信號(hào)強(qiáng)度增益計(jì)算方法如下。假設(shè)射頻芯片的頻率為fc，Ai是節(jié)點(diǎn)接收的最強(qiáng)信號(hào)的振幅，Δt是時(shí)延補(bǔ)償?shù)臍埐?，補(bǔ)償后的時(shí)延是一個(gè)在區(qū)間上均勻分布的隨機(jī)變量。對(duì)于一個(gè)h跳，每跳nj（j=1,…,h）個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，可以得到SNR的增益如式（5）所示。

ICCA的時(shí)間復(fù)雜度計(jì)算方法如下。對(duì)于包含n個(gè)節(jié)點(diǎn)的智能傳感系統(tǒng)，ICCA算法的時(shí)間復(fù)雜度主要取決于中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，以及每個(gè)中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)的上、下層鄰居節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。假設(shè)有k個(gè)中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)（k＜n）,則 ICCA 的時(shí)間復(fù)雜度為O（k（p+q））。

4 智能能耗優(yōu)化層的設(shè)計(jì)

本節(jié)主要介紹C3S的中間層策略，給出了相長(zhǎng)干涉數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芎膯栴}，介紹了節(jié)點(diǎn)狀態(tài)遷移時(shí)序設(shè)計(jì)過程，描述了節(jié)點(diǎn)智能模式調(diào)度流程的設(shè)計(jì)，提出了相長(zhǎng)干涉的能量消耗模型。

4.1 相長(zhǎng)干涉數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芎膯栴}

以 Glossy為代表的拓?fù)錈o關(guān)相長(zhǎng)干涉數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議要求所有智能傳感系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)參與數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)，這會(huì)帶來冗余的能量消耗。

如圖8所示，按照Glossy的工作流程，圖中所有的節(jié)點(diǎn)都需要轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組。而事實(shí)上，只需要在中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)中選擇R2和R4進(jìn)行相長(zhǎng)干涉數(shù)據(jù)傳輸就可以將數(shù)據(jù)分組發(fā)送給L1、L2、L3、L4和L5。這可以比Glossy節(jié)省80%的能量。因此，傳統(tǒng)的相長(zhǎng)干涉數(shù)據(jù)傳輸存在冗余能量消耗的問題。同時(shí)，若選擇R1、R3和R5進(jìn)行相長(zhǎng)干涉數(shù)據(jù)傳輸，也能將數(shù)據(jù)分組發(fā)送給L1、L2、L3、L4和L5。這意味著，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)冗余覆蓋時(shí)，在底層ICCA算法的基礎(chǔ)上通過智能調(diào)度轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的集合，可進(jìn)一步延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存期。

圖8 相長(zhǎng)干涉的能耗問題

針對(duì)相長(zhǎng)干涉數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰肯膯栴}，本文采用拓?fù)湎嚓P(guān)的方法，從修改傳統(tǒng)相長(zhǎng)干涉數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ髁鞒倘胧?，提出稀疏網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎碌南嚅L(zhǎng)干涉能量自適應(yīng)調(diào)度方案CIES。

4.2 CIES的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)遷移時(shí)序

由于相長(zhǎng)干涉數(shù)據(jù)傳輸要求的亞微秒級(jí)的同步精度，全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)以相同的頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)分組的轉(zhuǎn)發(fā)。如圖9所示，每個(gè)節(jié)點(diǎn)工作在4種不同的狀態(tài)——睡眠狀態(tài)、監(jiān)聽狀態(tài)、接收狀態(tài)和發(fā)送狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)通過觸發(fā)不同的事件進(jìn)行狀態(tài)切換。在傳統(tǒng)方法下，當(dāng)相長(zhǎng)干涉數(shù)據(jù)傳輸開始時(shí)，初始節(jié)點(diǎn)和中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)分別觸發(fā)Iw_Evt和Tw_Evt。初始節(jié)點(diǎn)進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)，中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入監(jiān)聽狀態(tài)。正常情況下，當(dāng)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送次數(shù)c＜N_tx時(shí)，節(jié)點(diǎn)在發(fā)送狀態(tài)、監(jiān)聽狀態(tài)和接收狀態(tài)之間循環(huán)輪轉(zhuǎn)，同時(shí)對(duì)發(fā)送次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。然而，當(dāng)相長(zhǎng)干涉數(shù)據(jù)傳輸失敗時(shí)，觸發(fā)F_Evt事件使節(jié)點(diǎn)從接收狀態(tài)回到監(jiān)聽狀態(tài)。當(dāng)完成最后一次發(fā)送，即c=N_tx時(shí)，節(jié)點(diǎn)返回睡眠狀態(tài)以節(jié)省能量。

