無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的建模分析

　　1 引 言 

　　近年來隨著微機電系統(tǒng)(MEMS)、無線通信和數(shù)字電子技術(shù)等方面的進步，使得人們能夠生產(chǎn)和開發(fā)出低成本、低能耗、多功能、小尺寸以及短距離通信的傳感器節(jié)點。

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)是由大量具有傳感、計算和通訊能力的節(jié)點組成。人們將傳感器網(wǎng)絡(luò)任意部署在被關(guān)注的區(qū)域中去自主監(jiān)控重要事件，并且將收集和處理后的結(jié)果傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(基站)并完成指定的任務(wù)。這些網(wǎng)絡(luò)被廣泛地應(yīng)用于交通和定位系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測、偵測核、化學(xué)和生物武器的攻擊等。

　　為了有效地規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和延長傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命，在進行傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計和部署之前，進行傳感器網(wǎng)絡(luò)的建模分析是至關(guān)重要的。通過分析現(xiàn)有的傳感器網(wǎng)絡(luò)，本文提出了傳感器網(wǎng)絡(luò)建模的基本結(jié)構(gòu)，目的是能夠更好地進行傳感器網(wǎng)絡(luò)的建模，本文討論的重點是網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議和相關(guān)的數(shù)據(jù)融合的技術(shù)，但也適用于其他協(xié)議的設(shè)計和建模。

　　2 傳感器網(wǎng)絡(luò)建模的結(jié)構(gòu)

　　2.1 網(wǎng)絡(luò)拓撲
　
　　在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，維持良好的拓撲結(jié)構(gòu)能夠提高路由協(xié)議和MAC協(xié)議的效率，為網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)處理、時間同步和定位等很多方面提供技術(shù)支持，有利于延長整個網(wǎng)絡(luò)的壽命。網(wǎng)絡(luò)拓撲主要影響網(wǎng)絡(luò)的能量消耗、壽命和路由機制等。網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)由網(wǎng)絡(luò)物理形狀、邏輯結(jié)構(gòu)、傳感器部署密度、匯聚節(jié)點特征以及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點移動性等構(gòu)成。

　　2.1.1 物理形狀

　　網(wǎng)絡(luò)拓撲的物理形狀反映了，節(jié)點的精確地理空間位置、方位以及所有節(jié)點構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的具體形狀。基于不同物理構(gòu)造和應(yīng)用環(huán)境的協(xié)議包括GAF(geographical adaptive fidelity)、TTDD(two-tier data dissemination)協(xié)議等。

　　GAF是依據(jù)節(jié)點的地理位置的協(xié)議。該協(xié)議將物理位置相鄰且路由作用基本相同的等價冗余節(jié)點劃歸到同一個虛擬網(wǎng)格。每個網(wǎng)格內(nèi)只有一個節(jié)點處于活動期并負責(zé)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，其余節(jié)點進入休眠狀態(tài)。協(xié)議能夠較好地延長那些節(jié)點移動和節(jié)點密集的傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命，但由于其獨立于具體的路由協(xié)議容易關(guān)閉處于活動狀態(tài)的節(jié)點，結(jié)果會導(dǎo)致通信定期中斷、引入高的傳輸延遲和數(shù)據(jù)包的丟失，這對于某些對時間要求嚴格的應(yīng)用環(huán)境是不適用的。另外該協(xié)議沒有考慮到網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)融合技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)的綜合影響。

　　TTDD協(xié)議假沒傳感器節(jié)點是靜止的并知道自己的位置信息，整個過程包括虛擬方格的構(gòu)造和查詢路徑的建立階段。協(xié)議在能量消耗和傳輸時延性能方面均優(yōu)于定向擴散路由DD(directed diffu-sion)，路由協(xié)議對以較低速度移動的匯聚節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)具備良好的適應(yīng)性。該協(xié)議在源節(jié)點采用了數(shù)據(jù)融合和在中間的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點使用了查詢?nèi)诤?。但隨著源節(jié)點的改變，協(xié)議需要頻繁構(gòu)造和維護單元格，這導(dǎo)致了路由包裹增加；如何采用合理的機制選擇優(yōu)化的單元格的尺寸也是該協(xié)議必須要解決的問題。

