無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于雙網(wǎng)的通訊鏈路管理技術(shù)

□ 王 鶴

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已應(yīng)用到環(huán)境、交通、醫(yī)療等各個領(lǐng)域，它是一種包括微系統(tǒng)技術(shù)、傳感技術(shù)、無線通信和數(shù)字電路的先進(jìn)技術(shù)。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中要求實時性保持第一位，這樣無線傳感器的穩(wěn)定性就會受到干擾。如何保證實時性和穩(wěn)定性平衡發(fā)展，共同優(yōu)化，本文就此問題進(jìn)行深入探討。

一、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是指傳感器中的節(jié)點(diǎn)大量移動或靜止，以構(gòu)成多路的無線網(wǎng)絡(luò)，并將傳感器、觀察者和感知對象聯(lián)結(jié)起來，以實現(xiàn)無線傳感功能。

(一)無線傳感器的特點(diǎn)。其特點(diǎn)表現(xiàn)在:一是無線傳感器中各個節(jié)點(diǎn)的生命期較長，而能量的維持需要電池，如何保證能量的持續(xù)使用是傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個重要前提。資源是有限的，而且無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的路由算法協(xié)議的復(fù)雜性，對能量的消耗產(chǎn)生極大影響。不僅如此，無線傳感器的各個節(jié)點(diǎn)都有一定量的儲存和計算能力，這就要求不斷精簡算法協(xié)議;二是無線傳感器的各個節(jié)點(diǎn)具有很強(qiáng)的靈活性，通過各類信息協(xié)議和模式，可自發(fā)組織成網(wǎng)絡(luò)。一是各節(jié)點(diǎn)的通訊距離受限，所以遠(yuǎn)距離的節(jié)點(diǎn)必須以傳遞的方式交流信息，通過中間的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由，是一個多跳的無線傳感網(wǎng)絡(luò);二是由于網(wǎng)絡(luò)中的傳感器和觀察者、感知對象三者都是可變的，所以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有動態(tài)性。除此之外，舊節(jié)點(diǎn)的無作用與新節(jié)點(diǎn)的加入都會改變網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，這就要求無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，能夠靈活適應(yīng)這些變化;三是通常情況下，大量的節(jié)點(diǎn)處于傳感器中可以獲取更加準(zhǔn)確的信息，在一個無線網(wǎng)絡(luò)的傳感器中，節(jié)點(diǎn)的數(shù)量是不可估計的。因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有大規(guī)模性，主要表現(xiàn)在兩個方面:一是高密度分布，二是低密度分布。

(二)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù)。具體技術(shù)包含:一是實現(xiàn)多跳的傳輸網(wǎng)路，連接各個節(jié)點(diǎn)，是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的主要功能。路由協(xié)議能夠有效控制通信過程，同時對傳感器節(jié)點(diǎn)的工作方式有很大的作用。二是若要提高路由協(xié)議或提升鏈路層的工作效率，離不開網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它能夠促進(jìn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的平衡性，為進(jìn)一步的定位、同步和融合打下基礎(chǔ)。三是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在運(yùn)行過程中易出現(xiàn)數(shù)據(jù)冗雜現(xiàn)象，數(shù)據(jù)融合技術(shù)能夠很好地解決這一問題，提高信息的正確率，減少網(wǎng)絡(luò)流量的使用，合理有效地對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。四是時間同步是實現(xiàn)各個節(jié)點(diǎn)共同工作的重要技術(shù)。五是在無線傳感器中工作的各個節(jié)點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確定位自己的位置，是節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)。該技術(shù)能夠有組織、有效率地完成分布式計算，大大提高實時性。

二、雙網(wǎng)技術(shù)

雙網(wǎng)技術(shù)是無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的一種新型網(wǎng)絡(luò)劃分技術(shù)。由于目前的無線傳感器通訊網(wǎng)絡(luò)不能按照各類需求分劃網(wǎng)絡(luò)，致使信息冗雜現(xiàn)象非常嚴(yán)重。但在雙網(wǎng)技術(shù)中，有效利用時間和能量最小化的優(yōu)勢，很好地將時間和能量進(jìn)行平衡調(diào)節(jié)。

(一)雙網(wǎng)技術(shù)的提出。為了解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中能量消耗的問題，根據(jù)adhoc網(wǎng)絡(luò)中SMECN、MECN的設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量最小化，與此同時還要保證在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。根據(jù)這一理論基礎(chǔ)，雙網(wǎng)技術(shù)模式被提出。這一模式要在滿足網(wǎng)絡(luò)傳輸即時性的前提下實現(xiàn)能源的節(jié)制，該模式有效對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行劃分，包括能量有效的通訊子網(wǎng)和時間有效的通訊子網(wǎng)。這兩個針對節(jié)省能量和節(jié)省時間的設(shè)計，很好地解決了時間和能量之間的平衡問題。