圖9 CIES的狀態(tài)遷移

CIES對(duì)上述狀態(tài)遷移時(shí)序進(jìn)行了優(yōu)化，給每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)定了2種工作模式：節(jié)能模式和轉(zhuǎn)發(fā)模式。處于轉(zhuǎn)發(fā)模式下的節(jié)點(diǎn)，其狀態(tài)遷移時(shí)序與傳統(tǒng)方法一致。處于節(jié)能模式下的節(jié)點(diǎn)在成功接收到一次數(shù)據(jù)分組后就觸發(fā)Sl_Evt事件轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)。

以常用的智能傳感器節(jié)點(diǎn)的射頻芯片 CC2538為例，其通用異步收發(fā)傳輸器的能耗為0.7 mA，而睡眠狀態(tài)的能量消耗僅為0.9 μA。節(jié)能模式可以有效減少射頻芯片處于發(fā)送狀態(tài)和接收狀態(tài)的時(shí)間，從而有效解決相長(zhǎng)干涉數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰肯膯栴}。

4.3 CIES的節(jié)點(diǎn)智能模式調(diào)度

實(shí)現(xiàn)CIES的一個(gè)挑戰(zhàn)就是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜褪Ｓ嗄芰空业骄W(wǎng)絡(luò)中在轉(zhuǎn)發(fā)模式下工作的節(jié)點(diǎn)集合。要降低相長(zhǎng)干涉射頻芯片工作時(shí)長(zhǎng)就需要最小化轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集合，生成新的稀疏網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。而且，每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)行智能模式調(diào)度。這就需要設(shè)計(jì)輕量級(jí)、分布式的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集合選擇算法。

假設(shè)一個(gè)由n個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的智能傳感系統(tǒng)，各節(jié)點(diǎn)具有相同的傳輸范圍。定義一個(gè)單位圓圖G（V，E），圖中邊的集合為則存在以下定義。

定義6若圖G（V，E）中存在節(jié)點(diǎn)集D，任意節(jié)點(diǎn)v屬于D或者距離D一跳，則集合D是圖G的一個(gè)支配集。若D的任意子集組成的子圖是一個(gè)連通圖，則D是一個(gè)連通支配集。若存在?d∈D，使D-syggg00不是連通支配集，則D是一個(gè)最小連通支配集。

定義7集合D中的節(jié)點(diǎn)稱為支配節(jié)點(diǎn)（DN ，dominant node），能將一個(gè)支配集變?yōu)檫B通支配集的節(jié)點(diǎn)稱為連通節(jié)點(diǎn)（LN，link node），連通支配集以外的節(jié)點(diǎn)稱為雇傭節(jié)點(diǎn)（EN，employment node）。

CIES首先采用構(gòu)造近似最小支配集的方法，并使用節(jié)點(diǎn)累積射頻芯片工作時(shí)長(zhǎng)作為關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，進(jìn)行相長(zhǎng)干涉的節(jié)點(diǎn)工作模式調(diào)度。

由定義6和定義7得知，DN節(jié)點(diǎn)和LN節(jié)點(diǎn)應(yīng)設(shè)置為轉(zhuǎn)發(fā)模式，而EN節(jié)點(diǎn)應(yīng)設(shè)置為節(jié)能模式。因此，應(yīng)該順序設(shè)計(jì)DN節(jié)點(diǎn)選擇流程和LN節(jié)點(diǎn)選擇流程。

