基于拓撲感知映射算法的傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸方法

李 廬 趙曉峰

（1.安徽財經(jīng)大學 教務處，安徽 蚌埠 233030；2.安徽財經(jīng)大學 圖書與信息中心，安徽 蚌埠 233030）

無線傳感器網(wǎng)絡是一種集成監(jiān)測、控制以及無線通信的網(wǎng)絡系統(tǒng)，能夠通過末梢傳感設備獲取周圍信息，并對其進行分布式處理，隨后傳遞給用戶，而用戶從得到的傳感信息挖掘出所需要的信息，具有極強的感知性、大規(guī)?；⒆越M織性、動態(tài)化等特點，在軍事、智能交通、環(huán)境監(jiān)控、醫(yī)療衛(wèi)生等多個領域具有顯著作用。然而，傳感器網(wǎng)絡工作的環(huán)境較為惡劣，數(shù)據(jù)傳輸并不很穩(wěn)定，鏈路和節(jié)點很容易失效，導致出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟包和傳輸錯誤現(xiàn)象[1]。在此背景下，如何保證傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸成為一大難題。

面對上述問題，國內(nèi)外對其進行了很多研究，提出了基于網(wǎng)絡編碼的傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸方法、基于支持向量機的傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸方法、基于粒子群優(yōu)化的傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸方法等。這些方法存在共同缺點就是當節(jié)點分布非常密集時，整個網(wǎng)絡負載水平失衡，容易出現(xiàn)關鍵節(jié)點因能量耗盡而過早死亡，導致傳輸路徑出現(xiàn)更嚴重的抖動現(xiàn)象或直接造成通信鏈路中斷，使得數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象反而嚴重[2]。

針對上述問題，本文提出一種新的傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸方法，即基于拓撲感知映射算法的傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸方法。該方法主要分為三部分：第一部分傳感器網(wǎng)絡拓撲感知；第二部分根據(jù)得到的傳感器網(wǎng)絡拓撲結構，映射得出拓撲上每條鏈路的數(shù)據(jù)傳輸能力；第三部分根據(jù)鏈路傳輸能力，合理分配資源，實現(xiàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸[3]。為測試本文方法的有效性，進行仿真測試實驗。結果表明：與基于網(wǎng)絡編碼的傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸方法、基于支持向量機的傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸方法、基于粒子群優(yōu)化的傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸方法相比，本文基于拓撲感知映射算法的傳輸方法的數(shù)據(jù)丟包率得到有效改善，由此可知本文方法的穩(wěn)定傳輸性能更佳，傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的完整性得到進一步改善。

1 傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸方法

傳感器網(wǎng)絡集數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸三種功能為一體，由若干個傳感器節(jié)點、一個匯聚節(jié)點和一個管理節(jié)點構成，如圖1 所示。

大量傳感器節(jié)點隨機分布在待監(jiān)控范圍內(nèi)，通過無線通信將散落的傳感器節(jié)點組成一個多跳的自組織網(wǎng)絡結構，然后啟動各傳感器節(jié)點感知、獲取監(jiān)控范圍內(nèi)的信息，包括聲、光、溫度、濕度等，并進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)匯聚到一起，最后通過無線通信網(wǎng)絡，包括Internet、衛(wèi)星等，傳輸?shù)焦芾砉?jié)點，進行信息存儲和處理，供用戶進行數(shù)據(jù)挖掘和分析決策[4]。

圖1 傳感器網(wǎng)絡結構示意圖

傳感器網(wǎng)絡可以在任何環(huán)境、任何時間內(nèi)工作，并不需要太多的人力來進行管理，且具有更好的容錯能力，獲取的信息較為可靠準確。然而當節(jié)點分布非常密集，且能量負載分布不均衡時，數(shù)據(jù)傳輸路徑會出現(xiàn)抖動，導致傳輸不穩(wěn)定，造成數(shù)據(jù)丟包。為此，本文從負載均衡的角度著手，利用拓撲感知映射算法實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸。

1.1 傳感器網(wǎng)絡拓撲結構感知

傳感器網(wǎng)絡拓撲結構是指在傳感器網(wǎng)絡中各個節(jié)點相互連接的形式。一般有三種形式，即星型拓撲、網(wǎng)狀拓撲和樹狀拓撲，如圖2 所示[5]。

