節(jié)點(diǎn)運(yùn)動的脈沖耦合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)同步探析

摘 要：近年來，隨著科技發(fā)展水平的顯著提升，在全球傳感器技術(shù)領(lǐng)域中，無線傳感網(wǎng)絡(luò)占據(jù)著甚為關(guān)鍵的應(yīng)用地位，其重要性不容忽視，其中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位算法可作為重要的支撐技術(shù)。在此，本文將針對節(jié)點(diǎn)運(yùn)動脈沖耦合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)同步問題進(jìn)行簡要分析探討。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)；節(jié)點(diǎn)運(yùn)動；脈沖耦合；網(wǎng)絡(luò)同步

中圖分類號：TP212.9

目前，在全球范圍內(nèi)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)備受關(guān)注，其應(yīng)用前景十分廣闊。分析表明，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)同步會受到脈沖響應(yīng)函數(shù)及節(jié)點(diǎn)運(yùn)動速率、脈沖強(qiáng)度等因素的直接影響，若靜止節(jié)點(diǎn)數(shù)目越多則會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)同步速度愈發(fā)緩慢。

1 簡析無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

通常而言，通用無線傳感器節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)主要是將硬件資源的優(yōu)化共享作為是基本前提的，可把一般數(shù)據(jù)通路及無線數(shù)據(jù)通路合理分離，同時可實現(xiàn)各類型通信協(xié)議的有效兼容。為使無線收發(fā)器可真正做到實時高效通信，則可運(yùn)用專用硬件加速器，盡可能充分滿足高效率且高性能需求。

上圖主要描述的是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通用節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)，中央處理器為此體系結(jié)構(gòu)的核心內(nèi)容，作用為在分時處理操作請求及通信協(xié)議中進(jìn)行使用。運(yùn)用單一處理器結(jié)構(gòu)目的為基于某種需要場合能夠把全部處理器資源作用于單一任務(wù)運(yùn)行中?？蓪崿F(xiàn)處理能力及成效的優(yōu)化提升。此系統(tǒng)唯一的核心處理應(yīng)配備另外的硬件電路，為精細(xì)化并行處理操作的實施提供有力支持，由于在分配系統(tǒng)中應(yīng)用處理器可完成多個并行操作，為此此類型設(shè)計能夠強(qiáng)化提高并行操作的實際轉(zhuǎn)換效率。實現(xiàn)并行操作轉(zhuǎn)換時間優(yōu)化降低的常用手段為進(jìn)行寄存器窗口的合理添加。CPU能夠?qū)⒍鄠€寄存器組集成起來，如此一來，則不要將每次操作轉(zhuǎn)換對應(yīng)信息寫進(jìn)存儲器中，僅需在空寄存器中保存即可。跟典型微控制器設(shè)計相似的是，數(shù)據(jù)通路可通過共享內(nèi)部總線實現(xiàn)跟系統(tǒng)其他組件的連接，其中包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器、存儲器、硬件加速器、I/O口、系統(tǒng)時鐘等。此系統(tǒng)中CPU僅簡單地實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送任務(wù)規(guī)劃，而并不針對數(shù)據(jù)實施直接處理。在可共享的內(nèi)部總線上全部設(shè)備可基于共享存儲器接口進(jìn)行操作，各個設(shè)備均可就映射于共享地址空間結(jié)構(gòu)實施控制。對應(yīng)的不同操作專用共享地址空間能夠動態(tài)滿足實際應(yīng)用要求。

這個系統(tǒng)的優(yōu)勢為實現(xiàn)專用硬件加速器的有效應(yīng)用，相較于普通數(shù)據(jù)通路低效率操作而言，專用硬件加速器能夠高效完成底層操作執(zhí)行，各個加速器均支持操作無線網(wǎng)絡(luò)通信，一旦操作效率提升，則系統(tǒng)功耗可大幅降低。若硬件加速器實施核心加密數(shù)據(jù)操作，則經(jīng)過加密的數(shù)據(jù)會向其他外圍設(shè)備或者是CPU暴露出來，進(jìn)而凸顯出系統(tǒng)保密方面的缺陷問題。該結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是在自身保密特性的前提下強(qiáng)化增加系統(tǒng)靈活性。

2 節(jié)點(diǎn)運(yùn)動的脈沖耦合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)同步

在相對較為固定的區(qū)域范圍內(nèi)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中涉及的各個節(jié)點(diǎn)可實現(xiàn)量很高運(yùn)行，因為節(jié)點(diǎn)狀態(tài)及相互之間位置處于不斷變化的狀態(tài)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)處于特定狀態(tài)的時候，進(jìn)行脈沖信號發(fā)射，且此類信號強(qiáng)度較大，在相應(yīng)范圍中，其可被節(jié)點(diǎn)全部接受，與此同時，各個節(jié)點(diǎn)間形成一定的脈沖耦合作用，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)同步目的。