4.3.1 DN節(jié)點(diǎn)的選擇

如圖 10所示，在初始狀態(tài)下，所有節(jié)點(diǎn)的類型值均為EN。若一個(gè)節(jié)點(diǎn)v的累積射頻芯片工作時(shí)長(zhǎng)小于門限值T0，就可以向其鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)出DN節(jié)點(diǎn)廣播請(qǐng)求，并將其累積射頻芯片工作時(shí)長(zhǎng)寫入請(qǐng)求數(shù)據(jù)分組。隨后，v的鄰居節(jié)點(diǎn)會(huì)返回ACK，其中包含該鄰居節(jié)點(diǎn)的射頻芯片工作時(shí)長(zhǎng)。收到來自所有ACK后，節(jié)點(diǎn)v將自己的累積射頻芯片工作時(shí)長(zhǎng)與所有鄰居節(jié)點(diǎn)的累積射頻芯片工作時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行比較，若節(jié)點(diǎn)v的累積射頻芯片工作時(shí)長(zhǎng)最小，則節(jié)點(diǎn)v可發(fā)出DN節(jié)點(diǎn)聲明的廣播數(shù)據(jù)分組。如此反復(fù)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中不再有節(jié)點(diǎn)發(fā)出DN廣播請(qǐng)求，DN節(jié)點(diǎn)選擇流程結(jié)束。在此之后，G中的節(jié)點(diǎn)或者是DN節(jié)點(diǎn)，或者是ED節(jié)點(diǎn)。

圖10 DN節(jié)點(diǎn)選擇流程

4.3.2 LN節(jié)點(diǎn)的選擇

如圖11所示，所有的ED節(jié)點(diǎn)將其與DN節(jié)點(diǎn)的連接信息進(jìn)行廣播。圖G中一個(gè)ED節(jié)點(diǎn)最多與5個(gè)DN節(jié)點(diǎn)相鄰[34]。而且，任何2個(gè)DN節(jié)點(diǎn)之間的距離可能是二跳或者三跳。當(dāng)任意2個(gè)DN節(jié)點(diǎn)的距離為兩跳時(shí)，形成路徑若中間節(jié)點(diǎn)v與其他ED節(jié)點(diǎn)相比累積射頻芯片工作時(shí)長(zhǎng)最小，則節(jié)點(diǎn)v可以發(fā)送廣播分組聲明成為L(zhǎng)N節(jié)點(diǎn)。當(dāng)2個(gè)DN節(jié)點(diǎn)的距離為三跳時(shí)，形成路徑所有和DN1、DN2連接的二跳中間節(jié)點(diǎn)分別將其累積射頻芯片工作時(shí)長(zhǎng)發(fā)送給DN1和DN2。若節(jié)點(diǎn)u和節(jié)點(diǎn)v的累積射頻芯片工作時(shí)長(zhǎng)分別在其所處的候選節(jié)點(diǎn)集合中為最小值，那么u和v在收到DN1和DN2的ACK后聲明為L(zhǎng)N節(jié)點(diǎn)。否則，節(jié)點(diǎn)DN1和DN2會(huì)繼續(xù)重復(fù)上述步驟選擇其他節(jié)點(diǎn)。

圖11 LN節(jié)點(diǎn)選擇流程

定理1CIES進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化后，G中任意節(jié)點(diǎn)u和v之間的最大跳數(shù)是3h+2。其中，h是u和v之間最短路徑的跳數(shù)。

證明假設(shè)G中任意兩點(diǎn)u和v之間的最短路徑為：P（u，v）={p1，p2，…，ph}，其中p1=u，ph =v。對(duì)于?pi，若pi不是DN節(jié)點(diǎn)，設(shè)其連接的DN節(jié)點(diǎn)為di；若pi是DN節(jié)點(diǎn)，則di=pi。

因?yàn)镃DS （u，v）中至多有h個(gè)DN節(jié)點(diǎn)，即

CDS（u，v）={u，x1，x2，…，xh，v}；

所以xi和下一個(gè)DN節(jié)點(diǎn)之間最多為三跳，即

所以P（x1,xh）至多為3h跳；

因?yàn)?CDS（u，v）=P（u，x1）+P（x1，xL）+P（xh，u）=3h+2；

所以 CDS（u，v）至多有 3h+2 跳。

定理1從理論上證明了CIES的最大跳數(shù)上限。而且，當(dāng)P（u，v）中的奇數(shù)下標(biāo)節(jié)點(diǎn)為DN節(jié)點(diǎn)，偶數(shù)下標(biāo)節(jié)點(diǎn)為L(zhǎng)N節(jié)點(diǎn)，且任意2個(gè)DN節(jié)點(diǎn)之間均為兩跳時(shí)，CDS（u，v）的值就是最短路徑。

