基于爬蟲(chóng)機(jī)制的WSN數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸算法

郝 平

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽(yáng) 712000）

隨著“中國(guó)制造2025”的不斷推進(jìn)，以第五代無(wú)線(xiàn)通信（5th Generation Wireless Communication，5G）、智能傳感（Intelligent Sensor，IS）為代表的新興技術(shù)受到日益廣泛的重視，給無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)技術(shù)注入新的增長(zhǎng)動(dòng)力，使得傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)邁入智能移動(dòng)時(shí)代［1］。由于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)能夠?qū)崟r(shí)對(duì)部署區(qū)域內(nèi)環(huán)境信息的感知，信息獲取不受地域、環(huán)境、時(shí)間限制且具有組織自由度高、部署較為便捷、容錯(cuò)性能強(qiáng)及隱蔽性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)［2］。

實(shí)踐中為實(shí)現(xiàn)對(duì)部署區(qū)域進(jìn)行不間斷監(jiān)測(cè)，WSN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署往往需要采用密集部署模式，節(jié)點(diǎn)部署完畢后將定時(shí)機(jī)制通過(guò)鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)匯聚及傳輸［3］。雖然采取這種方式可達(dá)到數(shù)據(jù)傳輸便捷化的特點(diǎn)，不過(guò)由于所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)具有冗余特點(diǎn)，會(huì)加劇節(jié)點(diǎn)能量消耗，從而導(dǎo)致WSN網(wǎng)絡(luò)生命周期出現(xiàn)下降現(xiàn)象［4］。

為提高無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)生存質(zhì)量并降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載水平，研究者提出了若干具有前瞻性的數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸算法，在一定程度上解決了部署過(guò)程中遇到的問(wèn)題［5］。如Jamuna等［6］提出了一種基于分片機(jī)制的WSN數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸算法，將待傳數(shù)據(jù)按照傳輸路由穩(wěn)定程度劃分優(yōu)先級(jí)并采取切片處理，僅針對(duì)優(yōu)先級(jí)較低的數(shù)據(jù)切片進(jìn)行重傳輸，可達(dá)到降低網(wǎng)絡(luò)冗余的目的，網(wǎng)絡(luò)生存周期較長(zhǎng)。但是，該算法部署過(guò)程中需要實(shí)時(shí)評(píng)估數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)，容易導(dǎo)致部分節(jié)點(diǎn)頻繁承擔(dān)數(shù)據(jù)重傳輸功能，節(jié)點(diǎn)能耗水平較高。Kingsly等［7］提出了一種基于簇頭備份機(jī)制的WSN數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸算法，其主要是優(yōu)先選取簇區(qū)域內(nèi)能量較優(yōu)的節(jié)點(diǎn)作為備用簇頭節(jié)點(diǎn)，用以承擔(dān)簇頭失效狀況下的數(shù)據(jù)匯聚傳輸功能，具有節(jié)點(diǎn)能耗水平較低的特點(diǎn)。然而，該算法僅針對(duì)簇內(nèi)區(qū)域進(jìn)行了傳輸優(yōu)化，在數(shù)據(jù)傳輸量較高的情況下極易發(fā)生備用簇頭節(jié)點(diǎn)失效的現(xiàn)象，使得算法的網(wǎng)絡(luò)生存周期不高。Devesh等［8］提出了一種基于聚類(lèi)機(jī)制的WSN數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸算法，針對(duì)傳輸過(guò)程中易出現(xiàn)的重傳輸現(xiàn)象予以聚類(lèi)處理，將中繼傳輸熱度較高的節(jié)點(diǎn)采取備份機(jī)制以防止節(jié)點(diǎn)受限，可適應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸量較高的部署場(chǎng)景。但是，該算法需要頻繁對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行備份，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)利用效率不高，增加節(jié)點(diǎn)能耗水平。

鑒于當(dāng)前研究中存在的不足，提出了一種基于爬蟲(chóng)機(jī)制的WSN數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸算法。

1 本文算法設(shè)計(jì)

為改善無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，提高網(wǎng)絡(luò)生存周期并有效降低節(jié)點(diǎn)能耗，本文將數(shù)據(jù)融合與路徑優(yōu)化相結(jié)合，從路徑偏轉(zhuǎn)和數(shù)據(jù)匯聚兩個(gè)維度對(duì)數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行優(yōu)化。

