面向物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能策略研究

杜雨晅

【摘要】? ? 本文提出了一種面向物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，利用異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了節(jié)點(diǎn)在收斂層上的最優(yōu)部署策略。目標(biāo)是最大限度地延長子網(wǎng)絡(luò)的生命周期，同時(shí)最小化部署成本。仿真結(jié)果表明，所提出的部署算法能夠達(dá)到最優(yōu)的收斂節(jié)點(diǎn)數(shù)。所提出的部署策略能夠在網(wǎng)絡(luò)生命周期和部署成本之間實(shí)現(xiàn)均衡的權(quán)衡。

【關(guān)鍵詞】? ? 物聯(lián)網(wǎng)? ? 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)? ? 組網(wǎng)架構(gòu)? ? 壽命? ? 成本

引言：物聯(lián)網(wǎng)仍處于初步研究階段。與目前的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相比，物聯(lián)網(wǎng)沒有任何世界范圍內(nèi)可接受的體系結(jié)構(gòu)，其概念、范圍和標(biāo)準(zhǔn)也不明確。目前還沒有一種能夠方便地支持大型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)或異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的完美結(jié)構(gòu)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，在彌合物理世界和信息世界之間的鴻溝方面發(fā)揮著非常重要的作用。傳感器從環(huán)境中收集數(shù)據(jù)，并生成信息，從而提高人們對(duì)環(huán)境的認(rèn)識(shí)。

一、層次結(jié)構(gòu)

本文提出了一種面向物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，通過異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的互連，該體系結(jié)構(gòu)可以方便地支持典型的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，如數(shù)據(jù)融合、共享、搜索等。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)應(yīng)從可靠性、可擴(kuò)展性、模塊化、互操作性、QoS能力等方面進(jìn)行有效設(shè)計(jì)。為了達(dá)到這一目標(biāo)，我們提出了一種分布式的層次結(jié)構(gòu)，包括傳感器子網(wǎng)、收斂層和應(yīng)用程序訪問層。收斂層由多個(gè)傳感器子網(wǎng)可以訪問的多個(gè)收斂節(jié)點(diǎn)組成。因此，收斂節(jié)點(diǎn)應(yīng)該具有多個(gè)物理信道接口[1]。融合層可以提供處理海量數(shù)據(jù)處理和信息共享服務(wù)的平臺(tái)。收斂級(jí)的主要任務(wù)是對(duì)傳感器子網(wǎng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行聚合，并進(jìn)行統(tǒng)一處理，對(duì)傳感器信息融合、查詢和協(xié)作提供了數(shù)據(jù)預(yù)處理。為了提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性，可以同時(shí)訪問多個(gè)傳感器子網(wǎng)的一個(gè)收斂節(jié)點(diǎn)，并且有可能在同一子網(wǎng)中存在多個(gè)收斂節(jié)點(diǎn)。由于收斂節(jié)點(diǎn)通常比無線傳感器節(jié)點(diǎn)具有更高的計(jì)算能力和功率能力，應(yīng)用程序訪問級(jí)別容納傳感器子網(wǎng)的接收器節(jié)點(diǎn)。對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模應(yīng)用，該級(jí)別由多個(gè)接收節(jié)點(diǎn)和一些無線接入點(diǎn)組成。

本文所提出的體系結(jié)構(gòu)不同于usn高層框架。它涉及以下兩個(gè)方面。首先，在USN框架中，采用匯聚網(wǎng)絡(luò)層來代替USN接入網(wǎng)、USN基本網(wǎng)和USN中間件。在USN下，接入網(wǎng)是由各種接入網(wǎng)關(guān)組成的，這些網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)感知網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際類型。其中一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有相應(yīng)的接入網(wǎng)關(guān)，具有特定的接口和信道。另一方面，我們的體系結(jié)構(gòu)中的收斂節(jié)點(diǎn)取代了接入網(wǎng)關(guān)，以完成各種傳感器子網(wǎng)的訪問任務(wù)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，匯聚節(jié)點(diǎn)具有多個(gè)協(xié)議碼和通信接口。因此，可以統(tǒng)一接入方式，使不同子網(wǎng)之間的組網(wǎng)更加靈活;其次，在USN框架中，網(wǎng)絡(luò)中間件位于基本網(wǎng)絡(luò)層之上，中間件雖然滿足了異構(gòu)子網(wǎng)之間的協(xié)作需求，但由于其依賴于應(yīng)用程序，因而過于復(fù)雜，難以實(shí)際實(shí)現(xiàn)。相反，在我們的體系結(jié)構(gòu)中，匯聚節(jié)點(diǎn)的功能相當(dāng)于在網(wǎng)絡(luò)層下移動(dòng)中間件[2]。數(shù)據(jù)融合和存儲(chǔ)可以在收斂層完成。因此，通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，可以簡化接入過程，減少進(jìn)入基站網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量。在最新的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，通常情況下，應(yīng)用程序和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)之間存在一對(duì)一或一對(duì)多的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