對(duì)于冗余覆蓋的智能傳感系統(tǒng)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)上都設(shè)置相同的T0。若某個(gè)DN節(jié)點(diǎn)或者LN節(jié)點(diǎn)的累積射頻芯片工作時(shí)長(zhǎng)超過T0，CIES會(huì)通過該節(jié)點(diǎn)發(fā)出廣播，從而完成最小支配集的重建。在重建過程中，CIES首先將原來的DN節(jié)點(diǎn)和LN節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)類別都設(shè)為EN，然后觸發(fā)DN選擇流程和LN選擇流程，找到新的DN節(jié)點(diǎn)和LN節(jié)點(diǎn)集合，產(chǎn)生新的最小支配集，延長(zhǎng)智能傳感系統(tǒng)的生命期。然而，若CIES找不到新的DN節(jié)點(diǎn)和LN節(jié)點(diǎn)集合，則只能將全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)都設(shè)置成中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)。

4.4 CIES的能量消耗模型

假設(shè)智能傳感系統(tǒng)有n個(gè)節(jié)點(diǎn)。任意節(jié)點(diǎn)在監(jiān)聽狀態(tài)、發(fā)送狀態(tài)和接收狀態(tài)中單位時(shí)間內(nèi)的能量消耗分別為Es、Et和Er。節(jié)點(diǎn)處于監(jiān)聽狀態(tài)、發(fā)送狀態(tài)和接收狀態(tài)的時(shí)間分別為Ts、Tt和Tr。其他參數(shù)還包括數(shù)據(jù)分組長(zhǎng)度l、數(shù)據(jù)傳輸速率kbit/s。

傳統(tǒng)相長(zhǎng)干涉數(shù)據(jù)傳輸方法讓所有節(jié)點(diǎn)循環(huán)N_tx個(gè)周期的監(jiān)聽狀態(tài)、發(fā)送狀態(tài)和接收狀態(tài)輪轉(zhuǎn)后才結(jié)束整個(gè)傳輸過程。因此，其能量消耗可表示為

CIES中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)的能量消耗與式（6）相同。但是，EN節(jié)點(diǎn)只需要運(yùn)行一次完整的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。因此，CIES的能量消耗可表示為

其中，

其中，c為中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，Et和Ep分別為中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)和EN節(jié)點(diǎn)的能量消耗。CIES節(jié)省的能量ΔE可計(jì)算為

式（8）表明，每個(gè) EN節(jié)點(diǎn)可減少N_tx-1次待機(jī)狀態(tài)，N_tx-1次接收狀態(tài)和N_tx次發(fā)送狀態(tài)。然而，DN和LN節(jié)點(diǎn)則不能節(jié)省能量。因此，CIES在冗余覆蓋圖中節(jié)省的能量KEc可計(jì)算為

式（9）說明，能量的節(jié)省正比于UDG中冗余中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)集的數(shù)量。

5 智能并行流水線層的設(shè)計(jì)

本節(jié)主要介紹C3S的性能提升策略，分析了相長(zhǎng)干涉的多信道通信特點(diǎn)，介紹了CI2P的建立過程。

5.1 CIES的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)遷移時(shí)序

在第4節(jié)的自適應(yīng)能量分配策略和現(xiàn)有低占空比喚醒方法的基礎(chǔ)上，如何提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量就顯得尤為重要。PIP和Splash采用信道輪轉(zhuǎn)的方法實(shí)現(xiàn)相長(zhǎng)干涉。然而，PIP對(duì)網(wǎng)絡(luò)冗余路徑的利用率低。Splash雖然讓全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)參與轉(zhuǎn)發(fā)，但是只實(shí)現(xiàn)了單流水線。本文旨在實(shí)現(xiàn)一種相長(zhǎng)干涉的多信道并行流水線CI2P。