1.1 基于樹(shù)狀傳輸機(jī)制的數(shù)據(jù)匯聚

考慮到數(shù)據(jù)匯聚過(guò)程一般遵循“源節(jié)點(diǎn)-中繼節(jié)點(diǎn)-sink節(jié)點(diǎn)”的傳輸模型［9］，采取分簇方案將難以降低節(jié)點(diǎn)能耗［10］。因此，本文設(shè)計(jì)了基于樹(shù)狀傳輸機(jī)制的數(shù)據(jù)匯聚方法，具體步驟如下所示。

Step 1考慮到數(shù)據(jù)匯聚路徑需要綜合考慮能量和距離因素，首先對(duì)源節(jié)點(diǎn)v的下一跳節(jié)點(diǎn)進(jìn)行篩選，篩選爬蟲(chóng)pj(k，t)可通過(guò)如下模型確定：

模型（1）中，k表示數(shù)據(jù)傳輸周期，t表示傳輸時(shí)刻，ηj(t)表示下一跳節(jié)點(diǎn)的剩余能量，μj(t)表示下一跳節(jié)點(diǎn)的距離系數(shù)，m表示下一跳節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。a和b為調(diào)節(jié)系數(shù)，滿(mǎn)足如下模型：

模型（3）中，l(v，j)表示源節(jié)點(diǎn)v與下一跳節(jié)點(diǎn)k之間的距離。

Step 2由于節(jié)點(diǎn)部署完畢后一般保持不動(dòng)，因此針對(duì)下一跳節(jié)點(diǎn)的剩余能量ηj(t+Δt)，按下列方式進(jìn)行評(píng)估：

模型（4）、（5）、（6）中，Δt表示下一時(shí)刻，f表示能量衰減率，ηj(Δt)表示sink節(jié)點(diǎn)在下一時(shí)刻的能量補(bǔ)充，ηm(Δt)表示與下一跳節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)傳輸關(guān)系的節(jié)點(diǎn)所獲取的能量，G表示能量補(bǔ)充功率，l(m，j)表示節(jié)點(diǎn)m和節(jié)點(diǎn)j之間的距離。

獲取模型（4）所示的下一跳節(jié)點(diǎn)剩余能量ηj(t+Δt)后，優(yōu)先選取能量較高的節(jié)點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn)。

Step 3下一跳節(jié)點(diǎn)爬取完畢后，按照Step 1-2所示的步驟逐個(gè)獲取爬蟲(chóng)并確定中繼節(jié)點(diǎn)，直到終點(diǎn)為sink節(jié)點(diǎn)為止，至此形成樹(shù)狀傳輸結(jié)構(gòu)，如圖1所示，記為T(mén)ree(v，sink)。啟 動(dòng) 數(shù) 據(jù) 傳 輸 流 程，優(yōu) 選Tree(v，sink)中路徑最短的鏈路作為傳輸路徑，方法結(jié)束。

圖1 基于樹(shù)狀傳輸機(jī)制的數(shù)據(jù)匯聚過(guò)程Fig.1 Data aggregation process based on tree transmission mechanism

完成基于樹(shù)狀傳輸機(jī)制的數(shù)據(jù)匯聚方法后，源節(jié)點(diǎn)v將形成樹(shù)狀傳輸結(jié)構(gòu)Tree(v，sink)，該結(jié)構(gòu)中存在多個(gè)可選路徑，因而可從中按需甄選出性能較高的傳輸路徑，以便網(wǎng)絡(luò)性能得到改善。

1.2 基于角度偏轉(zhuǎn)機(jī)制的路徑優(yōu)化

由基于樹(shù)狀傳輸機(jī)制的數(shù)據(jù)匯聚方法可知，傳輸過(guò)程中所選的中繼節(jié)點(diǎn)可能不唯一，因此存在多徑傳輸現(xiàn)象。考慮到下一跳節(jié)點(diǎn)與當(dāng)前節(jié)點(diǎn)距離越長(zhǎng)則能量消耗也越大［11］，見(jiàn)模型（3）。因此，設(shè)計(jì)了基于角度偏轉(zhuǎn)機(jī)制的路徑優(yōu)化方法，具體步驟如下。