二、部署模式

體系結(jié)構(gòu)中的收斂水平是影響物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵因素，傳感器子網(wǎng)應(yīng)該訪問收斂級(jí)別的至少一個(gè)節(jié)點(diǎn)。然而，在實(shí)際的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，傳感器子網(wǎng)一般具有較大的節(jié)點(diǎn)規(guī)模。由于電池供電，這些傳感器節(jié)點(diǎn)的壽命一直是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的一個(gè)難題。幸運(yùn)的是，在收斂水平上的節(jié)點(diǎn)通常比普通的傳感器節(jié)點(diǎn)具有更多的功率和資源。確定最優(yōu)的收斂節(jié)點(diǎn)數(shù)目對(duì)于最小化部署成本和最大化網(wǎng)絡(luò)壽命是非常重要的。為了確定最優(yōu)收斂節(jié)點(diǎn)數(shù)，提出了一種網(wǎng)絡(luò)壽命和代價(jià)的解析模型，量化了網(wǎng)絡(luò)收斂節(jié)點(diǎn)數(shù)、設(shè)備壽命和設(shè)備部署成本之間的關(guān)系。我們考慮兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌淳W(wǎng)格拓?fù)浜碗S機(jī)拓?fù)?。這兩種拓?fù)涫俏锫?lián)網(wǎng)環(huán)境下常見的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。在網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，傳感器節(jié)點(diǎn)位于網(wǎng)格的交叉點(diǎn)。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一個(gè)簡單的分析模型。在隨機(jī)拓?fù)渲?，傳感器?jié)點(diǎn)以隨機(jī)分布的方式部署。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類似于物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用場景[3]。使用該模型的節(jié)點(diǎn)可分為三種類型，即收斂節(jié)點(diǎn)、臨界節(jié)點(diǎn)和正常節(jié)點(diǎn)。收斂節(jié)點(diǎn)通常被均勻地部署以收集與能源相關(guān)的信息。從一個(gè)收斂節(jié)點(diǎn)的一跳內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)稱為臨界節(jié)點(diǎn)，它將來自其他傳感器節(jié)點(diǎn)的所有信息轉(zhuǎn)發(fā)到收斂節(jié)點(diǎn)。因此，它們對(duì)于子網(wǎng)通信場景中的網(wǎng)絡(luò)連接至關(guān)重要。與關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)不同的是，其他傳感器節(jié)點(diǎn)位于收斂節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍之外，稱為正常節(jié)點(diǎn)。

結(jié)論：本文提出了一種面向物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分層結(jié)構(gòu)，并對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化配置進(jìn)行了研究。我們建立了一個(gè)分析模型，推導(dǎo)出收斂節(jié)點(diǎn)數(shù)、網(wǎng)絡(luò)生存期和部署成本之間的關(guān)系。分析表明，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)數(shù)、分組收發(fā)能量消耗、傳感器成本與收斂節(jié)點(diǎn)成本的比值等幾個(gè)系統(tǒng)參數(shù)決定了最優(yōu)收斂節(jié)點(diǎn)的數(shù)目。雖然模型和性能結(jié)果都是基于網(wǎng)格拓?fù)浜碗S機(jī)拓?fù)?，但最?yōu)部署方法可以推廣到更復(fù)雜的物聯(lián)網(wǎng)場景中。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]郭紀(jì)良. 物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在糧情監(jiān)測中的應(yīng)用研究[J]. 電子元器件與信息技術(shù)， 2018， 8（1）10-14.

[2]劉忠群. 物聯(lián)網(wǎng)中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全性研究[J]. 電子制作， 2017（24）：23-24.

[3]王進(jìn). 物聯(lián)網(wǎng)下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式通信的研究[J]. 中國新通信， 2017， 19（11）10-12.