在建立 CI2P之前，需要首先評(píng)估相長(zhǎng)干涉在射頻芯片的16個(gè)工作信道上的通信可靠性。為此，本文設(shè)置了一個(gè)接收節(jié)點(diǎn)和16個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)。16個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)分別工作在 16個(gè)不同的信道，接收節(jié)點(diǎn)則通過信道輪轉(zhuǎn)接收數(shù)據(jù)分組。每個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送500個(gè)數(shù)據(jù)分組，平均分組接收率的結(jié)果如圖12所示。除了第 26號(hào)信道之外，其他信道的平均分組接收率都在10%到40%之間，屬于有損鏈路。而且，除了第 26號(hào)信道之外，其他信道的分組接收率的平均方差達(dá)到 0.593。評(píng)估結(jié)果表明，在單鏈路下通過信道輪轉(zhuǎn)建立流水線，其可靠性不能滿足智能傳感系統(tǒng)的需求。

幸運(yùn)的是，相長(zhǎng)干涉的數(shù)據(jù)傳輸采用的是并發(fā)鏈路。因此，本文對(duì)基于相長(zhǎng)干涉的并發(fā)鏈路進(jìn)行了可靠性測(cè)試。在上述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，每個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)附近增加3個(gè)工作在相同信道的并發(fā)節(jié)點(diǎn)，采用相長(zhǎng)干涉的方式同時(shí)向接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)分組。如圖 13所示，第 26號(hào)信道的分組接收率提升至99.8%，方差減小為0.02。其他信道中，有4條信道的分組接收率超過了70%。分組接收率最小的信道也提升至38%。除了第26號(hào)信道之外，其他信道的分組接收率的平均方差減少到0.13。

圖12 16條信道的分組接收率

圖13 16條信道相中干涉下的分組接收率

進(jìn)一步將并發(fā)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量增大至8個(gè)。如圖13所示，第26號(hào)信道的分組接收率達(dá)到了99.99%，方差減小為 0.001。其余信道的平均分組接收率也超過了90%。

5.2 CI2P的建立

在單信道通信中，相長(zhǎng)干涉數(shù)據(jù)傳輸只允許智能傳感節(jié)點(diǎn)每 2個(gè)傳輸輪次發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)分組。CI2P將多信道輪轉(zhuǎn)應(yīng)用于任意節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)了并行流水線，其基本原理如圖14所示。

在圖14中，傳感系統(tǒng)中的任意節(jié)點(diǎn)I通過節(jié)點(diǎn)v1,v2,...,v8的轉(zhuǎn)發(fā)將相長(zhǎng)干涉數(shù)據(jù)分組發(fā)往節(jié)點(diǎn)D。相長(zhǎng)干涉數(shù)據(jù)傳輸開始時(shí)，節(jié)點(diǎn)I、v1、v2工作在信道a，v3和v4工作在信道b，v5和v6工作在信道c，v7和v8工作在信道d。每一個(gè)傳輸輪次結(jié)束后，節(jié)點(diǎn)I在信道a和信道b之間反復(fù)切換，v1和v2在信道a和信道c之間反復(fù)切換，v3和v4工作在信道b和信道d之間反復(fù)切換，v5、v6、v7和v8不需要進(jìn)行信道輪轉(zhuǎn)。由于要分別接受來自2條流水線的數(shù)據(jù)分組，目的節(jié)點(diǎn)D則需要在信道c和信道d之間反復(fù)切換。在第一個(gè)傳輸輪次，所有節(jié)點(diǎn)都工作在默認(rèn)信道。第二個(gè)傳輸輪次，節(jié)點(diǎn)I轉(zhuǎn)換到信道b，v1和v2 轉(zhuǎn)換到信道c。第三個(gè)傳輸輪次，節(jié)點(diǎn)I、v1和v2轉(zhuǎn)換到信道a，v3和v4轉(zhuǎn)換到信道d。第四個(gè)傳輸輪次，節(jié)點(diǎn)I、v3和v4轉(zhuǎn)換到信道b，節(jié)點(diǎn)D轉(zhuǎn)換到信道d。在CI2P建立的過程中，共發(fā)生了10次信道轉(zhuǎn)換。

