一種無線傳感網絡分層式鏈路構架設計與研究

鄒茜 顧大剛 黃偉

（貴陽學院 貴州省貴陽市 550005）

1 概述

由于近年來傳感器相關節點及網絡的快速發展，傳感器采集器的大小與成本已逐年減少，因此可以大量的把感測節點布置到所要采集信息的環境范圍，其放置的密度可以根據需求來設定，數量甚至可以達到數十萬都有可能。由于傳感器可以任意的設置，且都是獨立的個體，在這么高密度且分布式的環境中，如何利用有限的資源在有限的時間內有效率完成，且能管理整個數據采集非常具有挑戰價值[1]。

近年來科技的發展非常迅速，數據采集(data gathering)是無線傳感網絡中最基本的功能，所有采集裝置將采集到的數據經過處理，然后直接傳輸或多步、多層次傳輸至某一個特定的匯聚節點，等到匯聚節點收集并融合完所有的數據資料后再回傳至服務器或遠程用戶。無線傳感網絡中最主要的能量消耗就是信息傳輸，如果每個信息采集器都直接將采集資料傳輸至總節點將會產生很大的能量消耗，所以當某些傳感節點能量耗盡無法運作時，整個網絡所采集到的資料將不完整也不精確。因此，無線傳感網絡在資料收集中，必須控制傳感器能量的消耗[2][3]。

1.1 無線傳感網絡節能架構方向研究

本文團隊已對現有的無線傳感網絡節能方法及相關的節能優、缺方式進行了前期研究，并對相關的節能方法進行了總結。

第一種方法是前期很多研究學者采用了集群式(cluster-based)的架構，也就是在應用中，將使用特定的集群管理節點來管理整個無線傳感網路，其中可以通過集群管理節點的位置進行區域劃分，不同的集群可以通過不同的算法及通道，直接或多步傳輸方式進行數據的傳輸，然后將相關數據信息傳輸給集群管理節點[4]。集群管理節點同樣也可以通過相關算法，直接或間接的將指令、數據回傳到節點或遠程用戶。集群管理方式架構簡單，但是會導致能量消耗不均衡，造成整體網絡的生命周期下降。

第二種方法就是采用樹(tree-based)形架構，這種架構的特點就是將整個網絡的傳感節點采用樹形結構進行連接，并且傳輸信息時候采集數據信息并進行傳輸時候是從樹形的底部進行數據采集并依次上傳至根節點[5]。這種結構有效的降低了系統的整體能耗，能有效延長網絡的生命周期，但是由于根節點運行時間較長，能耗消耗也比一般節點快，特別是越上層的節點能耗越多，所以這種結構只在一些特定的場所使用。

圖1：已有多鏈架構設計

第三種方法就是采用鏈路(chain-based)架構，這個結構的特點就是將整個無線傳感網絡的傳感采集節點采用特定的算法鏈接成一條鏈路，這樣使得節點間的傳輸距離短，整個網絡架構的能耗消耗比較平均，不過這樣的架構會導致數據采集的時延較長，采集數據的準確度下降。本研究在此基礎上，設計一個解決網絡時延的方法，使得鏈路架構采集數據準確性增加[6]。

1.2 無線傳感網絡分層式數據采集研究

通過前期研究表明一個存在大量傳感網絡節點分布的無線傳感網絡中，需要設計一個分層式的資料收集的架構，這能極大的提高信息采集與傳輸的效率，提高網絡使用的范圍、周期。我們將無線傳感網絡的底層設計為許多條不等長的鏈架構組成，上層設計為各鏈路的管理節點組成的鏈路，各個管理節點能把所采集到的資料通過上層的鏈架構依序進行數據與資料的傳輸；設計無線傳感網絡的底層鏈路由不等長的鏈路組成，由于不等長的鏈路所以會發生無線傳感網絡在傳輸過程中的信息傳輸時間的不同，由此會有先后的進行數據傳輸，由于在傳感鏈路中存在傳感管理節點，有它對采集鏈路的數據信息進行管理，并對采集數據的傳輸時間、傳輸大小進行管理，可以有效管理無線傳感網絡的有效生命周期，所以這樣可以使得我們設計的鏈路結構的整體傳輸時間的穩定性[7]。

通過對分層的鏈路進行節點管理，然后再通過節點管理信息數據傳輸，這樣可以有效減少節點的非必要能耗，并提高節點的傳輸效率。

1.3 無線傳感網絡的傳輸能耗

在很多的無線傳感網絡環境中，封包傳輸的延遲時間與能耗是一項非常重要的考慮指標。通常為了要減少傳輸延遲時間，往往需要消耗較多的能量，所以需要進行無線傳感網絡的能量均衡研究。因此，在能量損耗與傳輸延遲時間之間取得平衡便非常重要，我們亦針對Energy×Delay 作效能比較。研究的傳輸能耗，需要我們對提出的資料收集機制，在均衡節點方面，進行一系列的效能模擬。

