無(wú)線傳感網(wǎng)中的數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度研究

連亞波　王宏敏

摘 要：隨著信息時(shí)代的逐漸來(lái)臨，物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)也越來(lái)越完善，為信息的存儲(chǔ)和傳輸提供了完善的路徑，而無(wú)線傳感網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，它的建設(shè)成為物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的關(guān)鍵。文章主要對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)中的數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度進(jìn)行研究，對(duì)于無(wú)線傳感網(wǎng)中的數(shù)據(jù)傳輸存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，希望能夠促進(jìn)無(wú)線傳感網(wǎng)中的數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度的發(fā)展，完善物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感網(wǎng)；數(shù)據(jù)收集；傳輸調(diào)度

前言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速的發(fā)展，我國(guó)人們的生活水平得到了極大的改善，計(jì)算機(jī)等電子產(chǎn)品在人們生活中的使用度也越來(lái)越高，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)基本上每個(gè)家庭中都至少擁有一臺(tái)計(jì)算機(jī)，而智能手機(jī)的普及程度更高，而計(jì)算機(jī)和智能手機(jī)通信的使用的基本條件就是無(wú)線傳感網(wǎng)中的數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度的速度足夠快，因?yàn)槿藗兪褂糜?jì)算機(jī)最基本的用處就是搜集和查閱信息，而更快的上網(wǎng)速度也是當(dāng)前人們追求的目標(biāo)，因此，建立完善的物聯(lián)網(wǎng)，提高無(wú)線傳感網(wǎng)中的數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度的速度成為當(dāng)前無(wú)線傳感網(wǎng)發(fā)展的主要方向。

1 無(wú)線傳感網(wǎng)中數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度問(wèn)題

1.1 低能耗

當(dāng)前在我國(guó)的無(wú)線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸中仍然存在許多的問(wèn)題，其中最主要的就是無(wú)線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度的設(shè)計(jì)需求與挑戰(zhàn)。數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度是對(duì)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)間表進(jìn)行規(guī)劃。在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，利用數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度，時(shí)間被劃分成多個(gè)時(shí)間槽，網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)等待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包獲得一個(gè)或多個(gè)時(shí)間槽，并在其獲得的時(shí)間槽內(nèi)由源節(jié)點(diǎn)發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)。與操作系統(tǒng)中的任務(wù)調(diào)度問(wèn)題類(lèi)似，數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度策略直接影響到網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運(yùn)行效率和服務(wù)質(zhì)量。

在設(shè)計(jì)無(wú)線傳感網(wǎng)中的數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度策略時(shí)需要考慮的最大問(wèn)題就是如何減少能源的損耗。近年來(lái)，我國(guó)由于大肆的興建工廠發(fā)展經(jīng)濟(jì)，而對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染，而且能源危機(jī)的逐漸加劇也迫使人們加大了對(duì)綠色能源的研究，以及節(jié)能環(huán)保措施的應(yīng)用，可以說(shuō)節(jié)能環(huán)保已經(jīng)成為時(shí)代發(fā)展的必然方向，而無(wú)線傳感網(wǎng)在研究時(shí)也必然會(huì)向節(jié)能環(huán)保的方向發(fā)展。無(wú)線傳感網(wǎng)能夠使物聯(lián)網(wǎng)在很大的時(shí)空規(guī)模上對(duì)物理世界實(shí)時(shí)的感知。在實(shí)際情況中，無(wú)線傳感網(wǎng)通常具有數(shù)百上千個(gè)節(jié)點(diǎn)，并且一般都部署在無(wú)人值守的環(huán)境中，由于無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的能量有限，并且給節(jié)點(diǎn)充電或者更換電池的補(bǔ)充電源的方法存在相當(dāng)大的難度或根本不具有可實(shí)施性，因此，如何降低無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗及延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命，成為無(wú)線傳感網(wǎng)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)之一。而在無(wú)線傳感網(wǎng)中造成能耗最大的就是數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中所損耗的能源，因此，如何設(shè)計(jì)無(wú)線傳感網(wǎng)中的數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度策略，對(duì)于減少無(wú)線傳感網(wǎng)使用中的能耗，減少能源的浪費(fèi)有重要的作用。

