緩存輔助的傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸方法研究

譚廣龍

(桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004)

當(dāng)今，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器類型通信等新興信息通信技術(shù)的飛速發(fā)展使得數(shù)據(jù)流量爆炸式增長(zhǎng)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型高度復(fù)雜化，信息社會(huì)進(jìn)入了網(wǎng)絡(luò)化的大數(shù)據(jù)時(shí)代。宏觀上大數(shù)據(jù)是指海量的數(shù)據(jù)；從微觀上定義，大數(shù)據(jù)是指需要通過(guò)快速獲取、處理、分析以從中提取有價(jià)值的海量、多樣化的交易數(shù)據(jù)、交互數(shù)據(jù)與傳感數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)，其主要特征包括：海量、類型繁多、增長(zhǎng)迅速、價(jià)值巨大等。隨著智能手機(jī)、平板電腦等智能化終端的快速普及，移動(dòng)數(shù)據(jù)流量和信令呈非線性指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，將逐漸成為大數(shù)據(jù)的主體，這對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)與發(fā)展會(huì)產(chǎn)生重要的影響。

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)作為采集大數(shù)據(jù)的重要來(lái)源，是由大量具有采集、計(jì)算、數(shù)據(jù)加工和無(wú)線處理功能的低能耗、低成本傳感器節(jié)點(diǎn)組成的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)體系。在部署了無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)的環(huán)境中，節(jié)點(diǎn)能快速地完成信息的采集和加工，處理后的信息通過(guò)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)接脩艚K端。為了傳輸數(shù)據(jù)量更大的大數(shù)據(jù)，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量便成為了研究的熱點(diǎn)。隨著研究人員對(duì)提高速率這一問(wèn)題的深入，節(jié)點(diǎn)能量有限、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化等問(wèn)題也隨之凸顯。

由于單個(gè)節(jié)點(diǎn)處理數(shù)據(jù)能力有限，可能會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)堆積問(wèn)題，造成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸擁堵、有用的數(shù)據(jù)丟失，影響通信質(zhì)量，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)必須具有緩存輔助的功能。緩存輔助中繼技術(shù)的提出打破了原有固化中繼傳輸?shù)臋C(jī)制，給予了節(jié)點(diǎn)一定的存儲(chǔ)與緩沖空間，使得中繼可以不再遵循一收一發(fā)的固定傳輸模式，而是讓中繼在收、發(fā)信息的同時(shí)擁有了更多的自由，可以根據(jù)同一時(shí)隙不同鏈路信道狀況的好壞決定中繼接收或發(fā)送信息，相比傳統(tǒng)的中繼系統(tǒng)會(huì)取得更高的吞吐量及分集增益。因此，節(jié)點(diǎn)帶有緩存輔助的功能就顯得尤為重要。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸受到了國(guó)內(nèi)外科學(xué)工作者的廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)[1-2]提出了幾種數(shù)據(jù)融合策略，對(duì)監(jiān)測(cè)值相同的節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行融合，從而使無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信量降低約40%。文獻(xiàn)[3]的GLIDER算法，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)中均勻分布的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)輔助完成地理路由,這種通過(guò)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)建立全局拓?fù)涞姆椒ㄓ行У仄胶饬素?fù)載，節(jié)省了開(kāi)銷。文獻(xiàn)[4]考慮傳感器節(jié)點(diǎn)的空間信道特性，根據(jù)接收機(jī)測(cè)量的數(shù)據(jù)包差錯(cuò)率，提出一種選擇性數(shù)據(jù)傳輸方法。文獻(xiàn)[5]提出了延遲容忍傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于移動(dòng)協(xié)助的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)傳輸算法，在傳輸成功率和網(wǎng)絡(luò)壽命方面具有更好的性能。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外少數(shù)學(xué)者研究了大數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)。文獻(xiàn)[6]提出一種節(jié)點(diǎn)密集部署傳感器網(wǎng)絡(luò)中大數(shù)據(jù)收集的移動(dòng)融合中心路由協(xié)議；文獻(xiàn)[7]綜述了管控?zé)o線網(wǎng)絡(luò)中大數(shù)據(jù)流量的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和信號(hào)處理技術(shù)，建立了大數(shù)據(jù)意識(shí)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。在緩存輔助中繼的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中研究方面，文獻(xiàn)[8]將隊(duì)列緩存的方法運(yùn)用到緩存輔助的鏈路選擇中，設(shè)計(jì)出一種新的功率控制方案，提升了系統(tǒng)的吞吐量；文獻(xiàn)[9]提出了一種緩存輔助中繼通信鏈路選擇方案，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)多項(xiàng)增益的最大化；文獻(xiàn)[10]比較了三節(jié)點(diǎn)的緩存輔助中繼系統(tǒng)中全雙工通信與半雙工通信的吞吐量，發(fā)現(xiàn)半雙工通信的效果要優(yōu)于全雙工通信；文獻(xiàn)[11-12]根據(jù)緩存輔助中繼系統(tǒng)有延遲約束的情況和無(wú)延遲約束的情況提出了2種不同的協(xié)議，提升了2種不同情況下系統(tǒng)的吞吐量。