　　2.1.2 邏輯結(jié)構(gòu)

　　網(wǎng)絡(luò)的邏輯結(jié)構(gòu)與傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署有關(guān)，也影響著網(wǎng)絡(luò)的能耗、路由協(xié)議、數(shù)據(jù)處理方法的設(shè)計。通常包括平面分布式結(jié)構(gòu)和分層結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點通過網(wǎng)絡(luò)的邏輯結(jié)構(gòu)來選擇和決定通信的鄰居節(jié)點和數(shù)據(jù)融合處理節(jié)點?；谄矫娣植际浇Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議包括DD和SPIN(sensor protocols for in-formation via negotiation)等；基于分層的結(jié)構(gòu)以簇、樹或鏈形式將網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包通過多個層次的通信傳輸?shù)絽R聚節(jié)點，數(shù)據(jù)分別在簇頭和中間節(jié)點進行融合處理減小了傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包的數(shù)量和尺寸，降低了能量的消耗，并最終延長了網(wǎng)絡(luò)的有效壽命。成簇的協(xié)議包括LEACH(low energy adap-tive clustering hierarchy)和HEED(hybrid ener-gy-efficient distributed clustering)等；基于鏈的協(xié)議有PEGASIS(power-efficient gathering in Sen-sor information systems)，構(gòu)造融合樹的協(xié)議有EADAT(energy aware distributed aggregationtree)等。

　　DD是以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議，協(xié)議首先基于屬性值對的方式對任務(wù)進行描述，對相應(yīng)興趣反饋回的數(shù)據(jù)采用相似的命名機制。整個過程包括路徑建立、數(shù)據(jù)發(fā)送和路徑加強三個階段。該協(xié)議采用了興趣融合和路由數(shù)據(jù)融合技術(shù)，前者對類型相同、監(jiān)測區(qū)域完全覆蓋的興趣融合成一個；后者采用的是抑制副本的方法，兩種融合技術(shù)與路由相結(jié)合有效地減少了網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)量。協(xié)議的路由策略具備很好的可靠性和擴展性，不需要維護整個網(wǎng)絡(luò)的全局拓撲，適合應(yīng)用于有多個信源和很少匯聚節(jié)點的傳感器網(wǎng)絡(luò)。由于該協(xié)議是基于按需查詢驅(qū)動的數(shù)據(jù)采集模型，不適用于環(huán)境監(jiān)控這類要求連續(xù)傳輸數(shù)據(jù)的監(jiān)控系統(tǒng)。

　　SPIN是一組以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議，其主要特點包括節(jié)點間談判和根據(jù)本地資源相應(yīng)調(diào)整節(jié)點的工作模式延長網(wǎng)絡(luò)的有效運行時間。每個節(jié)點用元數(shù)據(jù)來描述自身獲得的數(shù)據(jù)，并將接收到的數(shù)據(jù)與自己的數(shù)據(jù)進行融合，這兩種方式消除了冗余的數(shù)據(jù)傳輸。協(xié)議能夠很好地解決傳統(tǒng)協(xié)議所帶來的信息爆炸、重疊和資源盲目使用導(dǎo)致的浪費問題。數(shù)據(jù)的傳輸決策基于當(dāng)?shù)氐泥従有畔?，因此協(xié)議非常適合應(yīng)用于節(jié)點移動的傳感器網(wǎng)絡(luò)。但是SPIN協(xié)議的數(shù)據(jù)廣告機制不能保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