Step 1設(shè)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)為i，下一跳節(jié)點(diǎn)為j，則節(jié)點(diǎn)i在節(jié)點(diǎn)j處的偏轉(zhuǎn)角α(i，j)可按如下方式獲取：

α(i，sink)表示節(jié)點(diǎn)i與sink節(jié)點(diǎn)的夾角，α(j，sink)表示節(jié)點(diǎn)j與sink節(jié)點(diǎn)的夾角，＜＞表示三角取值，所獲取的偏轉(zhuǎn)角α(i，j)，見(jiàn)圖2。

圖2 夾角的獲取Fig.2 Acquisition of included angle

Step 2逐個(gè)獲取下一跳節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的夾角α(j，sink)后，選取夾角最小的節(jié)點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn)，見(jiàn)圖3，方法結(jié)束。

圖3 基于角度偏轉(zhuǎn)機(jī)制的路徑優(yōu)化Fig.3 Path optimization based on angledeflection mechanism

完成基于角度偏轉(zhuǎn)機(jī)制的路徑優(yōu)化方法后，網(wǎng)絡(luò)可在樹(shù)狀傳輸結(jié)構(gòu)Tree(v，sink)基礎(chǔ)上，選出具有較低角度偏轉(zhuǎn)的節(jié)點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn)，這樣可規(guī)避因路徑較為復(fù)雜而導(dǎo)致失效轉(zhuǎn)發(fā)的現(xiàn)象，避免因路徑偏轉(zhuǎn)過(guò)大而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)間拓?fù)渚嚯x增長(zhǎng)，從而提高了路徑健壯性。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

為便于對(duì)比所提算法的性能，采取NS2（Network Simulator Version 2，NS2）仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行仿真［12］。其中，傳感區(qū)域設(shè)置為矩形，大小為1024 m×512 m，節(jié)點(diǎn)為固定狀態(tài)，其余仿真參數(shù)見(jiàn)表1。為體現(xiàn)所提算法的性能，采取基于模糊群搜索優(yōu)化機(jī)制的WSN數(shù)據(jù)穩(wěn) 定 傳 輸 算 法［13］（Novel Fuzzy Based Crow Search Optimization Algorithm for Secure Node-to-Node Data Transmission in WSN，CSO算法）和基于低時(shí)延節(jié)能路由感知機(jī)制的WSN數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸算法［14］（Low Latency And Energy Efficient Routing-Aware Network Coding-Based Data Transmission In Multi-Hop And Multi-sink WSN，LL-EECB算法）。

表1 網(wǎng)絡(luò)仿真參數(shù)Tab.1 Network simulation parameters

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，在分布區(qū)域?yàn)?024 m×512 m的矩形區(qū)域內(nèi)，采用隨機(jī)分布方式進(jìn)行布點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)密度不高于10個(gè)/百平方米，通信頻率均保持一致。

隨后，網(wǎng)絡(luò)以不高于1個(gè)/min的頻率生成惡意節(jié)點(diǎn)，惡意節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸前均與正常節(jié)點(diǎn)的行為特征保持一致，節(jié)點(diǎn)加入速度可以通過(guò)sink節(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)節(jié)。節(jié)點(diǎn)采用5G制式，信號(hào)發(fā)射制式采用1024位星座調(diào)制模式，且采取512移相鍵控調(diào)制方式，信號(hào)增益使用標(biāo)準(zhǔn)OFDM方式；最低覆蓋范圍不低于24 m，節(jié)點(diǎn)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 節(jié)點(diǎn)仿真參數(shù)Tab.2 Network simulation parameters

此外，實(shí)驗(yàn)將分高斯信道和瑞利信道兩種不同的信道環(huán)境，仿真指標(biāo)為網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間、節(jié)點(diǎn)能耗兩項(xiàng)，具體仿真結(jié)果如下。

