【摘要】無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為新興研究領(lǐng)域內(nèi)容，受到了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，具有顯著的研究價值。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)即Wireless Sensor Networks（WSNs），標(biāo)志著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展至一個新的階段，為人們提供了更有效、更具備價值的信息。路由協(xié)議也是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重點內(nèi)容，不同應(yīng)用中的路由協(xié)議也會產(chǎn)生顯著差異，需要結(jié)合具體的應(yīng)用場合來分析具體的設(shè)計模式。

【關(guān)鍵詞】無線傳感器；網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議；節(jié)能研究與設(shè)計

一、引言

路由協(xié)議的主要階段包括尋找路徑與傳輸數(shù)據(jù)兩個階段，尤其是在選擇路徑的過程中，需要立足與整體的網(wǎng)絡(luò)耗能角度來尋找耗能更小的數(shù)據(jù)傳輸方案，設(shè)計者們也應(yīng)該考慮到采用哪種方式能夠獲取最正確的數(shù)據(jù)。此外，為了促進節(jié)點能量的高效利用，也需要考慮到節(jié)能研究與設(shè)計方案的合理性。

二、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特征

（一）動態(tài)化網(wǎng)絡(luò)

由于受到外部環(huán)境的影響，傳感器的節(jié)點很有可能出現(xiàn)故障或直接失效，此時網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)會發(fā)生轉(zhuǎn)變，環(huán)境因素也有可能導(dǎo)致無線通信鏈路終端，進一步影響到數(shù)據(jù)的傳輸。所以，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該在較短的時間內(nèi)適應(yīng)變化，具備動態(tài)化網(wǎng)絡(luò)的特征，其系統(tǒng)具有可重構(gòu)性。

（二）資源與數(shù)據(jù)

傳感器的節(jié)點一般較小，適應(yīng)大規(guī)模直接部署，但是其通信能力與存儲能力有限，一旦能量好近，會直接影響到其監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集工作的有效性，所以節(jié)能設(shè)計研究工作的必要性非常顯著。如果用戶需要獲取相應(yīng)的信息，可以直接通過網(wǎng)絡(luò)獲取，而不是通過對某個節(jié)點的指定。換言之，在路由協(xié)議的設(shè)計過程中，必須考慮到對不同節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性要求。

（三）組織性

在一般情況下，傳感器節(jié)點能夠自行組織形成配置管理模式，然后借助拓撲控制方案構(gòu)建完整的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可以對數(shù)據(jù)進行分析和處理。實際上，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于路由協(xié)議存在的差異，在不同的場景下會有不同的應(yīng)用模式，在信息獲取與組織性研究的過程中也需要結(jié)合應(yīng)用類型的差異來針對性地展開。

三、路由協(xié)議設(shè)計體系

（一）網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建

從傳統(tǒng)的路徑傳輸來看，無論是單路徑傳輸還是多路徑傳輸，普遍效率較低，節(jié)點能耗較高。所以，為了減少節(jié)點能量的消耗，在數(shù)據(jù)傳輸階段就應(yīng)該通過協(xié)同通信和網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)方案來調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸可能存在的不穩(wěn)定性。我們在網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建的過程中，應(yīng)該了解到傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點分布特征，且中繼節(jié)點具備顯著的通信能力與數(shù)據(jù)編碼能力。

在初始時間段，每個傳感器的節(jié)點能量相同，簇頭節(jié)點在負責(zé)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r還參與到了路徑構(gòu)建的過程當(dāng)中，經(jīng)過數(shù)輪數(shù)據(jù)傳輸之后被重新選擇。節(jié)點此時也能根據(jù)能量消耗情況來判定是否需要參與到選擇簇頭節(jié)點的工作當(dāng)中。

（二）數(shù)據(jù)傳輸過程

傳統(tǒng)路由中，中繼節(jié)點會向下游節(jié)點發(fā)送接收到的數(shù)據(jù)，在地理路由協(xié)議當(dāng)中，中繼節(jié)點也會對受到的數(shù)據(jù)包進行編碼后再發(fā)送至下一簇。Source會對已經(jīng)收集的數(shù)據(jù)進行劃分，然后編碼生成若干個數(shù)據(jù)包，連續(xù)向下一簇節(jié)點發(fā)送。當(dāng)匯聚節(jié)點接收所有數(shù)據(jù)之后，數(shù)據(jù)包攜帶的編碼向量也可以開始進行解碼工作。針對于傳統(tǒng)路由數(shù)據(jù)傳輸效率過低的問題，也可以通過基于網(wǎng)絡(luò)編碼的地理路由協(xié)議來分析數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)化模式。在前期的路徑構(gòu)建階段，也會綜合考慮到節(jié)點數(shù)量的差異，以此為基礎(chǔ)來均衡簇間節(jié)點的消耗。

四、地理信息結(jié)合下的機會路由

大型無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，遠距離節(jié)點需要多次轉(zhuǎn)發(fā)信息才能將數(shù)據(jù)輸送至需要的節(jié)點。但由于無線鏈路的穩(wěn)定性問題，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃詴蠓档?，尤其是某些近距離節(jié)點會承載著非常承重的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，能量消耗速率驚人。所以，如果能將路由與地理信息結(jié)合，就能從節(jié)點集的選擇方面入手，更好地做好系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作。

（一）能耗模型分析

通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建，可以在區(qū)域中心設(shè)置好匯聚節(jié)點，其余節(jié)點則隨機分布在網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，按照網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點位置關(guān)系，可以設(shè)定網(wǎng)絡(luò)中不存在兩個地理位置坐標(biāo)相同的節(jié)點，且其余節(jié)點具有相同的信息通信能力。而無線通信模塊正是主要的能量消耗模塊，考慮到數(shù)據(jù)傳輸過程中可能出現(xiàn)的能源損耗情況，可以使用能好模型來對節(jié)點數(shù)據(jù)進行描述，構(gòu)建自由空間模型。