圖14 CI2P的基本原理

圖15描述了CI2P建立的過程中各節(jié)點(diǎn)收發(fā)數(shù)據(jù)分組的詳細(xì)情況。其中，P1i和P2i分別表示CI2P中流水線1和流水線2上的第i個(gè)數(shù)據(jù)分組。相長(zhǎng)干涉數(shù)據(jù)傳輸開始時(shí)，所有節(jié)點(diǎn)都在監(jiān)聽狀態(tài)。第一個(gè)傳輸輪次，節(jié)點(diǎn)I發(fā)送數(shù)據(jù)分組P11。由于v3和v4工作在信道b，所以只有v1和v2收到數(shù)據(jù)分組P11。第二個(gè)傳輸輪次，節(jié)點(diǎn)I發(fā)送數(shù)據(jù)分組P21，v1和v2轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組P11，在v5處形成相長(zhǎng)干涉。第三個(gè)傳輸輪次，節(jié)點(diǎn)I發(fā)送P12，v3和v4發(fā)送P21，v5和v6將P11發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)D。第四個(gè)傳輸輪次，節(jié)點(diǎn)I發(fā)送數(shù)據(jù)分組P22，v5和v6收到數(shù)據(jù)分組P12，v7和v8將P21轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點(diǎn)D，并發(fā)流水線建立完成。自第五個(gè)傳輸輪次開始，節(jié)點(diǎn)D在每個(gè)傳輸輪次都會(huì)收到一個(gè)不同的數(shù)據(jù)分組。CI2P建立后數(shù)據(jù)分組的輪次產(chǎn)出比達(dá)到了100%。

根據(jù)上述分析，CI2P的建立方法如下。首先通過第3節(jié)的最小支配集構(gòu)建方法選出從I到D的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集合S1和S2。然后，分別對(duì)S1和S2中的節(jié)點(diǎn)信道進(jìn)行如下調(diào)度。初始節(jié)點(diǎn)I的默認(rèn)信道與S1的第一層節(jié)點(diǎn)相同，其輪換信道與S2的第一層節(jié)點(diǎn)相同。目的節(jié)點(diǎn)D的默認(rèn)信道與S1的第h-1層節(jié)點(diǎn)的信道一致（h為S1和S2的深度）。對(duì)于任意中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)vi，若所處層次為第h-1層，則一直工作在默認(rèn)信道。否則，若vi位于S1，則vi的默認(rèn)信道等于vi所在的層次，vi的輪轉(zhuǎn)信道與下一層的高度相等。若vi位于S2，則vi的默認(rèn)信道等于vi所在的層次數(shù)與h-1的和，vi的輪轉(zhuǎn)信道等于默認(rèn)信道號(hào)+1。

圖15 CI2P建立流程

將CI2P的傳輸效率與Glossy和Splash進(jìn)行比較。假設(shè)數(shù)據(jù)分組的大小為xbit，每個(gè)傳輸輪次時(shí)隙為Ts，I與D之間的跳數(shù)為h，N_tx的值為1。Glossy完成一個(gè)數(shù)據(jù)分組的傳輸時(shí)間為hTs，Splash完成一個(gè)數(shù)據(jù)分組的傳輸時(shí)間為2Ts，而CI2P完成一個(gè)數(shù)據(jù)分組的傳輸時(shí)間為Ts。因此，CI2P的傳輸效率是Glossy的h倍，是Splash的2倍。

6 C3S策略的性能評(píng)估

本節(jié)主要介紹C3S的性能評(píng)估，分析了智能時(shí)鐘同步層的性能，對(duì)能耗優(yōu)化層的CIES策略進(jìn)行了評(píng)估，評(píng)估了智能并行流水線層的性能。