2.1 網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間

圖4為所提算法與CSO算法和LL-EECB算法在不同信道條件下的網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間測(cè)試結(jié)果，由圖4可知，本文算法具有網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間較長(zhǎng)的特點(diǎn)，體現(xiàn)了優(yōu)越的網(wǎng)絡(luò)生存質(zhì)量。這是由于所提算法采取了基于樹(shù)狀傳輸機(jī)制的數(shù)據(jù)匯聚方法，能夠?qū)⒍秳?dòng)狀態(tài)的鏈路固化為傳輸樹(shù)，并從中優(yōu)選具有穩(wěn)定傳輸質(zhì)量的鏈路用以數(shù)據(jù)傳輸，因而節(jié)點(diǎn)生存質(zhì)量較高，具有較長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。特別是所提算法采取了基于角度偏轉(zhuǎn)機(jī)制的路徑優(yōu)化方法，可縮短源節(jié)點(diǎn)與sink節(jié)點(diǎn)間鏈路長(zhǎng)度，降低了因網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)而導(dǎo)致鏈路失效的情形，因而增加了網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。CSO算法針對(duì)距離、度和傳輸能量三個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化過(guò)程考慮了最佳節(jié)點(diǎn)，按照距離較短、傳輸次數(shù)較高、傳輸能量三個(gè)條件進(jìn)行節(jié)點(diǎn)篩選，因而可在一定程度上提高網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。不過(guò)，由于該算法需要采取遍歷模型對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一一遍歷，因而節(jié)點(diǎn)能耗要顯著高于所提算法，使得該算法的網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間要短于所提算法。LL-EECB算法利用最小生成樹(shù)模型構(gòu)建元節(jié)點(diǎn)與sink節(jié)點(diǎn)間路由，并通過(guò)人工蜂群技術(shù)優(yōu)化鏈路傳輸質(zhì)量，可在一定程度上改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量。不過(guò)，由于該算法未針對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)間角度偏轉(zhuǎn)予以考慮，節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)過(guò)程中易出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)受限現(xiàn)象，因而網(wǎng)絡(luò)生存質(zhì)量不高，導(dǎo)致該算法的網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間要低于本文算法。

圖4 網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間測(cè)試結(jié)果Fig.4 Network lifetime test results

2.2 節(jié)點(diǎn)能耗

圖5為所提算法與CSO算法和LL-EECB算法在不同信道條件下的節(jié)點(diǎn)能耗測(cè)試結(jié)果，由圖5可知，所提算法具有節(jié)點(diǎn)能耗較低的特點(diǎn)，體現(xiàn)了較好的節(jié)能性能。這是由于所提算法針對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)傳輸鏈路易發(fā)生抖動(dòng)的特點(diǎn)，采取樹(shù)狀傳輸結(jié)構(gòu)將抖動(dòng)鏈路予以固化處理，并引入角度偏轉(zhuǎn)機(jī)制對(duì)多徑傳輸進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化，可顯著縮短傳輸鏈路的長(zhǎng)度，降低了節(jié)點(diǎn)及鏈路失效的概率，因而數(shù)據(jù)重傳輸強(qiáng)度較低，使得節(jié)點(diǎn)能耗水平也處于較低的水平。CSO算法主要針對(duì)距離、度和傳輸能量三個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)選距離較短等因素對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行篩選，使得距離長(zhǎng)度較短的節(jié)點(diǎn)頻繁進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)熱點(diǎn)現(xiàn)象發(fā)生，使得節(jié)點(diǎn)能耗要高于所提算法。LL-EECB算法僅從鏈路層面優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)傳輸，未針對(duì)角度因素進(jìn)行優(yōu)化，使得數(shù)據(jù)重傳輸強(qiáng)度要高于所提算法，因而在節(jié)點(diǎn)能耗指標(biāo)上亦要低于所提算法。

圖5 節(jié)點(diǎn)能耗測(cè)試結(jié)果Fig.5 Node energy consumption test results

3 結(jié) 語(yǔ)

為解決當(dāng)前無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中存在的節(jié)點(diǎn)能耗較高及網(wǎng)絡(luò)生存性能較弱等不足，提出了一種基于爬蟲(chóng)機(jī)制的WSN數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸算法。該算法主要由基于樹(shù)狀傳輸機(jī)制的數(shù)據(jù)匯聚方法和基于角度偏轉(zhuǎn)機(jī)制的路徑優(yōu)化方法兩部分構(gòu)成，可顯著改善網(wǎng)絡(luò)生存質(zhì)量，穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸性能，降低節(jié)點(diǎn)能耗，具有顯著的實(shí)際部署價(jià)值。

下一步，將針對(duì)所提算法對(duì)移動(dòng)環(huán)境適應(yīng)性不足的情況，擬引入拉普拉斯拓?fù)浞指顧C(jī)制，進(jìn)一步提高所提算法對(duì)復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力。