無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的節(jié)能與設(shè)計(jì)簡(jiǎn)析

【摘要】無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為新興研究領(lǐng)域內(nèi)容，受到了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，具有顯著的研究?jī)r(jià)值。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)即Wireless Sensor Networks（WSNs），標(biāo)志著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展至一個(gè)新的階段，為人們提供了更有效、更具備價(jià)值的信息。路由協(xié)議也是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重點(diǎn)內(nèi)容，不同應(yīng)用中的路由協(xié)議也會(huì)產(chǎn)生顯著差異，需要結(jié)合具體的應(yīng)用場(chǎng)合來(lái)分析具體的設(shè)計(jì)模式。

【關(guān)鍵詞】無(wú)線傳感器；網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議；節(jié)能研究與設(shè)計(jì)

一、引言

路由協(xié)議的主要階段包括尋找路徑與傳輸數(shù)據(jù)兩個(gè)階段，尤其是在選擇路徑的過(guò)程中，需要立足與整體的網(wǎng)絡(luò)耗能角度來(lái)尋找耗能更小的數(shù)據(jù)傳輸方案，設(shè)計(jì)者們也應(yīng)該考慮到采用哪種方式能夠獲取最正確的數(shù)據(jù)。此外，為了促進(jìn)節(jié)點(diǎn)能量的高效利用，也需要考慮到節(jié)能研究與設(shè)計(jì)方案的合理性。

二、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特征

（一）動(dòng)態(tài)化網(wǎng)絡(luò)

由于受到外部環(huán)境的影響，傳感器的節(jié)點(diǎn)很有可能出現(xiàn)故障或直接失效，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，環(huán)境因素也有可能導(dǎo)致無(wú)線通信鏈路終端，進(jìn)一步影響到數(shù)據(jù)的傳輸。所以，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該在較短的時(shí)間內(nèi)適應(yīng)變化，具備動(dòng)態(tài)化網(wǎng)絡(luò)的特征，其系統(tǒng)具有可重構(gòu)性。

（二）資源與數(shù)據(jù)

傳感器的節(jié)點(diǎn)一般較小，適應(yīng)大規(guī)模直接部署，但是其通信能力與存儲(chǔ)能力有限，一旦能量好近，會(huì)直接影響到其監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集工作的有效性，所以節(jié)能設(shè)計(jì)研究工作的必要性非常顯著。如果用戶(hù)需要獲取相應(yīng)的信息，可以直接通過(guò)網(wǎng)絡(luò)獲取，而不是通過(guò)對(duì)某個(gè)節(jié)點(diǎn)的指定。換言之，在路由協(xié)議的設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須考慮到對(duì)不同節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性要求。

（三）組織性

在一般情況下，傳感器節(jié)點(diǎn)能夠自行組織形成配置管理模式，然后借助拓?fù)淇刂品桨笜?gòu)建完整的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。實(shí)際上，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于路由協(xié)議存在的差異，在不同的場(chǎng)景下會(huì)有不同的應(yīng)用模式，在信息獲取與組織性研究的過(guò)程中也需要結(jié)合應(yīng)用類(lèi)型的差異來(lái)針對(duì)性地展開(kāi)。

三、路由協(xié)議設(shè)計(jì)體系

（一）網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建

從傳統(tǒng)的路徑傳輸來(lái)看，無(wú)論是單路徑傳輸還是多路徑傳輸，普遍效率較低，節(jié)點(diǎn)能耗較高。所以，為了減少節(jié)點(diǎn)能量的消耗，在數(shù)據(jù)傳輸階段就應(yīng)該通過(guò)協(xié)同通信和網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)方案來(lái)調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸可能存在的不穩(wěn)定性。我們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建的過(guò)程中，應(yīng)該了解到傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)分布特征，且中繼節(jié)點(diǎn)具備顯著的通信能力與數(shù)據(jù)編碼能力。

在初始時(shí)間段，每個(gè)傳感器的節(jié)點(diǎn)能量相同，簇頭節(jié)點(diǎn)在負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)還參與到了路徑構(gòu)建的過(guò)程當(dāng)中，經(jīng)過(guò)數(shù)輪數(shù)據(jù)傳輸之后被重新選擇。節(jié)點(diǎn)此時(shí)也能根據(jù)能量消耗情況來(lái)判定是否需要參與到選擇簇頭節(jié)點(diǎn)的工作當(dāng)中。