　　LEACH是一種低能耗自適應(yīng)基于簇的分布式路由算法，傳感器節(jié)點按照一定的算法組成簇，由簇頭節(jié)點收集簇內(nèi)其他節(jié)點的數(shù)據(jù)并進行融合和壓縮后將數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)絽R聚節(jié)點。協(xié)議將整個網(wǎng)絡(luò)的能量負載平均分配到每個節(jié)點，同時采用了基于簇頭的數(shù)據(jù)融合和壓縮技術(shù)，降低了整個網(wǎng)絡(luò)能源消耗進而提高了網(wǎng)絡(luò)生存時間。這種集中和周期性處理的數(shù)據(jù)收集方式使得該協(xié)議適合于要求連續(xù)監(jiān)控的應(yīng)用系統(tǒng)。但是由于協(xié)議假設(shè)所有的節(jié)點都可能成為簇頭和具備直接(單跳)與匯聚節(jié)點進行通信的能力，這限制了網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模。另外協(xié)議沒有說明簇頭如何分布才能保證均勻分布到整個網(wǎng)絡(luò)。

　　在LEACH的基礎(chǔ)上，Lindsey等人提出了一種基于鏈的數(shù)據(jù)融合路由協(xié)議PEGASIS，其主要思想是通過貪婪算法，在所有傳感器節(jié)點間形成線性數(shù)據(jù)傳輸鏈，節(jié)點通過鏈只和自己距離最近的鄰居進行數(shù)據(jù)包交換。收集到的數(shù)據(jù)從一個節(jié)點到另一個節(jié)點傳輸、融合，并最終由指定的領(lǐng)頭節(jié)點將數(shù)據(jù)傳輸?shù)交?。與LEACH相比，協(xié)議減少了其在簇重構(gòu)過程中的能耗，同時節(jié)點每次都與自己距離最近的鄰居通信，最終延長了整個網(wǎng)絡(luò)的壽命。由于協(xié)議假設(shè)每個節(jié)點都能與基站直接進行通信，這也限制了網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模。此協(xié)議在每個中間節(jié)點都進行數(shù)據(jù)融合，一方面降低了融合的效率，另一方面也引入了過多的數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r延，使得協(xié)議不適合用于對緊急事件的監(jiān)控。

　　2.1.3 傳感器的部署密度

　　傳感器的部署密度主要影響網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集的時延、網(wǎng)絡(luò)壽命、數(shù)據(jù)傳輸可靠性、數(shù)據(jù)精確度等屬性。密集的傳感器網(wǎng)絡(luò)再加上合適的節(jié)點睡眠調(diào)度機制有利于延長網(wǎng)絡(luò)壽命和提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性。但是過于密集的網(wǎng)絡(luò)會帶來數(shù)據(jù)收集的過多時延，并引起數(shù)據(jù)傳輸中的阻塞、數(shù)據(jù)包的碰撞、不必要的能量消耗等問題。尤其對于物體位置估計的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，傳感器的密度直接影響估計值精度，需要選擇優(yōu)化的密度以獲得最高精度位置估計值。

　　2.1.4 匯聚節(jié)點特征

　　匯聚節(jié)點的特征包括匯聚節(jié)點的位置和數(shù)量。合適的匯聚節(jié)點的位置和數(shù)量使得數(shù)據(jù)從源節(jié)點傳輸?shù)絽R聚節(jié)點的平均距離減少，并且使得網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點的能量獲得較為均衡的消耗，從而有利于延長網(wǎng)絡(luò)的壽命。

　　2.1.5 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的移動性

　　普通傳感器節(jié)點的移動性和匯聚節(jié)點的移動性是影響傳感器網(wǎng)絡(luò)建模的關(guān)鍵因素，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的移動會引起它們之間距離的變化。對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點位置變化的網(wǎng)絡(luò)進行建模，需要用統(tǒng)計技術(shù)去精確表達它們的移動模式，才能獲得較為準(zhǔn)確的節(jié)點間的距離和網(wǎng)絡(luò)的物理拓撲形狀。

