分布式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議分析

任廣鵬 楊志恒 申宇豪

摘 要：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，如今已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)可，各個(gè)行業(yè)開(kāi)始重視起來(lái)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于其自身具有強(qiáng)大的處理能力，計(jì)算通信能力和其他的存儲(chǔ)感知能力，使得這一技術(shù)很快在社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)中處于優(yōu)勢(shì)地位，目前已經(jīng)在很多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用了，在過(guò)去的分布式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)于分布式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中各個(gè)協(xié)議體系，進(jìn)行了進(jìn)一步的闡述和分析，并對(duì)通信協(xié)議體系結(jié)構(gòu)中的新的分布體系結(jié)構(gòu)以及當(dāng)前分布式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的最近研究成果進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹。

關(guān)鍵詞：分布式無(wú)線傳感器；網(wǎng)絡(luò)通信；協(xié)議

中圖分類(lèi)號(hào)：TN929 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著我國(guó)科技的不斷進(jìn)步，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)占據(jù)了市場(chǎng)的大部分，其憑借自身的優(yōu)勢(shì)，如數(shù)據(jù)處理能力、計(jì)算機(jī)通信能力以及存儲(chǔ)感知能力等等在軍事領(lǐng)域，環(huán)保領(lǐng)域，甚至在一些醫(yī)療機(jī)械和商務(wù)領(lǐng)域等等都應(yīng)用得相當(dāng)頻繁。

1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義

分布式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以利用自身的微型傳感器，對(duì)整個(gè)監(jiān)測(cè)的區(qū)域進(jìn)行智能化的管理，在工作的過(guò)程中，分布式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用多節(jié)點(diǎn)分布方式，這樣可以大大地節(jié)省傳輸過(guò)程的時(shí)間消耗，而且也能夠提高傳輸?shù)男?，在傳輸過(guò)程中采用多條對(duì)等的傳輸形式，并利用自身的分簇式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以獨(dú)立地在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行工作，同時(shí)也可以將分布式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)連接到互聯(lián)網(wǎng)當(dāng)中，進(jìn)而可以借助互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來(lái)對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，分布式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和其他的無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)相比較來(lái)說(shuō)有很大的優(yōu)勢(shì)，首先是多點(diǎn)式分布的方式，其節(jié)點(diǎn)的規(guī)模相當(dāng)廣，在空間中分布的密度也極高，這樣既能保證對(duì)物理現(xiàn)象進(jìn)行非常有效地監(jiān)測(cè)，而且它的節(jié)點(diǎn)數(shù)量相對(duì)于其他網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量來(lái)說(shuō)也是最多的，而且分布式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、分布節(jié)點(diǎn)之間的計(jì)算能力、能量消耗以及存儲(chǔ)能力等等，都會(huì)受到最基礎(chǔ)的控制，這樣就保證了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)于數(shù)據(jù)的傳輸效率和質(zhì)量，但是由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)分布過(guò)多，所以非常容易受到損壞，節(jié)點(diǎn)之間采用的并不是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的這種通信方式，在傳輸精確性上仍然存在著很多的問(wèn)題，沒(méi)有一個(gè)準(zhǔn)確的規(guī)定，導(dǎo)致拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)十分不穩(wěn)定，頻繁地發(fā)生一些不可控的變化，這些都是我們?cè)谖磥?lái)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議發(fā)展過(guò)程中面臨的挑戰(zhàn)和亟待解決的問(wèn)題。

2 通信協(xié)議及其研究成果分析

2.1 物理層通信協(xié)議分析

在無(wú)線傳感器的網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，采用物理層協(xié)議，主要涉及的是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸介質(zhì)頻段的選擇以及如何調(diào)試，在傳輸介質(zhì)的選擇過(guò)程當(dāng)中，目前主要使用的是無(wú)線電紅外線和光波這3種形式，相比較來(lái)說(shuō)采用無(wú)線電傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)是比紅外線和光波傳輸?shù)男矢?，因此無(wú)線電傳輸也是目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層協(xié)議中最主要的傳輸方式，紅外線傳輸和光波傳輸多，應(yīng)用在一些比較特殊的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，其傳輸過(guò)程并不需要一些復(fù)雜的解調(diào)制過(guò)程，而對(duì)接收器的要求也沒(méi)有無(wú)線電那樣高，數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中對(duì)于一些能量的損耗也較小，目前光通信主要是在一些激光三極管通信中被應(yīng)用。

2.2 LEACH通信協(xié)議分析

LEACH協(xié)議在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信過(guò)程當(dāng)中，多采用一種簇頭選舉的策略來(lái)進(jìn)行傳輸，這一階段大多數(shù)可以分成以下幾個(gè)過(guò)程，包括簇頭選舉的成型穩(wěn)定狀態(tài)以及數(shù)據(jù)融合，在選舉的階段中，由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對(duì)于能力的消耗不足，所以必須要考慮到節(jié)點(diǎn)對(duì)當(dāng)前能量的消耗損失以及剩余能量的存儲(chǔ)量等等。EEWS通過(guò)改進(jìn)對(duì)簇頭選舉階段過(guò)程中閾值的設(shè)定和計(jì)算，可以對(duì)節(jié)點(diǎn)剩余的能量進(jìn)行相應(yīng)的排序，這樣就可以使剩余能量較高的節(jié)點(diǎn)作為簇頭，解決了簇頭選舉階段選出的簇頭能量供應(yīng)不足進(jìn)而對(duì)整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)造成重大威脅的嚴(yán)重問(wèn)題，成型階段與簇頭選舉階段恰恰相反，這一階段要選擇分布節(jié)點(diǎn)中能量消耗最小的簇節(jié)點(diǎn)。