1.2 低延遲

當(dāng)前社會(huì)的發(fā)展非常迅速，而且信息的傳播速度也越來(lái)越快，人們希望在計(jì)算機(jī)上查閱信息時(shí)能夠更全、更廣、更及時(shí)，因此，具有實(shí)時(shí)性需求的應(yīng)用是物聯(lián)網(wǎng)的重要應(yīng)用。例如，對(duì)于基于無(wú)線傳感網(wǎng)的實(shí)時(shí)目標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)，需要保證傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的目標(biāo)相關(guān)數(shù)據(jù)在給定的延遲約束內(nèi)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的監(jiān)控中心，以進(jìn)行實(shí)時(shí)的目標(biāo)定位、跟蹤以及識(shí)別等操作。另外，CPS也把實(shí)時(shí)性作為其核心的設(shè)計(jì)需求，過(guò)長(zhǎng)的數(shù)據(jù)傳輸延遲不但能夠降低系統(tǒng)的性能，甚至?xí)茐目刂葡到y(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，應(yīng)該考慮如何設(shè)計(jì)有效的數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度策略以提高無(wú)線傳感網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能。但是，在實(shí)際的應(yīng)用中，無(wú)線傳感網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中造成的能耗越大就會(huì)導(dǎo)致延遲的情況越嚴(yán)重，因此，在對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度方案設(shè)計(jì)時(shí)，通常要將數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的能耗和數(shù)據(jù)延遲進(jìn)行平衡，數(shù)據(jù)的傳輸速度的不同，所消耗的能源也不同，速度越大，所需要消耗的能源也越多，只有使能耗和傳輸速度保持平衡才能夠更好的提高數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。

在降低無(wú)線傳感網(wǎng)中的數(shù)據(jù)傳輸延遲時(shí)除了要保持能耗和傳輸速度的平衡外，還可以在復(fù)雜無(wú)線傳輸沖突環(huán)境下使用高時(shí)間復(fù)用度的數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度。而高時(shí)間復(fù)用度的數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度的主要應(yīng)用原理是在避免無(wú)線沖突的條件下使盡可能多的節(jié)點(diǎn)同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，然而，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，節(jié)點(diǎn)間的無(wú)線傳輸沖突情況變得極為復(fù)雜，因此，在復(fù)雜無(wú)線傳輸沖突環(huán)境下提高數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度的時(shí)間復(fù)用度也是一個(gè)重要挑戰(zhàn)。

2 基于優(yōu)選轉(zhuǎn)發(fā)的多跳可靠傳輸方案

2.1 基本思路

基于優(yōu)選轉(zhuǎn)發(fā)的多跳可靠傳輸方案是當(dāng)前在無(wú)線傳感網(wǎng)中的數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度中使用的較為常見(jiàn)的一種方案，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，傳輸距離、多徑衰落和信號(hào)干擾等因素都會(huì)降低包的成功接收率。已有研究給出如下結(jié)論：在噪聲功率一定和數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度一定的情況下，距離發(fā)送節(jié)點(diǎn)越近的節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)的功率越強(qiáng)，信噪比越大，包成功接收率就越高?？紤]到各種負(fù)面因素的影響，包成功接收率并不完全隨距離的增加而減小，它也具有一定的突發(fā)性。而根據(jù)該研究結(jié)果可知，如果在數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度的過(guò)程中一味的追求高成功接受率，那么勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致大量的能源被消耗和浪費(fèi)，以及大量的網(wǎng)絡(luò)資源被占用，因?yàn)?，想要提高成功接受率只要在?shù)據(jù)傳輸時(shí)選擇距離其最近的節(jié)點(diǎn)接受信息，就能夠提高信噪比，從而提高成功接受率，但是如此一來(lái)需要消耗的能源量也成倍的增加，因此，需要使用基于優(yōu)選轉(zhuǎn)發(fā)的多跳可靠傳輸方案來(lái)達(dá)到成功接受率和能耗之間的平衡，促進(jìn)無(wú)線傳感網(wǎng)的發(fā)展。

2.2 方案的制定

在制定基于優(yōu)選轉(zhuǎn)發(fā)的多跳可靠傳輸方案時(shí)，首先需要假設(shè)監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)的全部網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的分布符合均勻分布，由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的分布基本上都是不均勻的，而不均勻的分布情況不利于方案的制定，而且，不能夠查出所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的所在位置，只能夠通過(guò)假設(shè)一種理想的狀態(tài)對(duì)其進(jìn)行測(cè)算，因此，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布均勻是非常必要的。其次還要確定理想點(diǎn)，理想點(diǎn)的選取是為了綜合考慮通信可靠性和能耗問(wèn)題，將轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域限制為以理想點(diǎn)為圓心的圓形區(qū)域內(nèi)，只有在轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)才能獲得轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的權(quán)限，在選取理想點(diǎn)都就需要對(duì)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的能耗以及節(jié)點(diǎn)的數(shù)量等進(jìn)行計(jì)算，從而根據(jù)所得出的結(jié)果制定最適合的方案。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)中的數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度進(jìn)行研究，能夠有效的較少在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的能耗，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，促進(jìn)無(wú)線傳感網(wǎng)的迅速的發(fā)展。

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