比如在仿真過程中進行相關定義：

（1）網路延遲(Delay)：每一個傳感網絡節點，接收和傳輸等待時間區段定義為一個網絡延遲單位時間，一個回合內需要多少網絡延遲單位時間內能把所有資料回傳至總結點，無線傳感網絡延遲時間越少，代表感測網路系統所能運作的效率越高。

（2）每回合總能量消耗(Energy consumption per round)：其代表完成一個回合的數據采集過程，每個傳感采集信息節點所消耗的能量進行相加。因此，一個有效的資料收集方法，其每回合總能量消耗會減小。

（3）Energy × Delay：其Energy 表示每回合系統的總能量消耗(如上)，和Delay(如上)。

2 分層式鏈結構設計

設計分層鏈式結構需要保留鏈架構節能的特色，并利用階層式加上多條鏈路來減少無線傳感網絡延遲，并計算各條鏈的長度，利用完成時間的不同再爭取更多的時間，并利用額外加上鏈接頭，把匯集節點保持在鏈架構的中間來固定各條鏈路的完成時間，讓各節點的排程更容易且遠程使用者更容易掌握整體無線傳感網絡的資料采集時間，下面是已有的多鏈架構設計如圖1。

2.1 鏈結構傳輸研究

鏈架構的主要特點是將網絡節點串鏈接成一條鏈路，使得網絡的傳感節點進行數據傳輸是在相鄰的節點間進行，所以這樣消耗的能量較少。數據傳輸的方向是從鏈路的一端向另一端進行傳輸，或者是兩端向內依次進行數據傳輸，最后傳輸到總節點。這樣的數據傳輸問題可以將他們總結為NP-Hard 的問題，所以現有的鏈架構建立鏈路很多采用了Heuristic 的方法。比如S.Lindsey 等人所提出的PEGASIS 數據采集機制，他們將網絡中所有的傳感節點串聯成一條鏈，形成方法是每個節點具備自己地址的信息并擁有整個網絡的資料(global knowledge)，利用greedy 的算法，由距離總結點最遠的節點開始尋找距離它得鄰節點并加入到鏈架構中，一直持續到所有的點都在鏈架構中為止[8]。李燕君，王智，等進行了無線傳感器網絡的鏈路分析與建模研究，分析了無線鏈路的各種非理想特性，包括時空特性，不規則連接單元和鏈路不對稱性等。通過解析和實驗分析相結合的方法對信道和鏈路質量進行了建模，該模型可以應用于改善仿真工具中的物理層和鏈路層模型，幫助我們更好地理解上層協議的性能[9]。李方敏，劉新華等進行了無線傳感器網絡的鏈路穩定成簇與功率控制算法研究，他們發現MAC 層和網絡層的能耗是影響系統能量有效性的關鍵，因此可以將這兩層結合起來考慮，從網絡跨層優化的角度來分析其能耗。針對現有典型成簇算法理論前提條件多，無法適應網絡動態變化，不易在實際環境中實現的不足，結合功率控制理論及算法，基于跨層優化的策略提出了一種易于實現，能動態適應網絡變化,能量有效的鏈路穩定成簇算法。

2.2 鏈結構分層架構設計

當大量的感測裝置被放入感測環境之中，我們以距離基地臺最接近的節點作為建立整個鏈架構的起始點，因為我們的方法會將鏈架構再分成多個sub chain，透過距距離總結點最近的sub chain，由sub chain 上的節點輪流把資料回傳至總結點，所以我們以距離總結點最近的節點開始整條鏈架構的建立，讓鏈架構的第一條sub chain能較靠近總結點。在此我們利用greedy 的方式建立鏈架構，由距離總結點最近的節點尋找目前不在鏈架構上且與其距離最短的節點加入鏈架構，而新加入的節點也依此方式尋找下一節點加入。

如果無線傳感網絡節點的數量很多時候，我們可使用分層的機制對傳感節點進行劃分鏈路群，然后在對不同鏈路群進行不等長的鏈路設計，使其在此基礎上進行數據傳輸。具體設計思路如下：先把整個網絡中的n 個節點分成l 個鏈路群，每一群在分成 k 段子鏈路(l 和k 皆為奇數)，其分各群的大小方式為：，例如有117 個傳感節點，可分成3 個鏈路群，每一群再分成 3 條子鏈路，傳感節點數量分別為21、39 及57。

3 總結

在鏈路建立的算法及架構是影響其效率的重要因素，所以本文在考慮鏈路建立時候對其進行分層設計，考慮其多鏈路及多層鏈路節點間的延時。由于無線傳感網絡節點需要將數據資料進行采集傳輸，能耗與分鏈數目形成正比關系，所以需要考慮其分層鏈路間的數據傳輸結構。