（二）數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程

傳統(tǒng)路由中，中繼節(jié)點(diǎn)會(huì)向下游節(jié)點(diǎn)發(fā)送接收到的數(shù)據(jù)，在地理路由協(xié)議當(dāng)中，中繼節(jié)點(diǎn)也會(huì)對(duì)受到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行編碼后再發(fā)送至下一簇。Source會(huì)對(duì)已經(jīng)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分，然后編碼生成若干個(gè)數(shù)據(jù)包，連續(xù)向下一簇節(jié)點(diǎn)發(fā)送。當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)接收所有數(shù)據(jù)之后，數(shù)據(jù)包攜帶的編碼向量也可以開(kāi)始進(jìn)行解碼工作。針對(duì)于傳統(tǒng)路由數(shù)據(jù)傳輸效率過(guò)低的問(wèn)題，也可以通過(guò)基于網(wǎng)絡(luò)編碼的地理路由協(xié)議來(lái)分析數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)化模式。在前期的路徑構(gòu)建階段，也會(huì)綜合考慮到節(jié)點(diǎn)數(shù)量的差異，以此為基礎(chǔ)來(lái)均衡簇間節(jié)點(diǎn)的消耗。

四、地理信息結(jié)合下的機(jī)會(huì)路由

大型無(wú)線傳感器的網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，遠(yuǎn)距離節(jié)點(diǎn)需要多次轉(zhuǎn)發(fā)信息才能將數(shù)據(jù)輸送至需要的節(jié)點(diǎn)。但由于無(wú)線鏈路的穩(wěn)定性問(wèn)題，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃詴?huì)大幅降低，尤其是某些近距離節(jié)點(diǎn)會(huì)承載著非常承重的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，能量消耗速率驚人。所以，如果能將路由與地理信息結(jié)合，就能從節(jié)點(diǎn)集的選擇方面入手，更好地做好系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作。

（一）能耗模型分析

通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建，可以在區(qū)域中心設(shè)置好匯聚節(jié)點(diǎn)，其余節(jié)點(diǎn)則隨機(jī)分布在網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，按照網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)位置關(guān)系，可以設(shè)定網(wǎng)絡(luò)中不存在兩個(gè)地理位置坐標(biāo)相同的節(jié)點(diǎn)，且其余節(jié)點(diǎn)具有相同的信息通信能力。而無(wú)線通信模塊正是主要的能量消耗模塊，考慮到數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中可能出現(xiàn)的能源損耗情況，可以使用能好模型來(lái)對(duì)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述，構(gòu)建自由空間模型。

（二）節(jié)點(diǎn)集策略

機(jī)會(huì)路由當(dāng)中，集中節(jié)點(diǎn)的數(shù)量是影響到數(shù)據(jù)傳輸結(jié)果的首要因素，也影響到數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量與可靠性。傳統(tǒng)地理位置機(jī)會(huì)路由可以選擇距離目的節(jié)點(diǎn)更近的節(jié)點(diǎn)來(lái)構(gòu)建候選集，然而相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)難度會(huì)有顯著提升，尤其是在通信消耗方面。所以在節(jié)點(diǎn)集策略方面，應(yīng)該先控制好傳輸方向，將數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)作為起點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)作為終點(diǎn)，兩者間的過(guò)程即為數(shù)據(jù)傳輸方向。另外，以傳輸方向?yàn)殚_(kāi)始區(qū)域，通過(guò)順時(shí)針與逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)模式來(lái)確定候選節(jié)點(diǎn)集的扇形覆蓋區(qū)域。離Sink越近的節(jié)點(diǎn)，其數(shù)據(jù)接收與傳輸?shù)膲毫Ω?，考慮到節(jié)點(diǎn)負(fù)載與數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性的問(wèn)題，就需要考慮到不同位置的節(jié)點(diǎn)與旋轉(zhuǎn)角度問(wèn)題，即

其中，d（Source，Sink）表示的是Source與Sink之間的歐氏距離，D為節(jié)點(diǎn)的傳輸半徑值，γ為常量角度，通過(guò)對(duì)常量角度的調(diào)整可以滿足不同應(yīng)用對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸?shù)南嚓P(guān)要求。我們通過(guò)公式可以得知，在同一節(jié)點(diǎn)內(nèi)的候選集選擇區(qū)域大致相同，節(jié)點(diǎn)所屬區(qū)域與匯聚節(jié)點(diǎn)之間越近，則可選擇的候選節(jié)點(diǎn)集區(qū)域越小。作為候選集基本單元，其數(shù)值與候選集之間的聯(lián)系緊密，需要結(jié)合具體的應(yīng)用要求來(lái)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，控制?jié)點(diǎn)消耗。機(jī)會(huì)路由數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃詷I(yè)余節(jié)點(diǎn)數(shù)量與鏈路質(zhì)量有著緊密聯(lián)系。

