一种无线传感网络分层式链路构架设计与研究

邹茜 顾大刚 黄伟

（贵阳学院 贵州省贵阳市 550005）

1 概述

由于近年来传感器相关节点及网络的快速发展，传感器采集器的大小与成本已逐年减少，因此可以大量的把感测节点布置到所要采集信息的环境范围，其放置的密度可以根据需求来设定，数量甚至可以达到数十万都有可能。由于传感器可以任意的设置，且都是独立的个体，在这么高密度且分布式的环境中，如何利用有限的资源在有限的时间内有效率完成，且能管理整个数据采集非常具有挑战价值[1]。

近年来科技的发展非常迅速，数据采集(data gathering)是无线传感网络中最基本的功能，所有采集装置将采集到的数据经过处理，然后直接传输或多步、多层次传输至某一个特定的汇聚节点，等到汇聚节点收集并融合完所有的数据资料后再回传至服务器或远程用户。无线传感网络中最主要的能量消耗就是信息传输，如果每个信息采集器都直接将采集资料传输至总节点将会产生很大的能量消耗，所以当某些传感节点能量耗尽无法运作时，整个网络所采集到的资料将不完整也不精确。因此，无线传感网络在资料收集中，必须控制传感器能量的消耗[2][3]。

1.1 无线传感网络节能架构方向研究

本文团队已对现有的无线传感网络节能方法及相关的节能优、缺方式进行了前期研究，并对相关的节能方法进行了总结。

第一种方法是前期很多研究学者采用了集群式(cluster-based)的架构，也就是在应用中，将使用特定的集群管理节点来管理整个无线传感网路，其中可以通过集群管理节点的位置进行区域划分，不同的集群可以通过不同的算法及通道，直接或多步传输方式进行数据的传输，然后将相关数据信息传输给集群管理节点[4]。集群管理节点同样也可以通过相关算法，直接或间接的将指令、数据回传到节点或远程用户。集群管理方式架构简单，但是会导致能量消耗不均衡，造成整体网络的生命周期下降。

第二种方法就是采用树(tree-based)形架构，这种架构的特点就是将整个网络的传感节点采用树形结构进行连接，并且传输信息时候采集数据信息并进行传输时候是从树形的底部进行数据采集并依次上传至根节点[5]。这种结构有效的降低了系统的整体能耗，能有效延长网络的生命周期，但是由于根节点运行时间较长，能耗消耗也比一般节点快，特别是越上层的节点能耗越多，所以这种结构只在一些特定的场所使用。

图1：已有多链架构设计

第三种方法就是采用链路(chain-based)架构，这个结构的特点就是将整个无线传感网络的传感采集节点采用特定的算法链接成一条链路，这样使得节点间的传输距离短，整个网络架构的能耗消耗比较平均，不过这样的架构会导致数据采集的时延较长，采集数据的准确度下降。本研究在此基础上，设计一个解决网络时延的方法，使得链路架构采集数据准确性增加[6]。

1.2 无线传感网络分层式数据采集研究

通过前期研究表明一个存在大量传感网络节点分布的无线传感网络中，需要设计一个分层式的资料收集的架构，这能极大的提高信息采集与传输的效率，提高网络使用的范围、周期。我们将无线传感网络的底层设计为许多条不等长的链架构组成，上层设计为各链路的管理节点组成的链路，各个管理节点能把所采集到的资料通过上层的链架构依序进行数据与资料的传输；设计无线传感网络的底层链路由不等长的链路组成，由于不等长的链路所以会发生无线传感网络在传输过程中的信息传输时间的不同，由此会有先后的进行数据传输，由于在传感链路中存在传感管理节点，有它对采集链路的数据信息进行管理，并对采集数据的传输时间、传输大小进行管理，可以有效管理无线传感网络的有效生命周期，所以这样可以使得我们设计的链路结构的整体传输时间的稳定性[7]。

通过对分层的链路进行节点管理，然后再通过节点管理信息数据传输，这样可以有效减少节点的非必要能耗，并提高节点的传输效率。

1.3 无线传感网络的传输能耗

在很多的无线传感网络环境中，封包传输的延迟时间与能耗是一项非常重要的考虑指标。通常为了要减少传输延迟时间，往往需要消耗较多的能量，所以需要进行无线传感网络的能量均衡研究。因此，在能量损耗与传输延迟时间之间取得平衡便非常重要，我们亦针对Energy×Delay 作效能比较。研究的传输能耗，需要我们对提出的资料收集机制，在均衡节点方面，进行一系列的效能模拟。