6.1 智能時(shí)鐘同步層的性能評(píng)估

為了評(píng)估智能時(shí)鐘同步層 ICCA算法在智能傳感系統(tǒng)中的有效性，本文在Matlab2015上搭建了一個(gè)包含4 000個(gè)節(jié)點(diǎn)的均勻分布網(wǎng)絡(luò)，對(duì)該ICCA的收斂時(shí)間、數(shù)據(jù)分組傳輸成功率和網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延進(jìn)行評(píng)估。圖16描述了當(dāng)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)從500個(gè)增加到4 000個(gè)時(shí)，ICCA的收斂時(shí)間。當(dāng)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為500時(shí)， ICCA的收斂時(shí)間為2.32 μs。當(dāng)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為4 000時(shí)，ICCA的收斂時(shí)間為6.78 μs。每增加 500個(gè)節(jié)點(diǎn)，ICCA的收斂時(shí)間平均增加0.65 μs。

圖16 ICCA的收斂時(shí)間

如圖17所示，當(dāng)智能傳感系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)從500個(gè)增加到4 000個(gè)時(shí)，Glossy的數(shù)據(jù)分組傳輸成功率下降了 32%，然而，ICCA的數(shù)據(jù)分組傳輸成功率在此過程中一直保持在96%以上。節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)增加會(huì)加大總的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)，當(dāng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)分組傳輸失敗時(shí)，會(huì)加大累積時(shí)延誤差，從而影響后續(xù)的數(shù)據(jù)分組傳輸成功率。從圖17還可以看出 ICCA數(shù)據(jù)分組傳輸成功率的平均誤差比Glossy要小。

圖17 ICCA的數(shù)據(jù)分組傳輸成功率

最后，本文評(píng)估了定義4描述的網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延。如圖18所示，當(dāng)智能傳感系統(tǒng)包含500個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，ICCA的網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延為1.24 ms，而Glossy的網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延為2.41 ms，比ICCA多了1.17 ms。當(dāng)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)增加到4 000個(gè)時(shí)，ICCA的網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延為5.02 ms，而Glossy的網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延為7.14 ms，比ICCA多了2.12 ms。而且，ICCA網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延的平均誤差為0.16 ms，而Glossy網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延的平均誤差為0.64 ms。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)超過2 000個(gè)時(shí)，Glossy網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延的平均誤差達(dá)到了0.87 ms。很明顯，ICCA的網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延更小，數(shù)據(jù)傳輸更穩(wěn)定。

圖18 ICCA的收斂時(shí)間

6.2 智能能耗優(yōu)化層的性能評(píng)估

本節(jié)分別對(duì)CIES的分組接收率、網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延和射頻芯片工作時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行評(píng)估，所有評(píng)估結(jié)果均取500次測(cè)試的平均值。

如圖19所示，當(dāng)N_tx=1時(shí)，CIES和Glossy的PRR均超過97.2%。當(dāng)N_tx=2時(shí)，CIES和Glossy的PRR均達(dá)到99.9%。圖19中也存在個(gè)別分組接收率低于 80%的情況。例如，當(dāng)傳輸距離為 65 m時(shí)（N_tx=1），有一次的分組接收率僅為 76.4%。原因在于，CIES在減少轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)的同時(shí)也減少了節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)分組的次數(shù)。在CIES中，EN節(jié)點(diǎn)只能從上層的 IN或者 LN節(jié)點(diǎn)獲取數(shù)據(jù)分組。而在Glossy中，中間節(jié)點(diǎn)可從上層節(jié)點(diǎn)和下層節(jié)點(diǎn)至少獲得2次接收數(shù)據(jù)分組的機(jī)會(huì)（N_tx=1）。

圖20描述了1 052個(gè)點(diǎn)組成的智能傳感系統(tǒng)在N_tx=2時(shí)的網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲。在CIES中，有264個(gè)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲在1 ms以內(nèi)，全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)分組的時(shí)間是11 ms。然而，Glossy將數(shù)據(jù)傳遍全網(wǎng)的時(shí)間要多花費(fèi)的時(shí)間。雖然Glossy可以實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)的相長(zhǎng)干涉數(shù)據(jù)傳輸。但是，圖 20的仿真證明，CIES的數(shù)據(jù)傳輸速度相比Glossy更快。這是因?yàn)?，CIES通過基于底層的ICCA算法，同步精度高，從而減少了重傳次數(shù)。