圖2 傳感器網(wǎng)絡拓撲結構形式

三種傳感器網(wǎng)絡拓撲結構形式特點如表1 所示。

表1 三種傳感器網(wǎng)絡拓撲結構形式特點

傳感器網(wǎng)絡拓撲結構感知是指確定待監(jiān)控范圍內(nèi)各節(jié)點位置以及鏈接部署方案的過程。由此可知傳感器網(wǎng)絡拓撲結構感知分為兩個階段任務：傳感器節(jié)點定位和拓撲構建，具體過程如下。

階段1：傳感器節(jié)點定位。

傳感器節(jié)點定位方法有很多，如通過計算錨節(jié)點距離進行定位、通過預測信號接收強度進行定位、通過估算信號傳送時間進行定位等[6]。在這里采用“通過計算錨節(jié)點距離”進行定位，原理如下：利用機器設備設置運行程序口令，自動生成錨節(jié)點位置，方法簡單高效。

階段2：傳感器網(wǎng)絡拓撲構建。

步驟 1：計算無線傳感器網(wǎng)絡能量消耗最小時需要的簇頭數(shù)量；

步驟2：尋找每個節(jié)點的鄰居節(jié)點；

步驟3：計算每個節(jié)點的覆蓋均勻度；

步驟 4：根據(jù)每個節(jié)點的剩余能量和每個節(jié)點的覆蓋均勻度計算權值，構建最小支配集MDS；

步驟5：根據(jù)MDS，構建連通支配集CDS；

步驟 6：當有新的節(jié)點加入或者所述節(jié)點退出傳感器網(wǎng)絡時，重復步驟2 到步驟6，完成拓撲結構的構建[7]。

1.2 數(shù)據(jù)傳輸能力映射

網(wǎng)絡拓撲結構獲取之后，為使后期能夠?qū)崿F(xiàn)負載均衡分配，需要知道拓撲結構上每個節(jié)點的傳輸能力，即在整個傳感器網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域內(nèi)進行數(shù)據(jù)傳輸能力感知——拓撲距離映射，包括節(jié)點鏈路傳輸能力計算和區(qū)域拓撲映射等兩個步驟[8]。

1.2.1 節(jié)點鏈路傳輸能力計算

傳感器網(wǎng)絡拓撲結構是由若干個傳感器節(jié)點相互連接構成，因此獲取節(jié)點鏈路的數(shù)據(jù)傳輸能力對于分配資源具有重要意義[9]。節(jié)點鏈路傳輸能力計算公式如下：

式(1)中，Y 表示節(jié)點鏈路傳輸能力； Pij表示節(jié)點i 通過節(jié)點鏈路j 的路徑數(shù)； Pij′表示節(jié)點i 通過節(jié)點鏈路j 的實際估算流量；γ 表示鏈路寬度。

1.2.2 區(qū)域拓撲映射

區(qū)域拓撲映射的目的是判斷鏈路的抖動出現(xiàn)可能性，其原理是通過對拓撲結構中整體鏈路進行映射處理，然后再進行標準化處理，最后根據(jù)式(2)實現(xiàn)鏈路抖動判斷。

式(2)中，S 為鏈路抖動概率；d1為實際拓撲距離；d2為估算的拓撲距離。

1.3 數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸實現(xiàn)

傳感器節(jié)點負載不均衡是影響傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定的關鍵因素，因此要想實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸，就要先解決負載不均衡的問題。在數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸研究中，分為傳感器節(jié)點負載均衡調(diào)度和穩(wěn)定傳輸兩個階段內(nèi)容[10]。

階段1：傳感器節(jié)點負載均衡調(diào)度。

在這里采用蟻群算法得到傳感器節(jié)點負載均衡調(diào)度最優(yōu)方案。蟻群算法是一種模擬螞蟻覓食過程發(fā)展而來的尋優(yōu)算法[11]。該算法應用具體過程如下：

步驟 1：信息初始化。輸入算法相關參數(shù)，并賦予傳感器每條鏈路相同的信息素；

步驟2：選擇策略。讓螞蟻隨機挑選一條路走，并同時釋放信息素；

步驟 3：信息素更新。為防止算法陷人局部最優(yōu)，在螞蟻完成一次搜索后，需要對螞蟻留在鏈路上的信息素進行更新；

步驟4：求局部最優(yōu)解；

步驟5：全局更新；

步驟6：求全局最優(yōu)解；

步驟 7：對最優(yōu)解進行反編碼，得到傳感器節(jié)點負載均衡調(diào)度方案[12]。

階段2：數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸。

在這里根據(jù)上述得到的傳感器節(jié)點負載均衡分配方案，利用一種并發(fā)編織多路徑可靠傳輸協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸。具體流程如下：