比如在仿真过程中进行相关定义：

（1）网路延迟(Delay)：每一个传感网络节点，接收和传输等待时间区段定义为一个网络延迟单位时间，一个回合内需要多少网络延迟单位时间内能把所有资料回传至总结点，无线传感网络延迟时间越少，代表感测网路系统所能运作的效率越高。

（2）每回合总能量消耗(Energy consumption per round)：其代表完成一个回合的数据采集过程，每个传感采集信息节点所消耗的能量进行相加。因此，一个有效的资料收集方法，其每回合总能量消耗会减小。

（3）Energy × Delay：其Energy 表示每回合系统的总能量消耗(如上)，和Delay(如上)。

2 分层式链结构设计

设计分层链式结构需要保留链架构节能的特色，并利用阶层式加上多条链路来减少无线传感网络延迟，并计算各条链的长度，利用完成时间的不同再争取更多的时间，并利用额外加上链接头，把汇集节点保持在链架构的中间来固定各条链路的完成时间，让各节点的排程更容易且远程使用者更容易掌握整体无线传感网络的资料采集时间，下面是已有的多链架构设计如图1。

2.1 链结构传输研究

链架构的主要特点是将网络节点串链接成一条链路，使得网络的传感节点进行数据传输是在相邻的节点间进行，所以这样消耗的能量较少。数据传输的方向是从链路的一端向另一端进行传输，或者是两端向内依次进行数据传输，最后传输到总节点。这样的数据传输问题可以将他们总结为NP-Hard 的问题，所以现有的链架构建立链路很多采用了Heuristic 的方法。比如S.Lindsey 等人所提出的PEGASIS 数据采集机制，他们将网络中所有的传感节点串联成一条链，形成方法是每个节点具备自己地址的信息并拥有整个网络的资料(global knowledge)，利用greedy 的算法，由距离总结点最远的节点开始寻找距离它得邻节点并加入到链架构中，一直持续到所有的点都在链架构中为止[8]。李燕君，王智，等进行了无线传感器网络的链路分析与建模研究，分析了无线链路的各种非理想特性，包括时空特性，不规则连接单元和链路不对称性等。通过解析和实验分析相结合的方法对信道和链路质量进行了建模，该模型可以应用于改善仿真工具中的物理层和链路层模型，帮助我们更好地理解上层协议的性能[9]。李方敏，刘新华等进行了无线传感器网络的链路稳定成簇与功率控制算法研究，他们发现MAC 层和网络层的能耗是影响系统能量有效性的关键，因此可以将这两层结合起来考虑，从网络跨层优化的角度来分析其能耗。针对现有典型成簇算法理论前提条件多，无法适应网络动态变化，不易在实际环境中实现的不足，结合功率控制理论及算法，基于跨层优化的策略提出了一种易于实现，能动态适应网络变化,能量有效的链路稳定成簇算法。

2.2 链结构分层架构设计

当大量的感测装置被放入感测环境之中，我们以距离基地台最接近的节点作为建立整个链架构的起始点，因为我们的方法会将链架构再分成多个sub chain，透过距距离总结点最近的sub chain，由sub chain 上的节点轮流把资料回传至总结点，所以我们以距离总结点最近的节点开始整条链架构的建立，让链架构的第一条sub chain能较靠近总结点。在此我们利用greedy 的方式建立链架构，由距离总结点最近的节点寻找目前不在链架构上且与其距离最短的节点加入链架构，而新加入的节点也依此方式寻找下一节点加入。

如果无线传感网络节点的数量很多时候，我们可使用分层的机制对传感节点进行划分链路群，然后在对不同链路群进行不等长的链路设计，使其在此基础上进行数据传输。具体设计思路如下：先把整个网络中的n 个节点分成l 个链路群，每一群在分成 k 段子链路(l 和k 皆为奇数)，其分各群的大小方式为：，例如有117 个传感节点，可分成3 个链路群，每一群再分成 3 条子链路，传感节点数量分别为21、39 及57。

3 总结

在链路建立的算法及架构是影响其效率的重要因素，所以本文在考虑链路建立时候对其进行分层设计，考虑其多链路及多层链路节点间的延时。由于无线传感网络节点需要将数据资料进行采集传输，能耗与分链数目形成正比关系，所以需要考虑其分层链路间的数据传输结构。