圖19 CIES的可靠性評(píng)估

圖20 CIES的網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲

圖21展示了累積射頻芯片工作時(shí)長(zhǎng)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)傳輸距離在40～100 m內(nèi)，Glossy的累積射頻芯片工作時(shí)長(zhǎng)從22.5 ms降至19.6 ms。而CIES的累積射頻芯片工作時(shí)長(zhǎng)從15 ms降至7.2 ms。當(dāng)傳輸距離為100 m時(shí)，CIES可以節(jié)省63.93%的能量消耗。圖21說明，CIES對(duì)能量消耗的節(jié)省與網(wǎng)絡(luò)密度成正比。

6.3 智能并行流水線層的性能評(píng)估

本節(jié)分別對(duì) CI2P的分組接收率、吞吐量和網(wǎng)絡(luò)利用率進(jìn)行評(píng)估。如圖22 所示，CI2P的平均分組接收率為 98.84%，Glossy的平均分組接收率為99.11%，Splash的平均分組接收率為97.22%。在所有的測(cè)試中，CI2P有 4次獲得最高分組接收率，Splash只有一次獲得最高分組接收率，而Glossy獲得了7次最高分組接收率。此外，Glossy的分組接收率方差為0.022，CI2P的PRR方差為0.026，Splash的PRR方差為0.031。圖22的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，3種協(xié)議的分組接收率差距不明顯。相比而言，Glossy最穩(wěn)定。原因是在于，Glossy可以充分利用網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相長(zhǎng)干涉數(shù)據(jù)傳輸。Splash在流水線切換時(shí)產(chǎn)生了時(shí)延誤差，影響了分組接收率。由于底層的ICCA算法，CI2P的分組接收率與Glossy更為接近。

圖21 CIES的射頻芯片工作時(shí)長(zhǎng)

圖22 CI2P的可靠性評(píng)估

為了對(duì)吞吐量進(jìn)行評(píng)估,本文在智能傳感系統(tǒng)中任選10條初始節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)組成的通信鏈路，在每條鏈路上分別使用D-PIP、Splash和Glossy 發(fā)送長(zhǎng)度為32 bit 的數(shù)據(jù)分組，測(cè)量上述3種方法的平均分組接收率。如圖23所示，Glossy的平均吞吐量為25.74 kbit/s，Splash的平均吞吐量為78.67 kbit/s，CI2P的平均吞吐量卻達(dá)到了177.43 kbit/s。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，CI2P的平均吞吐量是Splash的2.23倍，是Glossy的6.85倍。在圖23中，CI2P的吞吐量平均誤差為 6.42 kbit/s，Splash的吞吐量平均誤差為14.54kbit/s，Glossy的吞吐量平均誤差為3.04 kbit/s?？梢姡cSplash和Glossy相比，CI2P顯著地提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

在圖24中，本文測(cè)量了CI2P在10條信道中的利用率。首先，本文使用TelosB節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了滿載數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，TelosB節(jié)點(diǎn)的實(shí)際最高速率為220 kbit/s。然后，本文使用CI2P進(jìn)行相長(zhǎng)干涉數(shù)據(jù)傳輸，用測(cè)得的吞吐量占實(shí)際最高速率的百分比來衡量CI2P的信道利用率。如圖24所示，鏈路1中測(cè)得的有效利用率最低，為75.2%。吞吐量為167.2 kbit/s。鏈路9的信道利用率最高，其吞吐量達(dá)到了204.6 kbit/s。所有10條鏈路的平均信道利用率達(dá)到了84.21%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，CI2P的信道轉(zhuǎn)換時(shí)延只占用了15.79%的利用率。

圖23 CI2P的吞吐量評(píng)估

圖24 CI2P的信道利用率評(píng)估

7 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于相長(zhǎng)干涉的并發(fā)傳輸策略C3S。該策略采用分層的思想，針對(duì)智能傳輸系統(tǒng)的可靠性、功耗和吞吐量進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。C3S提出了ICCA智能時(shí)鐘校準(zhǔn)算法，CIES智能能量分配方案和 CI2P智能并行流水線。與傳統(tǒng)的相長(zhǎng)干涉數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議相比，C3S的同步精度更高，傳輸時(shí)延更小，傳輸功耗更低，信道利用率更高。