無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)比與分析

劉海 　劉家磊　董瑩

摘要：在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于傳感器節(jié)點(diǎn)本身能量、存儲(chǔ)和通信距離的受限，因此如何有效的構(gòu)建一個(gè)高效、節(jié)能和健壯的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為目前物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的一個(gè)研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)。該文對(duì)比和分析了目前在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域最主流的兩種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模型：確定性無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型和概率性無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型，這兩種網(wǎng)絡(luò)模型都是根據(jù)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的實(shí)際工作過(guò)程總結(jié)出來(lái)的，因此在科學(xué)研究和實(shí)際應(yīng)用中都具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 確定性無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型; 概率性無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型; 通信距離; 遞交概率; 能耗

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393.17? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）01-0056-02

Abstract：In wireless sensor networks， due to the limited energy， storage and communication distance of sensor nodes， how to effectively construct an efficient， energy-saving and robust wireless data transmission network has become a research focus and hotspot in the field of Internet of Things. This paper compares and analyzes the two most mainstream wireless network models in the field of wireless sensor networks： deterministic wireless sensor network model and probabilistic wireless sensor network model. These two network models are based on the actual working process of wireless sensor nodes. Therefore， it has very important application value in scientific research and practical application.

Key words： deterministic wireless sensor network model; probabilistic wireless sensor network model; communication distance; delivery probability; energy consumption

1 引言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSNs）就是在某個(gè)感知區(qū)域環(huán)境內(nèi)，由大量低功耗的、極為廉價(jià)的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)以無(wú)線通信的方式組織而成的一個(gè)無(wú)線多跳自組織網(wǎng)絡(luò)[1]。傳感器節(jié)點(diǎn)具有采集、處理、控制和通信等功能[2]。受場(chǎng)地，成本等因素的限制，在實(shí)際的科研工作中，經(jīng)常采用模擬仿真的方式展開(kāi)實(shí)驗(yàn)，因此，選取一個(gè)準(zhǔn)確可靠的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道模型是非常重要的。目前，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中主要的無(wú)線信道模型有兩種：確定性無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型和概率性無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型。

2 確定性無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，為便于偵查環(huán)境和布置傳感器節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)本身往往尺寸較小，這就限制了傳感器節(jié)點(diǎn)的通信天線設(shè)計(jì)尺寸，進(jìn)而限制了傳感器節(jié)點(diǎn)的通信距離。另一方面，傳感器節(jié)點(diǎn)一般是采用電池供電，能量有限并且不易補(bǔ)充，因此在無(wú)線信號(hào)編碼和發(fā)射方面，往往采用較為節(jié)能的方式，這也就進(jìn)一步限制了傳感器節(jié)點(diǎn)的通信距離。在實(shí)際的科研工作中，往往是具體化不同種類(lèi)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的通信距離d。即兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)之間的通信距離dcom大于d，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)不再發(fā)生通信，沒(méi)有任何數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸;兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)之間的通信距離dcom小于d，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)在彼此的通信范圍內(nèi)，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。在確定性無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型中，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)或者處于連接狀態(tài)，或者處于斷開(kāi)狀態(tài)[3]。以圖論為基礎(chǔ)，確定性無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型用以原點(diǎn)為中心、半徑為1的圓盤(pán)來(lái)表示節(jié)點(diǎn)的通信范圍[4]。對(duì)應(yīng)的，一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以與圓盤(pán)單位內(nèi)的所有臨近節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相互通信，而與圓盤(pán)外的節(jié)點(diǎn)斷開(kāi)。

3 概率性無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型

盡管確定性無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型應(yīng)用比較廣，然而其忽略了現(xiàn)實(shí)環(huán)境（ 例如建筑物，植物） 以及發(fā)散的信號(hào)強(qiáng)度對(duì)無(wú)線通信的影響[5]。事實(shí)上，節(jié)點(diǎn)間的無(wú)線通信受多方面因素的影響，例如信號(hào)的編碼方式、發(fā)散的信號(hào)強(qiáng)度、網(wǎng)絡(luò)覆蓋、信噪比、溫度和傳輸距離。通過(guò)現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)在無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的實(shí)際工作環(huán)境中，是沒(méi)有絕對(duì)100%通信成功率的，盡管兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離非常近，即dcom遠(yuǎn)小于d，其也有一個(gè)通信的失敗概率，盡管兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信距離dcom大于d，其也是有一個(gè)通信的成功概率。因此，更現(xiàn)實(shí)的網(wǎng)絡(luò)模型應(yīng)該是概率性網(wǎng)絡(luò)模型，在這種網(wǎng)絡(luò)模型下，每一對(duì)節(jié)點(diǎn)間均存在著一個(gè)遞交概率（γij） [6]。目前在國(guó)內(nèi)外，已經(jīng)有一些論文對(duì)這些因素如何影響節(jié)點(diǎn)間的遞交概率進(jìn)行了詳盡的分析和實(shí)驗(yàn)論證，并且形成了相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)模型，目前應(yīng)用比較廣的模型把網(wǎng)絡(luò)的通信范圍劃分為了三個(gè)主要的區(qū)域，分別是連接區(qū)域、隔離區(qū)域和過(guò)渡區(qū)域。