鑒于此，采用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中基于緩存輔助中繼的大數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，通過(guò)將大數(shù)據(jù)的重要參數(shù)和節(jié)點(diǎn)的緩存容量相結(jié)合來(lái)控制節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，提高無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，使其能夠傳輸量值更大的大數(shù)據(jù)，同時(shí)提高無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中大數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰啃省?/p>

1 系統(tǒng)模型和問(wèn)題描述

1.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型

傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在一定的區(qū)域內(nèi)，節(jié)點(diǎn)本身帶有一定電量和存儲(chǔ)能力，可以根據(jù)一定信息控制自身的發(fā)射功率。每個(gè)節(jié)點(diǎn)將采集的信息源源不斷地發(fā)送到所在簇的簇首節(jié)點(diǎn)，再由簇首節(jié)點(diǎn)將信息匯總后發(fā)送到sink節(jié)點(diǎn)。具體的網(wǎng)絡(luò)圖如1所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型

在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)每個(gè)簇的單個(gè)節(jié)點(diǎn)將自身的信息傳輸?shù)酱厥坠?jié)點(diǎn)時(shí)，簇首節(jié)點(diǎn)接收到的信息量非常巨大，若節(jié)點(diǎn)本身的存儲(chǔ)量較小，可能會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)堆積問(wèn)題，造成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸擁堵、有用的數(shù)據(jù)丟失，影響通信質(zhì)量?；谛诺罓顟B(tài)信息和節(jié)點(diǎn)的緩存容量，對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)簇內(nèi)帶有緩存輔助的三節(jié)點(diǎn)小簇進(jìn)行研究，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的通信模型如圖2所示。

圖2 簇內(nèi)緩存輔助系統(tǒng)模型

圖2中S為源節(jié)點(diǎn)，R為中繼節(jié)點(diǎn)，D為目的節(jié)點(diǎn)，中繼節(jié)點(diǎn)帶有緩存輔助功能，用來(lái)輔助源節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)。假設(shè)系統(tǒng)用半雙工的方式進(jìn)行通信，源節(jié)點(diǎn)可以源源不斷地采集數(shù)據(jù)，且源節(jié)點(diǎn)S與目的節(jié)點(diǎn)D不能直接進(jìn)行通信。通信過(guò)程分為2個(gè)階段：1)時(shí)隙源節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送到中繼節(jié)點(diǎn)；2)中繼節(jié)點(diǎn)將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)。

1.2 問(wèn)題描述

根據(jù)圖2，假設(shè)通信階段分為N個(gè)時(shí)隙，那么源節(jié)點(diǎn)S在第i個(gè)時(shí)隙的信息傳遞速率：

S(i)=log2(1+s(i))。

(1)

