馬 禮, 馬海龍, 馬東超

(北方工業(yè)大學(xué),北京 100144)

基于WSNs節(jié)點(diǎn)權(quán)重的網(wǎng)關(guān)接入異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)研究*

馬 禮, 馬海龍, 馬東超

(北方工業(yè)大學(xué),北京 100144)

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)中，雖然現(xiàn)有網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)已經(jīng)將多網(wǎng)融合的傳輸方式引入進(jìn)來，但很少有綜合考慮整個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的性能，包括吞吐量、丟包率、耗電量和成本開銷等，并且少有深入探討多網(wǎng)選擇切換方法。針對(duì)此現(xiàn)狀，引入傳感器節(jié)點(diǎn)權(quán)重的概念，從不同權(quán)重的傳感器節(jié)點(diǎn)需要不同的傳輸策略出發(fā)，以數(shù)據(jù)上傳互聯(lián)網(wǎng)為目的，提出了一種網(wǎng)關(guān)接入異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的框架，并在此框架中綜合考慮吞吐量、耗電量和接入所需費(fèi)用3個(gè)方面，提出了一種多目標(biāo)優(yōu)化的模型，之后給出啟發(fā)式的近似算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在保證傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)可靠傳輸和能耗穩(wěn)定的前提下，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率，并適當(dāng)降低了網(wǎng)關(guān)接入異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的成本，為網(wǎng)關(guān)接入異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)提供了一種可靠的方案。

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò); 網(wǎng)關(guān); 吞吐量; 多目標(biāo)優(yōu)化

0 引 言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)系統(tǒng)通常由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的低成本微型傳感器節(jié)點(diǎn)和一個(gè)或幾個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)組成，節(jié)點(diǎn)間通過無線并且多跳通信方式形成一個(gè)自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。匯聚節(jié)點(diǎn)也是一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸、轉(zhuǎn)發(fā)的中心節(jié)點(diǎn)，具有相對(duì)較多的能量、內(nèi)存和計(jì)算資源，同時(shí)承擔(dān)著更多的計(jì)算、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙ぷ?，可以完成某些特定的工作，?協(xié)議棧轉(zhuǎn)換、網(wǎng)絡(luò)管理、數(shù)據(jù)融合、網(wǎng)絡(luò)任務(wù)發(fā)布、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等[1]。

另外，未來無線通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)之一是多種接入技術(shù)共存并相互融合，例如:近年來逐漸興起的多模手機(jī)[2]，這意味著無線終端正在從單一網(wǎng)絡(luò)模式向多模化發(fā)展，即具備多種網(wǎng)絡(luò)接口，并且能同時(shí)接入不同的無線網(wǎng)絡(luò)。然而，由于各種網(wǎng)絡(luò)的性能各有優(yōu)劣，并且覆蓋范圍有限，每種單獨(dú)的網(wǎng)絡(luò)都不能滿足實(shí)際需要，所以,如何使通信持續(xù)暢通高效便成了人們研究的重點(diǎn),其中對(duì)網(wǎng)絡(luò)的選擇無疑是重中之重。文獻(xiàn)[3,4]都對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的垂直切換目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)選擇決策算法進(jìn)行了總結(jié)和分類，對(duì)比了不同方法的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度和有效性。文獻(xiàn)[5]通過合理地定義效用函數(shù)，使移動(dòng)用戶能夠在切換次數(shù)和吞吐量上獲得很好的折中。文獻(xiàn)[6]利用微觀經(jīng)濟(jì)學(xué)中的效用理論提出基于效用函數(shù)的接入選擇算法，通過最大化每個(gè)接入網(wǎng)絡(luò)的效用獲得優(yōu)化的資源分配方案,其缺陷是選用的效用函數(shù)未將用戶喜好和網(wǎng)絡(luò)實(shí)際情況相結(jié)合，影響判決準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[7]提出采用代價(jià)函數(shù)來度量接入網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)先特征，但是只考慮了部分判決參數(shù)。隨著判決參數(shù)的增多，代價(jià)函數(shù)的設(shè)計(jì)不能合理地反映接入網(wǎng)絡(luò)的性能。文獻(xiàn)[8]提出的FVIKOR算法采用多屬性垂直切換方法，其中加入平行模糊邏輯控制理論，但未能充分考慮用戶業(yè)務(wù)需求。