LEACH協(xié)議中對(duì)于簇頭的射頻一般不會(huì)考慮其分布的節(jié)點(diǎn)中能量損耗這一部分，他會(huì)依據(jù)就近的原則選擇與自己最近的簇頭進(jìn)行廣播射頻，但是在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，眾多的分布節(jié)點(diǎn)中，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可能被選作為簇頭，這就造成了較遠(yuǎn)的距離的簇頭，與基站進(jìn)行信號(hào)傳輸過(guò)程會(huì)造成較多的能量消耗，導(dǎo)致后面的工作進(jìn)行困難，這樣會(huì)引起整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)癱瘓，針對(duì)這一問(wèn)題，就需要有所改進(jìn)，比如在簇頭與基站通信過(guò)程當(dāng)中，通過(guò)改變權(quán)值來(lái)保證簇頭與基站之間的距離最短，這樣就能夠保障能量在消耗的情況下，維持最低的量，在LEACH協(xié)議的通信過(guò)程當(dāng)中，對(duì)于出現(xiàn)的這些缺陷也可以通過(guò)對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期進(jìn)行簡(jiǎn)單的估算來(lái)使其達(dá)到更加優(yōu)化的目的，在估計(jì)的過(guò)程當(dāng)中，最需要參考的依據(jù)就是節(jié)點(diǎn)平均能量的消耗情況，通過(guò)這種方式對(duì)于在LEACH協(xié)議通信過(guò)程中簇頭的選擇成型以及保持無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定的頭部結(jié)構(gòu)，都發(fā)揮著巨大的作用，這種作用是無(wú)法被替代的，在優(yōu)化的模型中，也可以采用對(duì)分布節(jié)點(diǎn)壽命進(jìn)行估計(jì)的形式來(lái)使網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)一步地優(yōu)化，也可以通過(guò)研究節(jié)點(diǎn)在空閑狀態(tài)以及工作狀態(tài)下的能量消耗情況，來(lái)使節(jié)點(diǎn)的生命周期有所顯現(xiàn)，能夠準(zhǔn)確地估計(jì)，從而對(duì)LEACH協(xié)議進(jìn)行優(yōu)化和改善，進(jìn)而發(fā)揮它更大的作用。

2.3 數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議

在平面結(jié)構(gòu)中，所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都處在平等的地位，不存在任何的等級(jí)和層次，這也被稱(chēng)為對(duì)等式結(jié)構(gòu)。在數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的拓?fù)渖蛇^(guò)程當(dāng)中，需要探討的問(wèn)題主要有設(shè)計(jì)平面結(jié)構(gòu)層次的新型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，減少拓?fù)渖蛇^(guò)程中使用的一些控制報(bào)文的現(xiàn)象，進(jìn)而可以降低網(wǎng)絡(luò)通信的開(kāi)銷(xiāo)，結(jié)合整個(gè)拓?fù)渖傻倪^(guò)程和信道分配的過(guò)程，可以大大降低網(wǎng)絡(luò)最初始的功能消耗問(wèn)題。

2.4 傳輸層協(xié)議

目前我國(guó)對(duì)于傳輸控制的研究，通常都會(huì)錯(cuò)誤分析恢復(fù)機(jī)制。由中間節(jié)點(diǎn)參與數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程，出現(xiàn)檢測(cè)和恢復(fù)的錯(cuò)誤，使數(shù)據(jù)在每一條傳輸?shù)倪^(guò)程當(dāng)中都進(jìn)行錯(cuò)誤地檢查，這樣避免了在以后的工作當(dāng)中錯(cuò)誤的積累程度加深，也保證了丟失的報(bào)文能夠有更多的時(shí)間去重新發(fā)送，這種方法可以有效地平衡中間節(jié)點(diǎn)的報(bào)文緩存的數(shù)量，能夠使錯(cuò)誤率大大降低。

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)以上的分析論述，目前分布式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在社會(huì)多個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用，但是由于目前網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議有一些限制，再加上他本身技術(shù)也存在著一些不完善的現(xiàn)象，在傳感器節(jié)點(diǎn)分布無(wú)人值守，這些方面還需要繼續(xù)探究，繼續(xù)進(jìn)步，對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用現(xiàn)在仍然處于最初的階段，隨著我國(guó)相關(guān)科技的發(fā)展進(jìn)步，網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的技術(shù)也要不斷革新，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)必將會(huì)在未來(lái)人類(lèi)社會(huì)的生產(chǎn)和生活中發(fā)揮不可替代的作用。

參考文獻(xiàn)

[1]于海斌，普鵬，王忠鋒，等.分布式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議研究[J].通信學(xué)報(bào)，2016（10）：103-110.

[3]張罪，喬曉軍，劉思，等.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2017（4）：57-63.

[3]陳曄，滕永達(dá).傳感器無(wú)線網(wǎng)絡(luò)化接口模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2017（8）：2051-3054.