（二）節(jié)點集策略

機會路由當(dāng)中，集中節(jié)點的數(shù)量是影響到數(shù)據(jù)傳輸結(jié)果的首要因素，也影響到數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量與可靠性。傳統(tǒng)地理位置機會路由可以選擇距離目的節(jié)點更近的節(jié)點來構(gòu)建候選集，然而相應(yīng)的節(jié)點協(xié)調(diào)難度會有顯著提升，尤其是在通信消耗方面。所以在節(jié)點集策略方面，應(yīng)該先控制好傳輸方向，將數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點作為起點，匯聚節(jié)點作為終點，兩者間的過程即為數(shù)據(jù)傳輸方向。另外，以傳輸方向為開始區(qū)域，通過順時針與逆時針旋轉(zhuǎn)模式來確定候選節(jié)點集的扇形覆蓋區(qū)域。離Sink越近的節(jié)點，其數(shù)據(jù)接收與傳輸?shù)膲毫Ω?，考慮到節(jié)點負載與數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性的問題，就需要考慮到不同位置的節(jié)點與旋轉(zhuǎn)角度問題，即

其中，d（Source，Sink）表示的是Source與Sink之間的歐氏距離，D為節(jié)點的傳輸半徑值，γ為常量角度，通過對常量角度的調(diào)整可以滿足不同應(yīng)用對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)南嚓P(guān)要求。我們通過公式可以得知，在同一節(jié)點內(nèi)的候選集選擇區(qū)域大致相同，節(jié)點所屬區(qū)域與匯聚節(jié)點之間越近，則可選擇的候選節(jié)點集區(qū)域越小。作為候選集基本單元，其數(shù)值與候選集之間的聯(lián)系緊密，需要結(jié)合具體的應(yīng)用要求來調(diào)整網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，控制?jié)點消耗。機會路由數(shù)據(jù)傳輸過程中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃詷I(yè)余節(jié)點數(shù)量與鏈路質(zhì)量有著緊密聯(lián)系。

（三）節(jié)點排序

節(jié)點排序的過程當(dāng)中需要考慮到無線信道的穩(wěn)定性問題與節(jié)點間的鏈路質(zhì)量。通過節(jié)點能耗的公式可以了解到，距離匯聚節(jié)點越遠，節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時需要消耗的能量就越多，即便是靜態(tài)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，固定的節(jié)點位置也會隨著網(wǎng)絡(luò)的運行出現(xiàn)能量變化。所以，需要對節(jié)點進行合理排序，考慮到所有的影響因素，防止某個節(jié)點被頻繁地認(rèn)為是轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，出現(xiàn)不合理的能量消耗情況。通常情況下，鏈路質(zhì)量較好，能量消耗較小的候選節(jié)點可以被認(rèn)為是數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點，對于數(shù)據(jù)傳輸成功率的提升具有顯著的作用，能量利用率也會得到保障。

（四）協(xié)議性能分析

協(xié)議性能分析可以從不同的指標(biāo)方面展開研究分析，即平均剩余能量、能量標(biāo)準(zhǔn)差、網(wǎng)絡(luò)生存周期。前者是用于對路由協(xié)議與節(jié)點能耗分析的判斷，后者則是計算能量耗盡之后網(wǎng)絡(luò)開始運行的輪數(shù)。隨著輪數(shù)的提升，在機會路由協(xié)議當(dāng)中，也會從傳輸方向來對候選節(jié)點的范圍進行規(guī)劃和選擇，減少通信產(chǎn)生的消耗，節(jié)點接受數(shù)據(jù)包的范圍也會因為約束增加而減少其接收的節(jié)點數(shù)量。在協(xié)議當(dāng)中，如果節(jié)點接收通信范圍內(nèi)的所有數(shù)據(jù)，也會增加其整體的能耗?？傮w而言，無論是通過匯聚節(jié)點的距離還是優(yōu)先排序結(jié)果，都需要立足于數(shù)據(jù)傳輸時的能量消耗，防止節(jié)點被過度使用，維持更長時間的網(wǎng)絡(luò)活躍狀態(tài)。

針對于遠距離節(jié)點傳輸?shù)目煽啃詥栴}，通過路由與地理信息的結(jié)合，可以充分提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β?，從而對?jié)點區(qū)域進行合理約束，結(jié)果表明，該方案可以很好地控制網(wǎng)絡(luò)能耗，延長網(wǎng)絡(luò)存活時間。

五、結(jié)語

對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的影響因素來說，鏈路穩(wěn)定性與節(jié)點能量問題是其中的重點，節(jié)能設(shè)計方案也成為了路由協(xié)議設(shè)計時需要遵循的具體原則。本文提出了基于網(wǎng)絡(luò)編碼的地理路由協(xié)議與機會路由協(xié)議，針對網(wǎng)絡(luò)模型的特點，在保障網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)成功傳輸?shù)耐瑫r降低了網(wǎng)絡(luò)能耗。在未來的研究工作當(dāng)中，還有某些細節(jié)地方需要改進，進一步提升研究價值。例如還應(yīng)該綜合考慮到路由度量、節(jié)點移動性等其它方面的影響因素，通過均衡能耗的角度來設(shè)計路由協(xié)議，更好地保障網(wǎng)絡(luò)周期。

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作者簡介：程玲（1981—），女，漢族，江西九江人，本科，江西警察學(xué)院，講師，研究方向：安全防范技術(shù)研究。