无线系统：BSSACH与混合蚁群遗传算法的创新应用

### 无线系统：BSSACH 与混合蚁群遗传算法的创新应用 #### 1. 引言 无线传感器网络（WSNs）技术发展迅速，广泛应用于智慧城市、智能家居和工业监控等物联网（IoT）领域。在工业监控和控制应用中，WSNs 的能源效率、传输及时性和可靠性至关重要，因为传感器节点电池充电困难，且需要对目标地点进行准确监控和及时控制。 然而，WSNs 面临诸多挑战，包括信号衰落、多径传播、不同应用的 WSN 间干扰、与其他通信技术（如 WiFi、蓝牙和微波炉）的信道重叠干扰，以及恶意节点的主动干扰攻击。为应对这些问题，研究者们提出了多种 MAC 协议，包括单通道和多通道协议，但现有协议在应对外部干扰和拓扑动态变化方面存在不足。 #### 2. 大时隙调度算法（BSSA）概述 BSSA 结合了 TDMA 和 CSMA/CA 进行时隙调度和信道竞争。每个树级别分配一个大的可共享时隙，其大小随树级别降低呈指数增长。同一级别的所有节点使用 CSMA/CA 竞争信道以传输数据。相邻级别的节点需同时唤醒，高级别节点处于发送状态，低级别节点处于接收状态。 BSSA 使用以下等待时间函数生成时隙调度： \[WTime(l) = W1 \times a^{l - 1}\] 其中，\(a\) 的范围是 \((0, 1]\)，\(W1 = SF\) 是级别 1（\(l = 1\)）的汇聚节点的最大等待时间，即所有数据包必须在该时间内传输到汇聚节点的时间约束。 在可共享时隙内，级别为 \(l\) 的节点 \(x\) 根据其树级别进行分布式时隙调度，获得三个调度点： - 接收开始时间：\(RxTime(l_x) = sTime + WTime(l_x + 1)\) - 发送开始时间：\(TxTime(l_x) = sTime + WTime(l_x)\) - 睡眠开始时间：\(SleepTime(l_x) = sTime + WTime(l_x - 1)\) 其中，\(sTime\) 是所有节点的同步时间点。当 \(TxTime\) 开始时，同一级别的所有节点使用 CSMA/CA 竞争信道发送数据，并在完成数据传输或 \(SleepTime\) 开始时进入睡眠模式。 #### 3. 带信道跳频的大时隙调度算法（BSSACH） ##### 3.1 时间同步 由于 BSSA 是使用模拟器实现和评估的，不需要时间同步。但在实际实现中，BSSACH 需要一个协议来进行全网时间同步。所有节点在网络启动时仅使用一次泛洪时间同步协议（FTSP）进行全网时间同步。汇聚节点向网络泛洪同步消息（SYNC），节点接收到邻居的 SYNC 后，使用线性回归技术补偿时钟偏移和时钟偏差。 为降低维护全局时间同步的带宽成本，BSSACH 在数据传输期间利用 MAC 控制消息（如 RTR、CTS 或 ACK）包含时间同步信息，每个节点在与父节点进行数据传输时本地更新其全局时间同步。 ##### 3.2 信道跳频 为减轻外部干扰，BSSACH 采用信道跳频机制。每个节点使用汇聚节点提供的相同种子生成信道序列表，然后根据其节点 ID 从表中选择自己的信道序列。每个超帧，节点从所选信道序列中跳频。如果节点发现某个信道不好，将信道号报告给汇聚节点，汇聚节点将其传播给所有节点，以便从信道序列表的每个跳频序列中删除该坏信道。 使用线性同余生成器（LCG）生成伪随机信道号： \[X_{n + 1} = (aX_n + c) \mod N, n \geq 0\] 其中，\(N\) 是可用信道总数，\(X_0\) 是种子（\(0 \leq X_0 < N\)），\(a\) 是乘数（\(0 \leq a < N\)），\(c\) 是增量（\(0 \leq c < N\)）。 ##### 3.3 数