中繼節(jié)點(diǎn)在第i個(gè)時(shí)隙所擁有的信息量：

Q(i)=Q(i-1)+S(i)。

(2)

中繼節(jié)點(diǎn)的信息傳遞速率：

R(i)=min(log2(1+r(i)),Q(i-1))。

(3)

中繼節(jié)點(diǎn)在第i個(gè)時(shí)隙末所擁有的信息量：

H(i)=H(i-1)-R(i)。

(4)

由式(3)可知，H(i)始終是非負(fù)的。因?yàn)橄到y(tǒng)采用半雙工的通信方式，所以當(dāng)源節(jié)點(diǎn)傳輸時(shí)，令中繼節(jié)點(diǎn)的信息傳遞速率為0，當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)傳輸時(shí)，令源節(jié)點(diǎn)的信息傳遞速率為0，則這N個(gè)時(shí)隙系統(tǒng)平均的吞吐量：

(5)

傳統(tǒng)的無(wú)緩存輔助系統(tǒng)的中繼節(jié)點(diǎn)在接收到源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)后由于無(wú)緩存，會(huì)立即在下一時(shí)隙將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)出去，假設(shè)在奇數(shù)時(shí)隙源節(jié)點(diǎn)向中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，在偶數(shù)時(shí)隙中繼節(jié)點(diǎn)向目的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，那么無(wú)緩存輔助系統(tǒng)下的N個(gè)時(shí)隙的平均吞吐量為：

r(2i))]}。

(6)

有緩存輔助的系統(tǒng)的中繼節(jié)點(diǎn)在接收到源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)后可以不用立即發(fā)出，而是先將信息存儲(chǔ)起來(lái)，等到中繼節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)的信道狀態(tài)較好時(shí)再發(fā)出。假設(shè)緩存輔助系統(tǒng)中繼節(jié)點(diǎn)的緩存容量無(wú)限大，則通信分為2個(gè)階段，即第一階段源節(jié)點(diǎn)一直向中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，第二階段中繼節(jié)點(diǎn)一直向目的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，這種情況下系統(tǒng)N個(gè)時(shí)隙的平均吞吐量為：

(7)

由式(6)、(7)可知，τ≤τ2，表明有緩存輔助的系統(tǒng)既可防止通信擁堵，還能提升系統(tǒng)的吞吐量，所以傳感器節(jié)點(diǎn)帶有緩存輔助的功能十分必要。

但是，傳統(tǒng)的緩存輔助系統(tǒng)只是假設(shè)中繼節(jié)點(diǎn)的緩存容量無(wú)限大，實(shí)際情況并非如此，且源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的信道狀態(tài)也并非一直完好。當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的信道狀態(tài)較差而源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)的信道狀態(tài)一直良好時(shí)，源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)的通信達(dá)到中繼節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)極限后，依然會(huì)造成通信擁堵，引起系統(tǒng)中斷或有用信息的丟失。為此，設(shè)計(jì)一種新的算法來(lái)規(guī)避此種情況。

2 算法設(shè)計(jì)

假設(shè)源節(jié)點(diǎn)與中繼節(jié)點(diǎn)的信道狀態(tài)一直良好，而中繼節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)的信道狀態(tài)由于種種原因不理想，將系統(tǒng)的通信過(guò)程分為4個(gè)階段：第1個(gè)階段，由于源節(jié)點(diǎn)與中繼節(jié)點(diǎn)的通信狀態(tài)較好，一直讓源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，直至達(dá)到中繼節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)上限；第2個(gè)階段，由于中繼節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)的信道狀態(tài)不是很理想，為了降低能耗，讓中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)一定量的數(shù)據(jù)到目的節(jié)點(diǎn)；第3個(gè)階段，源節(jié)點(diǎn)繼續(xù)向中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，直到中繼節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)上限；第4個(gè)階段，中繼節(jié)點(diǎn)將所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)全部發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)。通信過(guò)程如表1所示。