在連接區(qū)域內(nèi)，節(jié)點(diǎn)間的遞交概率γij很大，幾乎接近于1，其實(shí)也就相當(dāng)于確定性無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型中的連接區(qū)域;在過(guò)渡區(qū)域內(nèi)，節(jié)點(diǎn)間有一個(gè)遞交概率γij，節(jié)點(diǎn)通信有一個(gè)成功的概率閾值，一般是介于0.1到0.9之間，在其他因素恒定的條件下，隨著通信距離的增加，遞交概率越來(lái)越低;在隔離區(qū)域內(nèi)，節(jié)點(diǎn)間的遞交概率幾乎接近于0，其實(shí)也就相當(dāng)于確定性無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型中的斷開(kāi)區(qū)域，為保證節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸，一般情況下不使用隔離區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

4 兩種模型的對(duì)比與分析

綜上所述，我們對(duì)兩種模型有了一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)，下面我們做一個(gè)對(duì)比。從通信距離上來(lái)說(shuō)，概率性網(wǎng)絡(luò)模型新增加了一個(gè)過(guò)渡區(qū)域，因此其通訊距離更加遠(yuǎn);確定性網(wǎng)絡(luò)模型只有一個(gè)連接區(qū)域，其通信距離相對(duì)偏短。從通信的可靠性來(lái)說(shuō)，確定性網(wǎng)絡(luò)模型可靠性更高，保證了通信概率，也就減少了丟包率;概率性網(wǎng)絡(luò)模型可靠性要低，因過(guò)渡區(qū)域的存在，兩節(jié)點(diǎn)間在傳輸數(shù)據(jù)的過(guò)程中，總有丟包的可能。兩種模型從微觀單個(gè)節(jié)點(diǎn)的角度考慮，確定性網(wǎng)絡(luò)模型要比概率性模型更具有優(yōu)勢(shì)。但是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)有很多無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)，我們要綜合考慮整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。確定性網(wǎng)絡(luò)模型雖然傳輸概率比較高，但是節(jié)點(diǎn)間傳輸距離比較短，因此數(shù)據(jù)從源節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)需要的跳數(shù)比較多，數(shù)據(jù)在每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要排隊(duì)和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，由此帶來(lái)的能耗和延遲也是比較大的?？v觀概率性網(wǎng)絡(luò)模型，節(jié)點(diǎn)間傳輸距離比較長(zhǎng)，因此其減少了數(shù)據(jù)從源節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)需要的跳數(shù)，進(jìn)而減少了數(shù)據(jù)在節(jié)點(diǎn)中的排隊(duì)和處理時(shí)延，由此帶來(lái)的能耗和延遲相比較確定性網(wǎng)絡(luò)模型是比較小的，但是由于節(jié)點(diǎn)間遞交概率的存在，數(shù)據(jù)在節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行傳輸?shù)臅r(shí)候，有存在丟包的情況，丟包所造成的數(shù)據(jù)重傳也是需要消耗很大一部分能量和增加數(shù)據(jù)傳輸延遲的，綜合來(lái)說(shuō)，也不見(jiàn)得概率性網(wǎng)絡(luò)模型的能量消耗和傳輸延遲要比確定性網(wǎng)絡(luò)模型好，只能說(shuō)兩者各有優(yōu)劣，隨著應(yīng)用場(chǎng)合的不同，其性能表現(xiàn)各不相同。例如在部署條件良好的環(huán)境中，為追求數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?，我們可以把傳感器?jié)點(diǎn)部署的密集一點(diǎn)，這樣就能減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G包率，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?。而在外界條件相對(duì)嚴(yán)苛的環(huán)境中，由于環(huán)境等因素的限制，無(wú)法部署大量的傳感器節(jié)點(diǎn)，則就必須采用概率性網(wǎng)絡(luò)模型。

5 結(jié)語(yǔ)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)組成的，傳感器節(jié)點(diǎn)大多采用電池供電，能量非常有限并且不易補(bǔ)充。傳感器節(jié)點(diǎn)的能量匱乏極大地限制了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間和性能[7][8]。因此如何有效的延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存周期就變成了目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中研究的一個(gè)重點(diǎn)和熱點(diǎn)。在研究模型的選擇中，目前較為流行的模型包括確定性無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型和概率性無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型。確定性無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型保證了無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)間的成功通信，但是其縮短了節(jié)點(diǎn)的通信距離，進(jìn)而增加了數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶鴶?shù)，增加了能耗。概率性無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型增加了節(jié)點(diǎn)的通信距離，減小了通信的跳數(shù)，然后其由于存在遞交概率的緣故，導(dǎo)致了部分?jǐn)?shù)據(jù)的重傳，進(jìn)而增加了能耗。在實(shí)際的研究中，兩種模型都有其應(yīng)用價(jià)值，并且關(guān)于如何在兩種模型中構(gòu)建一個(gè)穩(wěn)健、高效和節(jié)能的算法已經(jīng)有了很多的成果。

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