阮兆忠

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2016.18.085

摘 要：隨著微機(jī)電技術(shù)、嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展與成熟，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到極大發(fā)展，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境適應(yīng)能力逐漸增強(qiáng)，尤其在資源少、環(huán)境惡劣的無(wú)人區(qū)域具有較好的應(yīng)用前景。筆者對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹，并對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化算法及其應(yīng)用進(jìn)行了深入探討。

關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感器 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化 研究應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）06（c）-0085-02

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)以收集目標(biāo)信息為主要目的，具備監(jiān)測(cè)、收集、處理、傳輸目標(biāo)信息的能力，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)更強(qiáng)調(diào)能源的高效利用。無(wú)線(xiàn)通信的發(fā)展在一定程度上促進(jìn)了低功耗、多功能無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)不需要預(yù)先安裝且具有數(shù)據(jù)處理、短距離通信的功能，因此，在許多領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。

1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

1.1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中包含許多傳感器節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)主要分布于監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，在無(wú)線(xiàn)通信的輔助下形成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能夠采集并處理在網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)被感知對(duì)象的信息，并傳送給監(jiān)測(cè)者，完成無(wú)線(xiàn)傳感監(jiān)測(cè)的工作[1]。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包含無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)與管理節(jié)點(diǎn)。無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)是其中最為重要的組成部分，主要由傳感器模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊、處理器模塊與能量供應(yīng)模塊組成。傳感器模塊主要用于采集待測(cè)區(qū)域內(nèi)的信息并對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，無(wú)線(xiàn)通信模塊能夠與其他無(wú)線(xiàn)通信傳感節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息的交換、接收與發(fā)送等操作，處理器模塊則主要負(fù)責(zé)無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)與處理，能量供應(yīng)模塊則是無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)運(yùn)行能量的來(lái)源，這四個(gè)模塊相互獨(dú)立又相互依存，共同組成了無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)[1]。匯聚節(jié)點(diǎn)在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中承擔(dān)著鏈接作用，主要負(fù)責(zé)信息的匯集工作，當(dāng)無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)收集信息后，匯聚節(jié)點(diǎn)開(kāi)始工作將信息匯集到一起，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信的方式將這些信息傳送到管理節(jié)點(diǎn)。在這個(gè)過(guò)程中，無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)沿其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸，在傳輸過(guò)程中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也有可能受到其他因素影響，在無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)收集后經(jīng)多條路到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)，而后通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星等到達(dá)管理節(jié)點(diǎn)。管理節(jié)點(diǎn)是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的最后一環(huán)，屬于終端監(jiān)測(cè)平臺(tái)，用戶(hù)在管理節(jié)點(diǎn)處完成對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的配置與管理工作，并將最終的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，形成監(jiān)測(cè)任務(wù)發(fā)布出去，完成無(wú)線(xiàn)傳感器傳輸?shù)墓ぷ鳌?/p>

1.2 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧如圖2所示，主要由多個(gè)管理層構(gòu)成，包括物理層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層等，這一點(diǎn)與互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧的協(xié)議層是極為相近的[1]。此外，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧還由一些管理平臺(tái)組成，如能量管理平臺(tái)、移動(dòng)管理平臺(tái)與任務(wù)管理平臺(tái)等，這些管理平臺(tái)能夠調(diào)節(jié)傳感器節(jié)點(diǎn)，使其更為高效地協(xié)同工作，并在不斷變化的傳感器網(wǎng)絡(luò)中收集數(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多資源的共享，促使無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠更為高效地運(yùn)行。

2 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化算法研究

2.1 移動(dòng)代理路由算法研究

由于傳感器有一定的傳感范圍，在限定的傳感器節(jié)點(diǎn)周?chē)軌蚪邮盏捷^強(qiáng)的信號(hào)，但是與目標(biāo)距離較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)在檢測(cè)信號(hào)時(shí)就只能接收到較弱的信號(hào)甚至檢測(cè)不到信號(hào)。傳感節(jié)點(diǎn)能夠感知的目標(biāo)信號(hào)強(qiáng)度可以用能量級(jí)表示，在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)時(shí)需要格外重視能量級(jí)較高的傳感節(jié)點(diǎn)，并盡可能地忽略能量級(jí)較低的傳感節(jié)點(diǎn)，為了達(dá)到這一目的，可以采用移動(dòng)代理路由算法，使無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)盡量多地訪問(wèn)能量級(jí)高的傳感節(jié)點(diǎn)，使這些節(jié)點(diǎn)能夠更為高效地為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，完成節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)融合工作[2]。移動(dòng)代理路由算法主要是以特定數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，構(gòu)造數(shù)據(jù)表，并對(duì)相關(guān)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信息進(jìn)行收集處理，進(jìn)而獲取目標(biāo)節(jié)點(diǎn)到處理節(jié)點(diǎn)的最佳路徑，同時(shí)還需要對(duì)這些目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的能量級(jí)進(jìn)行分析，并以這些基本信息為基礎(chǔ)，從處理節(jié)點(diǎn)出發(fā)通過(guò)移動(dòng)代理依次訪問(wèn)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，最終返回處理節(jié)點(diǎn)的路由，實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化。通過(guò)移動(dòng)代理路由算法可以獲得移動(dòng)代理所經(jīng)過(guò)的最佳路由節(jié)點(diǎn)序列，并以此為依據(jù)擬合出一條曲線(xiàn)，完成移動(dòng)代理從靜態(tài)路由向動(dòng)態(tài)路由的轉(zhuǎn)換。

