高效連接的低時(shí)延WSN研究

辛強(qiáng)偉 唐云凱

摘要：實(shí)時(shí)系統(tǒng)的時(shí)延需要盡可能低，有些系統(tǒng)以無(wú)線(xiàn)通信為主，這對(duì)于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的通信效率和時(shí)延有嚴(yán)格要求。過(guò)多的跳數(shù)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)通信效率和時(shí)延都是不利的。本文運(yùn)用基于度的骨干網(wǎng)來(lái)減少WSN通信跳數(shù)。通過(guò)連通狀況來(lái)探討網(wǎng)絡(luò)平均跳數(shù)和連通率之間的關(guān)系，揭示了在隨機(jī)部署時(shí)隨著傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增大會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)階段：第一個(gè)階段是當(dāng)連通率尚未達(dá)到全面連通時(shí)，增加節(jié)點(diǎn)數(shù)目會(huì)使平均跳數(shù)增大;第二個(gè)階段是當(dāng)連通率達(dá)到全面連通后，增加節(jié)點(diǎn)數(shù)目會(huì)使平均跳數(shù)減小。

關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò);時(shí)延;連接

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）09-0051-01

0 引言

節(jié)點(diǎn)間的高效連接對(duì)于WSN的生存周期和數(shù)據(jù)傳輸速度具有重要意義。由于節(jié)點(diǎn)通信距離的限制，往往需要以多跳的方式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，而轉(zhuǎn)發(fā)可能會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失和增大時(shí)延。此外，多次轉(zhuǎn)發(fā)累計(jì)消耗的時(shí)間不容忽視，特別是對(duì)于實(shí)時(shí)系統(tǒng)。過(guò)多的跳數(shù)可以導(dǎo)致無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)丟包率上升和時(shí)延增大，這在大規(guī)模無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中尤為明顯。減少轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)可以使大規(guī)模無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)具有高效的連接[1]。

高效連接的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具備的特點(diǎn)是可以較快地實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)連通，將所有部署的節(jié)點(diǎn)都納入覆蓋區(qū)域之內(nèi)，并且具有較小的平均跳數(shù)和最大跳數(shù)。跳數(shù)的增加除了會(huì)增大時(shí)延，丟包率也會(huì)呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，減少無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的跳數(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)高效連接和降低時(shí)延很重要。低時(shí)延是現(xiàn)代通信技術(shù)的一個(gè)重要追求，比如5G技術(shù)[2，3]。本文研究通過(guò)減少網(wǎng)絡(luò)中的跳數(shù)提高網(wǎng)絡(luò)通信效率和降低時(shí)延。

1 基于度構(gòu)建骨干網(wǎng)及相關(guān)分析

跳數(shù)和度都是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的重要指標(biāo)，跳數(shù)與度之間存在的關(guān)系是網(wǎng)絡(luò)的平均度越大，則網(wǎng)絡(luò)的跳數(shù)可能越小。一個(gè)節(jié)點(diǎn)的度越大表示這個(gè)節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)越多，那么該節(jié)點(diǎn)可以直接通信的節(jié)點(diǎn)越多。本文基于度構(gòu)建骨干網(wǎng)，通過(guò)該方法旨在實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)高效連接和降低時(shí)延，具體步驟如下：

第一步，依次選取度最大的節(jié)點(diǎn)，直到所選節(jié)點(diǎn)足以覆蓋所有節(jié)點(diǎn);

第二步，將所選取節(jié)點(diǎn)之間的連接點(diǎn)納入骨干網(wǎng)中;

第三步，優(yōu)化骨干網(wǎng)，在不影響覆蓋和連通的前提下，去除其中可以去除的節(jié)點(diǎn)。

為驗(yàn)證基于度構(gòu)建骨干網(wǎng)方法，本文模擬100個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署于200×200的平面上，節(jié)點(diǎn)通信半徑統(tǒng)一都設(shè)置為40，每次在平面區(qū)間上部署10個(gè)節(jié)點(diǎn)，分10次完成100個(gè)節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)部署。在部署過(guò)程中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)密度偏低時(shí)，會(huì)有一些節(jié)點(diǎn)處于孤立狀態(tài)。隨著部署節(jié)點(diǎn)的增多，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的連通性逐漸加強(qiáng)。表1是基于度的骨干網(wǎng)連通狀況表，通過(guò)連通狀況來(lái)探究網(wǎng)絡(luò)平均跳數(shù)和連通率之間的關(guān)系。

分析無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信效率涉及最大跳數(shù)和平均跳數(shù)兩個(gè)概念。最大跳數(shù)可被視為最壞情況，平均跳數(shù)可被視為一般情況。設(shè)計(jì)和分析網(wǎng)絡(luò)時(shí)應(yīng)準(zhǔn)備應(yīng)對(duì)最壞情況的發(fā)生，即準(zhǔn)備最大跳數(shù)的出現(xiàn)。最大跳數(shù)隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加而增大，當(dāng)所部署節(jié)點(diǎn)的數(shù)量達(dá)到一定程度時(shí)，最大跳數(shù)逐漸穩(wěn)定。隨著部署節(jié)點(diǎn)的增多，平均跳數(shù)表現(xiàn)出小幅下降的狀況。當(dāng)節(jié)點(diǎn)密度相對(duì)稀疏時(shí)，會(huì)有一些節(jié)點(diǎn)因距離問(wèn)題而無(wú)法通信。當(dāng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)全面連通之后繼續(xù)增加節(jié)點(diǎn)，會(huì)產(chǎn)生冗余節(jié)點(diǎn)，適量的冗余節(jié)點(diǎn)對(duì)構(gòu)建高效連接的低時(shí)延無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)是有利的。

由表1可知隨著部署的節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增多會(huì)出現(xiàn)兩種狀態(tài)：第一種狀態(tài)是當(dāng)連通率小于1時(shí)，平均跳數(shù)隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加而增大;第二種狀態(tài)是當(dāng)連通率達(dá)到1后，平均跳數(shù)隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加而減小。在達(dá)到網(wǎng)絡(luò)全面連通后繼續(xù)適量增加節(jié)點(diǎn)數(shù)量會(huì)減小最大跳數(shù)和平均跳數(shù)，從而提高網(wǎng)絡(luò)通信效率、減小時(shí)延。

2 結(jié)語(yǔ)

由于當(dāng)前對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性方面要求的增多，除了進(jìn)一步研發(fā)傳輸速率更快的技術(shù)，還需要從網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的角度來(lái)探討如何減小時(shí)延和提高通信效率。本文分析了網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)和連通率之間的關(guān)系，提出基于度構(gòu)建骨干網(wǎng)以實(shí)現(xiàn)高效連接的低時(shí)延無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。基于度的骨干網(wǎng)方法可顯著減小平均跳數(shù)和最大跳數(shù)并且較快地達(dá)到全面連通，從而建立起高效通信的低時(shí)延無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于隨機(jī)部署節(jié)點(diǎn)，在全面連通前，隨著部署節(jié)點(diǎn)的增多，網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)（包括最大跳數(shù)和平均跳數(shù)）會(huì)逐步增大;當(dāng)全面連通后，隨著部署節(jié)點(diǎn)的增多，平均跳數(shù)有減小的趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

[1] 唐勇，周明天.基于極大獨(dú)立集的最小連通支配集的分布式算法[J].電子學(xué)報(bào)，2007（4）：868-874.

[2] 陳云生.5G移動(dòng)通信技術(shù)下的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代[J].信息通信，2018（4）：260-261.

[3] 賴(lài)國(guó)勝，陳博文.5G移動(dòng)通信技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].電子制作，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