在此背景下，本文考慮采取多種網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)將通過網(wǎng)關(guān)接入互聯(lián)網(wǎng)，讓無線傳感器的數(shù)據(jù)能夠以多種方式上傳到互聯(lián)網(wǎng)。這樣多模網(wǎng)關(guān)將使以下情形成為可能：需要傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)類型不同時(shí)，可以根據(jù)不同類型節(jié)點(diǎn)的重要程度、不同網(wǎng)絡(luò)的當(dāng)前鏈路狀況等把不同的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)分發(fā)到不同的網(wǎng)絡(luò)接口上進(jìn)行傳輸，在保障各類節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，降低網(wǎng)絡(luò)的通信成本和能耗[9，10]。此外，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸不正?；蚰硞€(gè)接入網(wǎng)絡(luò)不可用時(shí)，應(yīng)能及時(shí)做出反應(yīng)，將此網(wǎng)絡(luò)上承載的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)無縫地切換至其他可用網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)然，這些都是建立在一定的傳輸控制協(xié)議和算法基礎(chǔ)上的。

針對(duì)以上現(xiàn)有網(wǎng)關(guān)存在的缺陷和不足，從包括鏈路質(zhì)量、吞吐量和成本等多目標(biāo)優(yōu)化網(wǎng)關(guān)傳輸質(zhì)量的層面，本文提出了一種基于WSNs節(jié)點(diǎn)權(quán)重的網(wǎng)關(guān)接入異構(gòu)網(wǎng)絡(luò) (heterogeneous network gateway access based on WSNs node,WSNs-N-HNGA)系統(tǒng)方案。在此方案中，網(wǎng)關(guān)需搭載多種可接入的網(wǎng)絡(luò)接入模塊，并且保證這些模塊可以同時(shí)工作。此方案的目的就是為了實(shí)現(xiàn)如上所述的多目標(biāo)優(yōu)化任務(wù)，使得網(wǎng)關(guān)可以根據(jù)節(jié)點(diǎn)的信息采取對(duì)應(yīng)的傳輸策略，使得整個(gè)網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸達(dá)到一個(gè)整體最優(yōu)的狀態(tài)。

1 WSNs-N-HNGA方案

本方案根據(jù)不同種類節(jié)點(diǎn)分別賦予其權(quán)重值，網(wǎng)關(guān)根據(jù)此權(quán)重值判斷節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)，選擇合適的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并且為每種網(wǎng)絡(luò)選擇合適的基站接入，使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能最優(yōu)化。方案整體拓?fù)鋱D如圖1所示，由無線傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，通過Zig Bee或某種無線協(xié)議發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，之后，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過接入某幾種網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳到互聯(lián)網(wǎng)。

圖1 系統(tǒng)整體拓?fù)鋱DFig 1 Overall topology diagram of system

1.1 問題建模

本方案的目標(biāo)為接入網(wǎng)絡(luò)所需的能耗最小，接入費(fèi)用最小，吞吐量與網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的最大化。設(shè)全局目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)為M，本方案的目的即為找到一個(gè)全局最優(yōu)的連接狀態(tài)S，使得式(1)最小

(1)

s.t

?n∈N,j∈J∶xnj∈{0,1}.

其中,Pn為節(jié)點(diǎn)n的連接費(fèi)用，Cn為節(jié)點(diǎn)n連接的耗電量，Sn為節(jié)點(diǎn)n的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。而λ1，λ2，λ3分別為P，C，S計(jì)算權(quán)重，可根據(jù)用戶的需求自由設(shè)定。wn為節(jié)點(diǎn)n的計(jì)算權(quán)重，此值可根據(jù)傳感器種類和項(xiàng)目需求不同而自行設(shè)定。

式(1)中Pn為傳輸節(jié)點(diǎn)n所需的開銷，其值為所連接基站的開銷總和，即

其中,Pj為連接基站j所需的開銷。節(jié)點(diǎn)n連到基站j時(shí),xnj為1;否則,為0。Cl為傳輸同等數(shù)據(jù)量時(shí)網(wǎng)絡(luò)l的相對(duì)耗電量。Sl為網(wǎng)絡(luò)l當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，包括吞吐量Ra和信號(hào)強(qiáng)度SS，即

Sl=Ra+SS.

s.t.