基于稀疏網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，如果無線傳感器全部節(jié)點(diǎn)均靜止，網(wǎng)絡(luò)則會不通，難以做到時鐘同步；如果無線傳感器全部節(jié)點(diǎn)均運(yùn)動，一旦某點(diǎn)狀態(tài)達(dá)最大值，則節(jié)點(diǎn)可進(jìn)行脈沖信號發(fā)射，并會對所處區(qū)域范圍中的節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生一定影響。分析可知，時鐘同步會被無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動快慢直接影響，一般來說，在節(jié)點(diǎn)運(yùn)動速率快速增長的同時網(wǎng)絡(luò)時鐘同步時間會隨之縮短，若實際節(jié)點(diǎn)運(yùn)動處于低速狀態(tài)，則此類影響逐步減弱；響應(yīng)函數(shù)跟網(wǎng)絡(luò)同步時間有著直接必然聯(lián)系，伴隨著參數(shù)值的加大，則會逐步縮短網(wǎng)絡(luò)同步所需具體時間；若網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動速率相對較為接近，則脈沖速度直接會對網(wǎng)絡(luò)同步速度造成一定影響，脈沖強(qiáng)度越大會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)同步速度趨向更快；當(dāng)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動速率相對較大的時候，網(wǎng)絡(luò)同步速度所受脈沖強(qiáng)度的影響較小。

在運(yùn)行過程當(dāng)中，處于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的部分節(jié)點(diǎn)因為受到來自于外界因素的影響處于長期靜止?fàn)顟B(tài)中，該種現(xiàn)象的出現(xiàn)是否會對網(wǎng)絡(luò)同步造成影響，有待研究。分析表明，若無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中僅有一個靜止節(jié)點(diǎn)，則其他節(jié)點(diǎn)運(yùn)動時的相響應(yīng)函數(shù)和脈沖強(qiáng)度、運(yùn)動速率導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)同步所受影響跟全部節(jié)點(diǎn)運(yùn)動時形成的直接影響相對較為類似，在此需要注意的是，伴隨著節(jié)點(diǎn)靜止?fàn)顟B(tài)的保持，網(wǎng)絡(luò)同步時間會受到一定程度影響，如果運(yùn)動速率處于較低狀態(tài)，則會使網(wǎng)絡(luò)同步受到明顯影響，一旦運(yùn)動速率表達(dá)，對應(yīng)影響則會被逐步削弱。

圖2 網(wǎng)絡(luò)同步所受靜止節(jié)點(diǎn)數(shù)目影響的表示圖

如上圖所示，網(wǎng)絡(luò)中靜止節(jié)點(diǎn)數(shù)目ns對于網(wǎng)絡(luò)時鐘同步時間t會形成一定影響。當(dāng)n增加的同時t會隨之增加。若全部節(jié)點(diǎn)均處于靜止?fàn)顟B(tài)，則網(wǎng)絡(luò)時鐘同步時間大幅度增加，只要無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中就有一個節(jié)點(diǎn)實在運(yùn)動著的，網(wǎng)絡(luò)同步則可有效實施，僅僅是實際所需的時間比較長些；若節(jié)點(diǎn)均處于狀態(tài)為靜止的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，則只能夠在局部范圍內(nèi)實現(xiàn)節(jié)點(diǎn)信息交換，難以做到網(wǎng)絡(luò)同步。

由此可知，研究節(jié)點(diǎn)運(yùn)動的脈沖耦合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時鐘同步問題，完成節(jié)點(diǎn)運(yùn)動區(qū)域范圍稀疏假設(shè)，設(shè)定其處于低速運(yùn)動狀態(tài)，同時節(jié)點(diǎn)均進(jìn)行運(yùn)動，得出，網(wǎng)絡(luò)同步時間會受到節(jié)點(diǎn)運(yùn)行速率的直接影響，呈現(xiàn)出正比關(guān)系；網(wǎng)絡(luò)同步時間會受到脈沖相相應(yīng)函數(shù)的顯著影響；脈沖強(qiáng)度對同步時間的影響不大，若存在有部分節(jié)點(diǎn)靜止的情況，網(wǎng)絡(luò)同步速度跟靜止節(jié)點(diǎn)樹木呈現(xiàn)出反比關(guān)系，然而即使網(wǎng)絡(luò)中僅存在有一個運(yùn)動節(jié)點(diǎn)則可利用脈沖實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)同步，對應(yīng)速度趨緩。

3 結(jié)束語

綜上可以知道，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要性愈發(fā)突顯，可實現(xiàn)良好應(yīng)用，對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)同步會受到多方因素的影響，通過一系列研究了解掌握節(jié)點(diǎn)運(yùn)動的脈沖耦合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時鐘同步問題，意義深遠(yuǎn)。

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作者簡介：梁川（1979-），男，壯族，廣西百色人，講師，碩士，研究方向：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；滕翠（1979-），女，廣西百色人，工程師，碩士，研究方向：計算機(jī)網(wǎng)、流量識別。

作者單位：百色學(xué)院數(shù)學(xué)與計算機(jī)信息工程系，廣西百色 533000

基金項目：廣西高?？茖W(xué)技術(shù)研究項目立項項目——基于定向擴(kuò)散（DD）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的改進(jìn)研究（項目編號：LX2014418）。