2.2 節(jié)點(diǎn)重要性評(píng)估算法研究

節(jié)點(diǎn)如果失效對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)性能的影響即為節(jié)點(diǎn)的重要性，因此，對(duì)節(jié)點(diǎn)的重要性進(jìn)行評(píng)估也可以用于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化。由于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)相對(duì)復(fù)雜，在進(jìn)行節(jié)點(diǎn)重要性評(píng)估時(shí)需要在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)中快速地找到關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，一般的，節(jié)點(diǎn)重要性評(píng)估算法是運(yùn)用平均路徑長(zhǎng)度、網(wǎng)絡(luò)直徑等指標(biāo)作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，在進(jìn)行節(jié)點(diǎn)重要性評(píng)估時(shí)需要按照次序?qū)㈥P(guān)鍵節(jié)點(diǎn)一一排除，這樣極有可能造成網(wǎng)絡(luò)斷裂，進(jìn)而無(wú)法區(qū)分關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的重要性，因此，利用節(jié)點(diǎn)重要性評(píng)估算法優(yōu)化無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)存在一定的局限性[1]。

2.3 混合基站數(shù)據(jù)收集算法研究

由于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)較為復(fù)雜，傳感器節(jié)點(diǎn)的工作環(huán)境比較復(fù)雜，這樣一來(lái)替換節(jié)點(diǎn)電池或?qū)﹄姵剡M(jìn)行充電都非常困難，因此，在優(yōu)化無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)需要有意識(shí)地延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命?；旌匣緮?shù)據(jù)收集算法在監(jiān)控區(qū)域中布置了移動(dòng)基站口可以用于數(shù)據(jù)信息的收集，進(jìn)而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命，同時(shí)提高網(wǎng)絡(luò)的性能[1]。同時(shí)，不同類(lèi)型的基站能夠互相補(bǔ)充，一方面固定基站可以在一定程度上延遲網(wǎng)絡(luò)通信，使其可以處于一個(gè)安全范圍內(nèi)，另一方面移動(dòng)基站在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中能夠自由移動(dòng)，近距離地接觸源節(jié)點(diǎn)，有效減少數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)木嚯x，降低網(wǎng)絡(luò)能耗的同時(shí)提高數(shù)據(jù)的安全性。由此可以看出，不同類(lèi)型的混合基站收集數(shù)據(jù)更加地高效，具有適時(shí)性。

3 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的應(yīng)用

由于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作環(huán)境較為復(fù)雜，且節(jié)點(diǎn)的計(jì)算資源存在一定的局限性，拓?fù)鋭?dòng)態(tài)存在不確定性，這樣一來(lái)，在實(shí)際應(yīng)用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)就常需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。傳統(tǒng)的建模計(jì)算等方式無(wú)法完全解決無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題，現(xiàn)代優(yōu)化算法能夠有效提高網(wǎng)絡(luò)的效率與準(zhǔn)確性，促進(jìn)了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用范圍的擴(kuò)大。就目前無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的應(yīng)用情況來(lái)看，以數(shù)學(xué)方法等技術(shù)為基礎(chǔ)改進(jìn)現(xiàn)有的優(yōu)化算法來(lái)簡(jiǎn)化無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的有效途徑，通過(guò)優(yōu)化無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以有效提高求解質(zhì)量與效率[2]。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)人們的生活方式產(chǎn)生了巨大的影響，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能交通領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，在智能交通系統(tǒng)中，探測(cè)路面與車(chē)輛數(shù)據(jù)的傳感器都是通過(guò)有線(xiàn)連接的，這在很大程度上限制了智能交通系統(tǒng)的靈活性，監(jiān)測(cè)范圍也存在局限性。將無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到交通系統(tǒng)中，可以擴(kuò)大信息采集的范圍，控制路口信號(hào)設(shè)備，降低車(chē)輛在路口的停車(chē)等待時(shí)間，同時(shí)有效監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)交通負(fù)荷情況，為駕駛者提供行車(chē)路徑，提高道路通行效率。

為了更好地利用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，需要進(jìn)一步利用并行分布式計(jì)算技術(shù)，提高現(xiàn)代優(yōu)化算法的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力，促使無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)算法效率與準(zhǔn)確性的提升。

4 結(jié)語(yǔ)

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是在傳感器基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的一種新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有隨機(jī)分布性、協(xié)作性、低成本以及地域無(wú)限制的特性，這也進(jìn)一步促進(jìn)了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的深入應(yīng)用，對(duì)人們的生活產(chǎn)生了極大地影響。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)在一定程度上受到資源的限制，為了提高無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的效率，需要對(duì)其進(jìn)一步算法優(yōu)化，使無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍得到進(jìn)一步的拓展。

參考文獻(xiàn)

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