表1 通信過(guò)程

若在通信過(guò)程中增加多余的階段，只會(huì)使系統(tǒng)總的吞吐量減小，故為了使吞吐量較大，將算法只劃分4個(gè)通信階段。假設(shè)中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)由于信道狀態(tài)不好，信息傳遞速率只能變?yōu)樵垂?jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)信息傳遞速率的1/x，第1～4階段共有N個(gè)時(shí)隙，中繼節(jié)點(diǎn)的緩存容量為L(zhǎng)，中繼節(jié)點(diǎn)第2階段轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)量為M，將以上參數(shù)整合到通信過(guò)程，可以得出：

第1階段時(shí)間為

第2階段時(shí)間為

第3階段時(shí)間為

第4階段時(shí)間為

根據(jù)式(6)、(7)，可求得該算法下的系統(tǒng)平均吞吐量為

系統(tǒng)的總功耗P等于節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率與通信時(shí)間的乘積，但由于第1階段與第4階段始終都是發(fā)送定量的L的數(shù)據(jù)量，為了計(jì)算方便，在求總功耗時(shí)只需求得第2、3階段發(fā)送M數(shù)據(jù)量的功耗，則系統(tǒng)的功耗P可表示為

(9)

其中：pR為中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率；pS為源節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率。

3 系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析

采用Matlab軟件完成了系統(tǒng)模型的仿真。對(duì)系統(tǒng)的吞吐量以及功耗進(jìn)行仿真后的結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 系統(tǒng)平均吞吐量

圖4 系統(tǒng)總功耗

從圖3可看出，在中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)量一定的條件下，節(jié)點(diǎn)的緩存容量越大，系統(tǒng)的平均吞吐量越小，且系統(tǒng)平均吞吐量收斂得越緩慢；在節(jié)點(diǎn)的緩存容量一定的條件下，中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)量越多，系統(tǒng)的平均吞吐量越大，但這種增長(zhǎng)趨勢(shì)并非一直增加得很快，當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)量達(dá)到收斂點(diǎn)25 kbit后，增長(zhǎng)速度開(kāi)始放緩。

從圖4可看出，在中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)量一定的情況下，節(jié)點(diǎn)的緩存容量越大，系統(tǒng)的總功耗越大，節(jié)點(diǎn)的緩存容量越小，系統(tǒng)的功耗增長(zhǎng)越緩慢，且峰值較??；在節(jié)點(diǎn)的緩存容量一定的情況下，中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)量越多，系統(tǒng)的總功耗越大，但在轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)量超過(guò)收斂點(diǎn)30 kbit后，系統(tǒng)的總功耗增長(zhǎng)變緩。

綜合圖3、圖4可知，為了使系統(tǒng)的吞吐量和總功耗均達(dá)到較為理想的狀態(tài)，可以選擇緩存容量較小的節(jié)點(diǎn)，這樣既可以防止通信擁堵，又可以在一定程度上增加系統(tǒng)的吞吐量；同時(shí)控制中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)量在圖3和圖4的收斂點(diǎn)附近，可以使系統(tǒng)的吞吐量較大，且功耗處于一個(gè)平穩(wěn)的狀態(tài)。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)的通信方式可能引起數(shù)據(jù)堆積，造成有用數(shù)據(jù)丟失，系統(tǒng)中斷的情況，選擇帶有緩存輔助功能的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行研究，由于以往對(duì)于緩存輔助系統(tǒng)的研究只是針對(duì)節(jié)點(diǎn)緩存容量無(wú)限的情形，考慮更加普遍的情況進(jìn)行研究，通過(guò)設(shè)計(jì)算法進(jìn)行仿真發(fā)現(xiàn)，當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)第2階段轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)量為25→30 kbit且節(jié)點(diǎn)的緩存容量為100 MB時(shí)，系統(tǒng)的平均吞吐量較大，且能耗較為理想。