高效连接的低时延WSN研究

辛强伟 唐云凯

摘要：實时系统的时延需要尽可能低，有些系统以无线通信为主，这对于无线网络的通信效率和时延有严格要求。过多的跳数对于网络通信效率和时延都是不利的。本文运用基于度的骨干网来减少WSN通信跳数。通过连通状况来探讨网络平均跳数和连通率之间的关系，揭示了在随机部署时随着传感器节点数目的增大会出现两个阶段：第一个阶段是当连通率尚未达到全面连通时，增加节点数目会使平均跳数增大;第二个阶段是当连通率达到全面连通后，增加节点数目会使平均跳数减小。

关键词：无线传感器网络;时延;连接

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）09-0051-01

0 引言

节点间的高效连接对于WSN的生存周期和数据传输速度具有重要意义。由于节点通信距离的限制，往往需要以多跳的方式转发数据，而转发可能会造成数据丢失和增大时延。此外，多次转发累计消耗的时间不容忽视，特别是对于实时系统。过多的跳数可以导致无线网络丢包率上升和时延增大，这在大规模无线网络中尤为明显。减少转发节点可以使大规模无线网络具有高效的连接[1]。

高效连接的无线网络应具备的特点是可以较快地实现全网连通，将所有部署的节点都纳入覆盖区域之内，并且具有较小的平均跳数和最大跳数。跳数的增加除了会增大时延，丢包率也会呈现上升的趋势，减少无线网络的跳数对于实现高效连接和降低时延很重要。低时延是现代通信技术的一个重要追求，比如5G技术[2，3]。本文研究通过减少网络中的跳数提高网络通信效率和降低时延。

1 基于度构建骨干网及相关分析

跳数和度都是无线传感器网络中的重要指标，跳数与度之间存在的关系是网络的平均度越大，则网络的跳数可能越小。一个节点的度越大表示这个节点的邻居节点越多，那么该节点可以直接通信的节点越多。本文基于度构建骨干网，通过该方法旨在实现网络高效连接和降低时延，具体步骤如下：

第一步，依次选取度最大的节点，直到所选节点足以覆盖所有节点;

第二步，将所选取节点之间的连接点纳入骨干网中;

第三步，优化骨干网，在不影响覆盖和连通的前提下，去除其中可以去除的节点。

为验证基于度构建骨干网方法，本文模拟100个节点随机部署于200×200的平面上，节点通信半径统一都设置为40，每次在平面区间上部署10个节点，分10次完成100个节点的随机部署。在部署过程中，当节点密度偏低时，会有一些节点处于孤立状态。随着部署节点的增多，无线网络的连通性逐渐加强。表1是基于度的骨干网连通状况表，通过连通状况来探究网络平均跳数和连通率之间的关系。

分析无线网络通信效率涉及最大跳数和平均跳数两个概念。最大跳数可被视为最坏情况，平均跳数可被视为一般情况。设计和分析网络时应准备应对最坏情况的发生，即准备最大跳数的出现。最大跳数随着节点数目的增加而增大，当所部署节点的数量达到一定程度时，最大跳数逐渐稳定。随着部署节点的增多，平均跳数表现出小幅下降的状况。当节点密度相对稀疏时，会有一些节点因距离问题而无法通信。当无线网络全面连通之后继续增加节点，会产生冗余节点，适量的冗余节点对构建高效连接的低时延无线网络是有利的。

由表1可知随着部署的节点数量的增多会出现两种状态：第一种状态是当连通率小于1时，平均跳数随着节点数量的增加而增大;第二种状态是当连通率达到1后，平均跳数随着节点数量的增加而减小。在达到网络全面连通后继续适量增加节点数量会减小最大跳数和平均跳数，从而提高网络通信效率、减小时延。

2 结语

由于当前对系统的实时性方面要求的增多，除了进一步研发传输速率更快的技术，还需要从网络构建的角度来探讨如何减小时延和提高通信效率。本文分析了网络跳数和连通率之间的关系，提出基于度构建骨干网以实现高效连接的低时延无线网络。基于度的骨干网方法可显著减小平均跳数和最大跳数并且较快地达到全面连通，从而建立起高效通信的低时延无线网络。对于随机部署节点，在全面连通前，随着部署节点的增多，网络跳数（包括最大跳数和平均跳数）会逐步增大;当全面连通后，随着部署节点的增多，平均跳数有减小的趋势。

参考文献

[1] 唐勇，周明天.基于极大独立集的最小连通支配集的分布式算法[J].电子学报，2007（4）：868-874.

[2] 陈云生.5G移动通信技术下的物联网时代[J].信息通信，2018（4）：260-261.

[3] 赖国胜，陈博文.5G移动通信技术的现状及发展[J].电子制作，2017（23）：53-54.

Abstract：The delay of real-time systems needs to be as low as possible. Some systems mainly use wireless communication， which has strict requirements for the communication efficiency and delay of wireless networks. Too many hops are harmful to the efficiency and delay of network communication. In this paper， the degree-based backbone network is used to reduce the hops of WSN communication. The relationship between network average hops and connectivity is discussed. It is revealed that there are two stages in random deployment when the number of sensor nodes increases. The first stage is when connectivity has not reached full connectivity， increasing the number of nodes will increase the average hops; the second stage is when connectivity reaches full connectivity， increasing the number of nodes will make the average hop number decrease.

Key words：Wireless sensor networks; delay; connection