（三）節(jié)點(diǎn)排序

節(jié)點(diǎn)排序的過(guò)程當(dāng)中需要考慮到無(wú)線信道的穩(wěn)定性問(wèn)題與節(jié)點(diǎn)間的鏈路質(zhì)量。通過(guò)節(jié)點(diǎn)能耗的公式可以了解到，距離匯聚節(jié)點(diǎn)越遠(yuǎn)，節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)需要消耗的能量就越多，即便是靜態(tài)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，固定的節(jié)點(diǎn)位置也會(huì)隨著網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行出現(xiàn)能量變化。所以，需要對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合理排序，考慮到所有的影響因素，防止某個(gè)節(jié)點(diǎn)被頻繁地認(rèn)為是轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，出現(xiàn)不合理的能量消耗情況。通常情況下，鏈路質(zhì)量較好，能量消耗較小的候選節(jié)點(diǎn)可以被認(rèn)為是數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)，對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸成功率的提升具有顯著的作用，能量利用率也會(huì)得到保障。

（四）協(xié)議性能分析

協(xié)議性能分析可以從不同的指標(biāo)方面展開(kāi)研究分析，即平均剩余能量、能量標(biāo)準(zhǔn)差、網(wǎng)絡(luò)生存周期。前者是用于對(duì)路由協(xié)議與節(jié)點(diǎn)能耗分析的判斷，后者則是計(jì)算能量耗盡之后網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始運(yùn)行的輪數(shù)。隨著輪數(shù)的提升，在機(jī)會(huì)路由協(xié)議當(dāng)中，也會(huì)從傳輸方向來(lái)對(duì)候選節(jié)點(diǎn)的范圍進(jìn)行規(guī)劃和選擇，減少通信產(chǎn)生的消耗，節(jié)點(diǎn)接受數(shù)據(jù)包的范圍也會(huì)因?yàn)榧s束增加而減少其接收的節(jié)點(diǎn)數(shù)量。在協(xié)議當(dāng)中，如果節(jié)點(diǎn)接收通信范圍內(nèi)的所有數(shù)據(jù)，也會(huì)增加其整體的能耗?？傮w而言，無(wú)論是通過(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)的距離還是優(yōu)先排序結(jié)果，都需要立足于數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的能量消耗，防止節(jié)點(diǎn)被過(guò)度使用，維持更長(zhǎng)時(shí)間的網(wǎng)絡(luò)活躍狀態(tài)。

針對(duì)于遠(yuǎn)距離節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)目煽啃詥?wèn)題，通過(guò)路由與地理信息的結(jié)合，可以充分提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β?，從而?duì)節(jié)點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行合理約束，結(jié)果表明，該方案可以很好地控制網(wǎng)絡(luò)能耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)存活時(shí)間。

五、結(jié)語(yǔ)

對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的影響因素來(lái)說(shuō)，鏈路穩(wěn)定性與節(jié)點(diǎn)能量問(wèn)題是其中的重點(diǎn)，節(jié)能設(shè)計(jì)方案也成為了路由協(xié)議設(shè)計(jì)時(shí)需要遵循的具體原則。本文提出了基于網(wǎng)絡(luò)編碼的地理路由協(xié)議與機(jī)會(huì)路由協(xié)議，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)模型的特點(diǎn)，在保障網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)成功傳輸?shù)耐瑫r(shí)降低了網(wǎng)絡(luò)能耗。在未來(lái)的研究工作當(dāng)中，還有某些細(xì)節(jié)地方需要改進(jìn)，進(jìn)一步提升研究?jī)r(jià)值。例如還應(yīng)該綜合考慮到路由度量、節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性等其它方面的影響因素，通過(guò)均衡能耗的角度來(lái)設(shè)計(jì)路由協(xié)議，更好地保障網(wǎng)絡(luò)周期。

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作者簡(jiǎn)介：程玲（1981—），女，漢族，江西九江人，本科，江西警察學(xué)院，講師，研究方向：安全防范技術(shù)研究。