(二)網(wǎng)絡(luò)假設(shè)。為了對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有一個更加透徹的了解，本文作出一些假設(shè):一是在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中假設(shè)所有節(jié)點(diǎn)相對靜止，并具有良好的穩(wěn)定性，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也具有強(qiáng)健性。二是假設(shè)在傳感器的感知區(qū)域中每一個節(jié)點(diǎn)都有廣泛的分布范圍，并且隨機(jī)分布，各個無線傳感器之間擁有良好的連通性。三是假設(shè)存在于網(wǎng)絡(luò)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每一個節(jié)點(diǎn)都明確知道自己所在的位置坐標(biāo)，以及相鄰節(jié)點(diǎn)的信息。四是假設(shè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每一個節(jié)點(diǎn)都要具有穩(wěn)定性，能夠靈活根據(jù)通訊距離調(diào)節(jié)自身，并滿足標(biāo)準(zhǔn)的能量模式。

(三)構(gòu)建雙網(wǎng)。本文中提到的設(shè)計原理可以構(gòu)建一個delaunay三角網(wǎng)式的雙網(wǎng)模式。這一模式是一種普遍的網(wǎng)絡(luò)劃分方法，它具有三個性質(zhì):空外接圓特性，最小角最大以及唯一性。依據(jù)三角網(wǎng)的特性運(yùn)用EECN方法所構(gòu)建的三角網(wǎng)結(jié)構(gòu)，能夠構(gòu)建出具有最小能量的雙網(wǎng)。若無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分布較為均勻，且構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)形狀和正三角形相似，節(jié)點(diǎn)之間的跳數(shù)變少，就可以實現(xiàn)能量的最小化。雙網(wǎng)構(gòu)建的基礎(chǔ)是將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的通訊鏈路按照特有的屬性進(jìn)行劃分，有一種Delaunay三角網(wǎng)通訊鏈路分組方式。運(yùn)用這種方式時只需局部信息便可以進(jìn)行搜集整理，而且能夠有效分辨各通訊鏈路的信息。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，運(yùn)用Delaunay三角網(wǎng)通訊鏈路的分組方法，能夠提高效率，節(jié)省能量和時間。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中有著數(shù)以萬計的節(jié)點(diǎn)，為了更好地實現(xiàn)分組，疏通通訊鏈路的情況，可將分組階段分為四個:第一，鏈路信息的創(chuàng)建階段;第二，通訊三角形自身的檢驗階段;第三，通訊三角形網(wǎng)絡(luò)的驗證階段;第四，確定能量有效通訊三角形階段。

三、雙網(wǎng)中的通訊鏈路管理技術(shù)

一個良好的通訊網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)最小能量和最短時間的平衡。EECN和TECN在邏輯上屬于兩個子網(wǎng)，但在現(xiàn)實中這種劃分是不存在的。觸發(fā)式通訊鏈路管理能夠很好地對基于雙網(wǎng)的通訊鏈路進(jìn)行分析。要保證雙網(wǎng)時間和能量的最小化，需要采取構(gòu)建最小跳數(shù)的方法。在本文的研究中，通過對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在邏輯上的劃分，成為EECN和TECN兩個子網(wǎng)，實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點(diǎn)都可以自主地存在于某一個網(wǎng)絡(luò)中。每個節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中存在的路由方式是不同的，因此選擇省時和省能的路由方式能夠更靈活地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的新變化。

無論是TECN網(wǎng)絡(luò)還是EECN網(wǎng)絡(luò)，在構(gòu)建的過程中都能夠運(yùn)用多種構(gòu)建方式，并通過構(gòu)建不同的路由方式以達(dá)到最短跳數(shù)。在EECN網(wǎng)絡(luò)中，若選擇最短跳數(shù)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，就應(yīng)選擇較短距離的通訊鏈路，這樣不僅能夠節(jié)省網(wǎng)絡(luò)時間，而且可以有效節(jié)約能源，避免能源資源的浪費(fèi)。通過對比，TECN通信網(wǎng)絡(luò)明顯比EECN通信網(wǎng)絡(luò)更具有優(yōu)勢，TECN通訊網(wǎng)絡(luò)及其路由鏈路無論是在節(jié)時還是節(jié)能上，都得到明顯的效果。

四、結(jié)語

無論是在環(huán)境、醫(yī)療、軍事還是日常生活中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。運(yùn)用范圍的廣度決定了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)必須同時具備實時性和穩(wěn)定性，以保證安全或避免出現(xiàn)不必要的失誤。除此之外，能量問題始終是亟需解決的問題，不僅要節(jié)省能量消耗，而且要找到新的能源供給方式以提升網(wǎng)路的生命期限。本文所提出的能量和時間的最小化，就是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于雙網(wǎng)的通訊鏈路的管理，很好地解決實時性和穩(wěn)定性之間的問題，使路由計算協(xié)議也得以簡化，使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)得到更廣泛的應(yīng)用。

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