　　2.2 網(wǎng)絡(luò)工作環(huán)境

　　2.2.1 網(wǎng)絡(luò)的通信環(huán)境

　　傳感器網(wǎng)絡(luò)由于應(yīng)用的差異會被部署在不同的環(huán)境中，比如空氣、水、土壤、建筑物、叢林或者生物體內(nèi)等。針對不同的通信介質(zhì)，選擇合適的高效通信技術(shù)成為關(guān)鍵，例如部署在水中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點采用的是聲波通信的技術(shù)；在結(jié)構(gòu)體內(nèi)或者叢林中使用超寬帶(UWB)無線通信技術(shù)。由于不同的通信介質(zhì)會引起環(huán)境噪聲、通信干涉等差異，所以設(shè)計的路由和數(shù)據(jù)融合技術(shù)應(yīng)該保證數(shù)據(jù)在不同環(huán)境中準(zhǔn)確可靠的傳輸。

　　2.2.2 網(wǎng)絡(luò)的運行環(huán)境

　　傳感器網(wǎng)絡(luò)可能在敵對的、惡劣的和良好的環(huán)境中運行。在容易受到攻擊的環(huán)境中運行的網(wǎng)絡(luò)通過采用安全的路由和數(shù)據(jù)融合等技術(shù)來保證其正常工作。惡劣環(huán)境中的節(jié)點容易被毀損，這時的網(wǎng)絡(luò)路由需要考慮替代路徑和多路徑的方法去完成數(shù)據(jù)傳輸。

　　2.3 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集特征

　　根據(jù)網(wǎng)絡(luò)獲取和傳輸數(shù)據(jù)的方式，傳感器網(wǎng)絡(luò)一般分為時驅(qū)、事驅(qū)、要求驅(qū)動的網(wǎng)絡(luò)，某些傳感器網(wǎng)絡(luò)也可以是以上幾種方式的組合。在時驅(qū)網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點周期性地收集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點；事驅(qū)的網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)獲取和傳輸行為是不可預(yù)知的；要求驅(qū)動的網(wǎng)絡(luò)中，監(jiān)控人員或者軟件發(fā)送查詢命令，符合查詢要求的數(shù)據(jù)被傳回查詢點。

　　3 建模分析

　　本文作者通過對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用——城市空氣嚴重污染的監(jiān)控，進行了傳感器網(wǎng)絡(luò)的建模分析，其目的是研究如何選擇和設(shè)計適合傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的路由協(xié)議及其相關(guān)數(shù)據(jù)融合的方法。

　　本傳感器網(wǎng)絡(luò)是用于監(jiān)測污染物的濃度和污染的區(qū)域。由于城市的人口比較密集，該種污染可能會導(dǎo)致嚴重后果，傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的及時獲取和傳輸是基于事件驅(qū)動，一旦事件發(fā)生，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點就開始將數(shù)據(jù)迅速傳輸?shù)絽R聚節(jié)點直至監(jiān)控者。為減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r延，選擇了成簇分層的邏輯結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)中的源節(jié)點將數(shù)據(jù)處理壓縮后傳到簇頭節(jié)點并進行數(shù)據(jù)融合，簇頭節(jié)點將融合后的數(shù)據(jù)壓縮經(jīng)多跳路由傳輸?shù)絽R聚節(jié)點。

　　經(jīng)過比較分析，HEED協(xié)議最為接近本網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，這是一種分布式基于成簇的協(xié)議，其采用最大剩余能量和平均最小可達能量作為選擇簇頭的參數(shù)，使網(wǎng)絡(luò)的能量均衡消耗，簇頭的分布更趨均勻。因為HEED假設(shè)所有節(jié)點不知道自己的地理位置，而實際的應(yīng)用需要這項參數(shù)確定污染的區(qū)域，同時其沒有給出具體的簇頭間的路由方式，所以需要對該協(xié)議進行更改以符合應(yīng)用。具體內(nèi)容包括加入相應(yīng)的定位算法和在簇頭問采用DD的路由方式。

　　4 結(jié) 論

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用環(huán)境有很緊密的關(guān)系，進行傳感器網(wǎng)絡(luò)的建模需要綜合研究傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本要素。本文基于現(xiàn)有的傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由和數(shù)據(jù)融合的詳盡分析，提出了進行傳感器建模的基本結(jié)構(gòu)。依據(jù)本結(jié)構(gòu)，人們能夠方便地設(shè)計出適合自己傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境的協(xié)議。