?n∈N,j∈J:xnj∈{0,1}.

相關(guān)參數(shù)說明：節(jié)點(diǎn)權(quán)重wn需要在節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文中加入相應(yīng)信息，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)解析報(bào)文中權(quán)重信息并記錄，以便計(jì)算總權(quán)重W。

1.2 問題的復(fù)雜度情況及其證明

本文上述WSNs-N-HNGA問題中假設(shè)有N種節(jié)點(diǎn)，每種節(jié)點(diǎn)有L種網(wǎng)絡(luò)可供連接，每種網(wǎng)絡(luò)有J個(gè)基站可供選擇，所有的全局連接共有LNJL種情況，屬于指數(shù)級(jí)別的。因此,即使只有幾種幾點(diǎn)也會(huì)使尋找最優(yōu)的全局連接狀態(tài)變的很難。

此問題為NP難問題。

NP難證明：證明此問題為NP難問題可轉(zhuǎn)化為證明Steiner樹問題可規(guī)約到此問題。

此處引出應(yīng)用Steiner樹解決組播路由優(yōu)化問題的一個(gè)實(shí)例：郵件發(fā)送問題。將郵件發(fā)送者和所有郵件接收者所在的節(jié)點(diǎn)看成是必須連接的節(jié)點(diǎn)集合，其他節(jié)點(diǎn)為未確定節(jié)點(diǎn)，將最終在最小Steiner樹上的未確定節(jié)點(diǎn)稱為Steiner點(diǎn)。而本文所述問題可以從逆向考慮，即將最終接收傳感器信息的服務(wù)器看作郵件的發(fā)送者，所有可選網(wǎng)絡(luò)和基站看作未確定節(jié)點(diǎn)，即有可能成為Steiner點(diǎn)的那些點(diǎn)，將不同種類的傳感器節(jié)點(diǎn)看作郵件的接收者。如此便能將2個(gè)問題等價(jià)，同為尋找代價(jià)最小的Steiner樹問題。

因此，本文所述問題為NP難問題，難以在多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)找到最優(yōu)解，下面提出一種啟發(fā)式算法來求得近似最優(yōu)解。

1.3 算法描述

1)對(duì)不同的節(jié)點(diǎn)種類按權(quán)重值降序排序。

2)從排序結(jié)果中從權(quán)重最高的節(jié)點(diǎn)依次取權(quán)重值wn。

3)對(duì)每種可選接入網(wǎng)絡(luò)分別計(jì)算其可連接基站的目標(biāo)函數(shù)值H(n)，取其最小值定義為Dl(wn)。

4)利用Dl(wn)對(duì)每種網(wǎng)絡(luò)計(jì)算下式

max[wnDl(wn)-wn-1Dl(wn-1)].

5)求出令上式取最大值的l，即為節(jié)點(diǎn)n的最優(yōu)接入網(wǎng)。

6)其中令每種網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)函數(shù)值最小的基站即為所要連接的基站。

算法偽碼描述：

a.將節(jié)點(diǎn)按權(quán)重值降序排序，依次賦給wn;使得w1≥w2≥…≥wn；

b.fori=1,…,ndo;

c.Dl(wi)=maxH(i);

d.li=max[wiDl(wi)-wi-1Dl(wi-1)];

e.end for;

f.所計(jì)算出的Dl即為每種網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)基站。

算法復(fù)雜度：若有N種節(jié)點(diǎn)L種網(wǎng)絡(luò)J個(gè)基站，大循環(huán)n次，每次計(jì)算maxH(i)復(fù)雜度為O(J)，每種節(jié)點(diǎn)計(jì)算li時(shí)為求2次max；因此,此算法復(fù)雜度為O(nJL)，在節(jié)點(diǎn)較多時(shí)比指數(shù)級(jí)別要小很多。