步驟1：傳感器節(jié)點采集數(shù)據(jù)；

步驟2：將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綄旱拇仡^節(jié)點（匯聚節(jié)點）；

步驟 3：在簇頭節(jié)點中對傳輸過來的感知數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合；

步驟4：為簇頭節(jié)點構建本地路由表；

步驟 5：根據(jù)構建的路由表，為簇頭節(jié)點進行數(shù)據(jù)分組；

步驟 6：根據(jù)數(shù)據(jù)分組情況，為簇頭節(jié)點進行并發(fā)多路徑傳輸；

步驟7：對傳輸過來的分組數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合；

步驟 8：比較融合后的數(shù)據(jù)包與原始數(shù)據(jù)包大小。若大小相同，說明數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸；若大小不相同，說明數(shù)據(jù)出現(xiàn)丟包，未實現(xiàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸[13]。

2 傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸方法性能仿真分析

為測試本文傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸方法性能，需要進行性能仿真實驗分析。實驗參與者有 4個，即本文方法和三種傳統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸方法（基于網(wǎng)絡編碼的傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸方法、基于支持向量機的傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸方法、基于粒子群優(yōu)化的傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸方法）。實驗過程包括傳感器網(wǎng)絡部署、測試平臺搭建、實驗參數(shù)設置、實驗結果分析四步驟[14]。

2.1 傳感器網(wǎng)絡部署

本文所使用的實驗數(shù)據(jù)均來自真實網(wǎng)絡環(huán)境，其背景為某古建筑安全風險監(jiān)測項目，傳感器節(jié)點部署在 400 m×400 m 的區(qū)域內(nèi)，具體情況如圖 3所示。

圖3 傳感器節(jié)點部署

2.2 測試平臺搭建

為測試傳輸性能，搭建測試平臺，如圖4 所示。

圖4 測試平臺

該平臺環(huán)境設置如下：處理器為Intel(R) Core(T M)7M640@2.8GHz；內(nèi)存為Kingston4GB×2；硬盤為SAMSUNG 128G SSD；操作系統(tǒng)為Windows8.1企業(yè)版；仿真平臺為MATLAB7.10[15]。

2.3 實驗參數(shù)設置

實驗參數(shù)設置由表2 給出。

表2 實驗參數(shù)設置

2.4 實驗結果分析

本文選取數(shù)據(jù)丟包率來評測方法性能。丟包率是指數(shù)據(jù)傳輸過程中所丟失數(shù)據(jù)包數(shù)量占所發(fā)送數(shù)據(jù)包的比率，丟包率越小，傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性越好，反之越差。為保證結果準確性，反復進行10 次實驗。表3 為四種傳輸方法10 次應用下得到的數(shù)據(jù)丟包率情況。

表3 數(shù)據(jù)丟包率情況 單位：%

從表3 可以看出，本文方法的平均數(shù)據(jù)丟包率為0.02436%。而基于網(wǎng)絡編碼、支持向量機、粒子群優(yōu)化的三種傳統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸方法的平均數(shù)據(jù)丟包率分別為 0.03472%，0.03617%，0.04079%。由以上結果對比可知，本文方法的數(shù)據(jù)丟包率更少，說明本文的基于拓撲感知映射算法的傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸方法穩(wěn)定性更好。

3 結 語

綜上所述，傳感器網(wǎng)絡在醫(yī)學、軍事、交通控制、環(huán)境監(jiān)控等多個領域均起到了重要作用。它通過傳感器感知相關信息，在經(jīng)過處理后，傳輸給用戶，而用戶透過這些信息可以獲取到所需信息，從而為決策提供可靠依據(jù)。然而，受到傳感器工作環(huán)境的影響，其數(shù)據(jù)傳輸時并不很穩(wěn)定，經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象。為此，在三種傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方法基礎上，提出一種基于拓撲感知映射算法的傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸方法。經(jīng)測試，本文方法丟包率更小，說明本文方法穩(wěn)定傳輸性能更好，更能保證數(shù)據(jù)包的完整性。