在带有传感器的无线异构网络中应用集体动态路由方法的技术

《Sensors》：Technique for Applying Collective Dynamic Routing Method in a Wireless Heterogeneous Network with Sensors

　　

在本研究中，研究人员开发了一种应用集体动态路由方法（Collective Dynamic Routing, CDR）的技术，用于联合管理跨异构网络的数据流，该网络同时服务于移动用户和传感器。提出了一种异构网络结构，包括802.15.4、Wi-Fi 2.4和Wi-Fi 5子网。为实现该技术，研究人员开发了确定子网可交付实际数据量的算法，以及使用优先级原则操作异构网络骨干路由器的算法。通过仿真验证了在服务于20个移动用户和100个固定传感器的异构网络中使用多个子网并采用集体动态路由方法的有效性。仿真结果表明，建议仅使用两个子网（Wi-Fi 5和Wi-Fi 2.4）构建异构网络。与使用单个Wi-Fi 2.4网络相比，所得到的异构网络具有更低的网络负载和更高的整体数据传输速率，同时传感器功耗增加最小。获得的传感器功耗估计值通过实验得到确认。

随着物联网（IoT）设备的广泛部署，大量监控和控制任务被委托给无线传感器，这些传感器不仅需要定期传输标量数据（如温度、湿度、烟雾浓度），还需传输不同大小的视觉数据（如图像或视频），导致传感器流量呈现多业务特性。然而，大多数传感器采用无线通信，且不同通信技术（如IEEE 802.15.4、Wi-Fi 2.4、Wi-Fi 5）在2.4 GHz频段共存时会产生严重的系统内干扰，降低网络性能。现有研究多针对仅服务于传感器的异构网络，或仅考虑单一无线接口（如Wi-Fi 6）的公共网络，未能解决在同时服务移动用户和传感器的异构网络中，如何通过多个子网高效传输多业务流量并抑制系统内干扰的问题。为此，研究人员开发了一种在无线异构网络中应用集体动态路由方法（CDR）的技术，旨在联合管理跨子网的数据流，提升网络效率并降低传感器功耗。

研究人员提出了一种包含802.15.4、Wi-Fi 2.4和Wi-Fi 5子网的异构网络结构，并开发了关键算法以支持CDR方法在该网络中的实现。通过升级OFDM Planning软件包至4.0版本进行仿真，验证了在同时服务20个移动用户和100个固定传感器的场景下，使用多个子网（特别是Wi-Fi 5和Wi-Fi 2.4）的有效性。仿真结果表明，与仅使用单个Wi-Fi 2.4子网相比，所构建的异构网络降低了网络负载，提高了整体数据传输速率，且传感器功耗增加最小。此外，通过实验实测了传感器功耗，验证了仿真结果的准确性。该研究发表在《Sensors》期刊上，为异构网络中多业务流量的高效传输提供了新的技术方案。

本研究采用的关键技术方法主要包括：（1）基于CDR方法的集中式路由框架，通过对子网级路由和骨干路由器（BR）的分布式设计，避免全网路由爆炸；（2）开发了“确定子网可交付实际数据量算法”，用于计算各子网在系统内干扰下的实际传输能力；（3）设计了两种骨干路由器数据分发算法——优先级算法（Prioritization）和鲁棒算法（Robust），分别基于优先级排序和均匀分配原则将数据流分发至不同子网；（4）利用OFDM Planning软件包进行仿真，采用确定性射线追踪模型（ITU-R.P1238和ITU-R.P2040）计算传播损耗，并基于误码率10^-6计算信道速率；（5）实验部分采用ESP32-C6微控制器和Eltex WEP-3ax接入点搭建测试网络，通过L-Card E20-10 ADC模块（采样率2 MHz）实测传感器电流消耗。

**6.1 通过仿真评估在基于CDR路由的异构网络中使用多个子网的效率**
仿真在固定时间点进行，对比了仅Wi-Fi 2.4子网与包含Wi-Fi 5、Wi-Fi 2.4和802.15.4三个子网的异构网络。结果显示：使用三个子网时，网络负载增益（相对于单Wi-Fi 2.4子网）在低流量下可达10%~23%，数据传输速率增益为5%~20%；在重负载下，采用鲁棒算法（Robust）的增益更高（负载增益10%~24%，速率增益9%~26%）。但进一步分析发现，802.15.4子网因帧头开销大（每帧仅传输79字节有效载荷），且其功耗并不低于Wi-Fi，导致大部分传感器数据实际仍通过Wi-Fi 2.4子网传输。因此，建议仅使用Wi-Fi 5和Wi-Fi 2.4两个子网，此时功耗和增益与三个子网方案相同。

**6.2 传感器功耗的实验评估**
实验选取了两个代表性传感器：S67（仅传输标量数据）和S89（传输标量数据及一分钟视频流量）。通过测试网络模拟CDR方法，采用个体TWT模式控制ESP32-C6的Wi-Fi模块定时发送数据包。结果证实：S67的功耗与仿真一致；S89在传输视频时，实验实测功耗低于仿真值，原因是仿真中传感器需与移动用户共享AP资源单元（OFDMA），而实验中无移动用户流量，AP将所有子载波分配给传感器，导致帧长度缩短（从720.8 μs降至约316 μs），功耗更低。

**结论**
本研究开发了一种在无线异构网络中应用集体动态路由方法（CDR）的技术，使网络能同时服务移动用户和传感器。提出了包含802.15.4、Wi-Fi 2.4和Wi-Fi 5子网的异构网络结构，该技术可适用于任何已实现CDR方法的子网，无需额外计算资源。为实现该技术，开发了子网可交付数据量确定算法及基于优先级原则的骨干路由器运行算法。通过升级的OFDM Planning软件包评估了在服务于20个移动用户和100个固定传感器的异构网络中使用多个子网（采用CDR方法）的效率。与仅使用单个Wi-Fi 2.4子网相比，应用CDR方法于所提出的异构网络结构降低了网络负载，提高了整体数据传输速率，并减少了传感器功耗。在异构网络上采用优先级算法，网络负载增益为10%至23%，数据传输速率增益为5%至20%，且传感器功耗最小。基于鲁棒信道速率估计方法修改的CDR方法在重负载下可获得更大增益（负载增益10%~24%，速率增益9%~26%），但需要更多计算资源并导致传感器功耗增加。基于对802.15.4子网使用情况的分析，提出了仅由Wi-Fi 5和Wi-Fi 2.4子网构成的替代异构网络结构。在所考虑条件下，两种异构网络通过仿真显示出相同的增益。在传感器仅传输标量数据或同时传输标量和视频流量的情况下，实验验证了传感器的功耗估计。