2 實(shí)驗(yàn)分析

為了達(dá)到驗(yàn)證WSNs-N-HNGA算法性能的目的，將其與文獻(xiàn)[8]中提出的FVIKOR算法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析，此實(shí)驗(yàn)為在實(shí)際的WSNs中進(jìn)行，所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果均為實(shí)際測(cè)量或者通過某種方法計(jì)算獲得。

2.1 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

在4 m×5 m的網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)放置20個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，共有10個(gè)種類，分別測(cè)量溫度、CO,CO2,O3等信息，其權(quán)重值分別設(shè)置為1～10。在中心位置放置網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，采用友善之臂的Mini 210開發(fā)板，其上搭載Android 2.3系統(tǒng)，可連接的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置為以太網(wǎng)，WLAN和WCDMA，其中WLAN有3種基站可供選擇。方案中全局目標(biāo)函數(shù)中所需參數(shù)在仿真前統(tǒng)一設(shè)定，各網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)根據(jù)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)提前設(shè)定，在仿真時(shí)根據(jù)方案算法帶入各個(gè)參數(shù)，計(jì)算所需結(jié)果，并結(jié)合此結(jié)果來分析此算法性能。

2.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定

方案中的信號(hào)強(qiáng)度量使用Android系統(tǒng)中的庫(kù)函數(shù)實(shí)時(shí)讀取。網(wǎng)絡(luò)速度通過上傳一張圖片，根據(jù)圖片大小和上傳時(shí)間來測(cè)試速度。各網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)定如表1所示。目標(biāo)權(quán)重值λ1，λ2，λ3分別設(shè)為5，3，10，表明網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)是此實(shí)驗(yàn)中更為重視的目標(biāo)。

表1 各網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)定Tab 1 Set of network parameters

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

網(wǎng)關(guān)接入互聯(lián)網(wǎng)的上行鏈路均為發(fā)送攜帶傳感器所采集數(shù)據(jù)的報(bào)文，并且報(bào)文的字節(jié)數(shù)是固定的，因此,計(jì)算發(fā)送報(bào)文的數(shù)量即可計(jì)算出系統(tǒng)的總吞吐量。本實(shí)驗(yàn)中所用協(xié)議中的數(shù)據(jù)幀為24字節(jié)。圖2為此異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中分別應(yīng)用本文算法和FVIKOR算法上行鏈路的平均吞吐量對(duì)比，從結(jié)果可以看出:應(yīng)用此算法能明顯提高異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，提高頻譜利用率，這表明此算法可以更加有效的傳輸所需數(shù)據(jù)，提高異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的資源利用率。

圖2 吞吐量對(duì)比Fig 2 Comparison of throughput

另外,從圖2可以看出:隨著傳感器節(jié)點(diǎn)的增加，系統(tǒng)總吞吐量的增長(zhǎng)率明顯放緩，逐漸趨于某一固定值，這是由于節(jié)點(diǎn)過多，傳輸延遲增大，節(jié)點(diǎn)間的信道競(jìng)爭(zhēng)激烈。該問題有待進(jìn)一步解決。

圖3統(tǒng)計(jì)了2種算法平均丟包率的對(duì)比分析。從結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用WSNs-N-HNGA算法比FVIKOR算法丟包率有所降低，但幅度不是很大，這表明此算法能在一定程度上提高信息傳輸?shù)姆€(wěn)定性，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠程度。

圖3 丟包率對(duì)比Fig 3 Comparison of packet loss rate

預(yù)先設(shè)定的網(wǎng)絡(luò)能耗參數(shù)跟實(shí)際情況有些差別，因此,能耗參數(shù)使用電量Android系統(tǒng)狀態(tài)庫(kù)函數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控。能耗作為網(wǎng)關(guān)性能的重要參考依據(jù)，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。由于此方案為接入多個(gè)網(wǎng)絡(luò)，但接入的選擇是根據(jù)算法進(jìn)行，并不一定全部接入，或者只接入一種網(wǎng)絡(luò)；而使用FVIKOR算法，則只選擇一種網(wǎng)絡(luò)接入，因此,從理論上考慮本方案的能耗會(huì)明顯提高，但實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本方案在能耗方面還算差強(qiáng)人意。隨著時(shí)間的推移，剩余電量比只接入一種網(wǎng)絡(luò)低5 %左右，這對(duì)于本方案的理念如出一轍，即在保證吞吐量和接入花費(fèi)的同時(shí)，適當(dāng)犧牲能耗。

圖4 能耗對(duì)比Fig 4 Comparison of energy consumption

傳輸數(shù)據(jù)延遲分析:網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)時(shí)將時(shí)刻信息加入報(bào)文中，利用網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的上傳時(shí)刻Ts和服務(wù)器的接收數(shù)據(jù)時(shí)刻Tr之差來計(jì)算網(wǎng)絡(luò)延遲Tp，其中,Tp=Tr-Ts+λ，λ為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和服務(wù)器之間的時(shí)間調(diào)整系數(shù)。通過實(shí)際測(cè)量計(jì)算，網(wǎng)絡(luò)延遲如圖5所示，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，即數(shù)據(jù)量的增大，網(wǎng)絡(luò)延遲明顯提高，本文算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)延遲的控制效果顯著，但在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時(shí)延遲依很高，因此，算法還有待改善。

圖5 網(wǎng)絡(luò)延遲對(duì)比Fig 5 Comparison of network delay

圖6所示為本方案網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)的通信費(fèi)用隨節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加而變化的情況。此數(shù)據(jù)為根據(jù)吞吐量和所用網(wǎng)絡(luò)計(jì)算得出。從圖中可以看出：本方案在通信費(fèi)用上與FVIKOR算法相比基本持平，略有降低。

圖6 通信費(fèi)用隨節(jié)點(diǎn)數(shù)量的變化Fig 6 Change of communication cost with node numbers

3 結(jié) 論

本文從WSNs中不同種類節(jié)點(diǎn)權(quán)重優(yōu)先級(jí)的角度出發(fā)，提出一種網(wǎng)關(guān)接入異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的組合優(yōu)化方案(WSNs-N-HNGA)。實(shí)驗(yàn)通過與FVIKOR算法對(duì)比表明：此方案在犧牲5 %電量的情況下能明顯增加網(wǎng)絡(luò)吞吐量，提高頻譜利用率，另外，此方案也綜合考慮成本費(fèi)用問題，給出一個(gè)綜合解決的方案。

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Research on gateway access heterogeneous network based on WSNs node weights*

MA Li, MA Hai-long, MA Dong-chao

(North China University of Technology,Beijing 100144,China)

In wireless sensor networks(WSNs), although the design of existing gateway node has introduced multiple network fusion transmission mode,but few take into account the performance of the entire gateway node,including throughput,packet loss rate,power consumption,cost overhead and so on,and rare deeply discuss multi-network selection switching method.Aiming at this situation, introduce the concept of sensor node weights,from the start of different weights sensor nodes need different transmission strategy,for the purpose of data uploading Internet,present a framework of a gateway node access heterogeneous networks.In this framework,considering three aspects including throughput,power consumption and accessing cost,propose a multi-objective optimization model and then give a heuristic approximation algorithm. Experimental results show that under the premise of ensuring reliable data transmission and stable energy consumption in sensor networks,improve efficiency of data transmission and reduce costs of gateway access heterogeneous networks,provide a kind of reliable scheme for gateway to access heterogeneous network for data transmission.

heterogeneous networks; gateways; throughput; multi-objective optimization

2013—09—15

北京市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(4132026)

TP 393

A

1000—9787(2014)04—0048—04

馬 禮(1968-)，男，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域?yàn)榉植际接?jì)算、高性能計(jì)算技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)。