蔣暢江 王達

摘要：該文在無線傳感器網(wǎng)絡分簇路由的基礎上，提出了一種基于補償機制的可靠數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議PCI，該協(xié)議可以實現(xiàn)高效、及時、可靠的數(shù)據(jù)收集和傳輸。PCI主要包括三個重要部分：1）可靠性概率計算機制；2）消息分類機制；3）智能均衡機制。通過調用這三種機制，PCI協(xié)議可以減少冗余信息以提高傳輸性能，并且可以補償信息發(fā)送量的不足以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。通過仿真可以發(fā)現(xiàn)，PCI協(xié)議比LEACH和ECDG有著更快的數(shù)據(jù)采集速率并且使整個網(wǎng)絡具有更好的穩(wěn)定性。

關鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡；可靠性；可靠數(shù)據(jù)傳輸

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）06-1178-05

無線傳感器網(wǎng)絡經(jīng)歷了快速的發(fā)展，特別是針對一些危險的環(huán)境的監(jiān)控，推出了許多應用。無線傳感器網(wǎng)絡可以在戰(zhàn)場上、受災地區(qū)和有毒區(qū)域密集的部署，用以處理各種突發(fā)事件，實現(xiàn)對類似戰(zhàn)場、火山噴發(fā)等狀況的監(jiān)控甚至對類似核泄漏事件的監(jiān)測[1]。這些極具顛覆性且壽命較短的應用需要即時可靠的收集傳感數(shù)據(jù)，因為這些應用的主要特點是：1） 具有突發(fā)性；2） 短期內沒有人工干預使得其難以及時的收集所需的信息。

在一些具有破壞性的環(huán)境中，任何情況的發(fā)生都有可能造成傳感器節(jié)點的突然死亡，于是，實現(xiàn)快速和準確的消息傳輸成為了一個無線傳感器網(wǎng)絡可靠性和服務質量的重要方面。因此，在一些節(jié)點失效的情況下，需要一種機制來保證足夠的信息收集。換句話說，這種機制需要有一定的容錯率，確保網(wǎng)絡中出現(xiàn)一個或者一些節(jié)點死亡的情況時并不會影響到整個傳感器網(wǎng)絡所要執(zhí)行的任務。

以往的一些研究方法主要是通過減少數(shù)據(jù)傳輸量或者融合數(shù)據(jù)來實現(xiàn)能量高效的無線傳感器網(wǎng)絡，該文提出了一種新的、智能的機制——基于數(shù)據(jù)補償?shù)目煽啃詳?shù)據(jù)傳輸機制（PCI），該方案建立在分簇路由的基礎上，一方面用以減少不必要的、冗余的信息，另一方面通過補償信息傳輸不足來保證傳輸?shù)目煽啃?。PCI可以提高網(wǎng)絡可靠性、減少傳輸時延、使網(wǎng)絡能量得到高效利用。

1 系統(tǒng)總體設計

1.1 系統(tǒng)模型

PCI包括三個部分：可靠性概率計算模型P，消息分類機制C和智能均衡機制I?？煽啃愿怕视嬎隳Ｐ徒o出了接收方正確接受發(fā)送方發(fā)送的有效消息的可靠性概率，接著PCI可以由此計算出當前簇頭節(jié)點（CH）發(fā)送的數(shù)據(jù)包能夠被基站（BS）正確接受的概率?；诖丝煽啃愿怕手?，通過消息分類機制C，PCI可以同步實現(xiàn)對消息的分類和轉發(fā)。此外，PCI根據(jù)智能均衡機制中的補償判斷模塊決定是過濾還是補償信息。根據(jù)不同的情況，PCI調用不同的機制。我們將每單位時間內發(fā)送相同類消息的數(shù)量定義為消息的頻率。補償判斷模塊判斷消息的頻率并根據(jù)信息的飽和度來調用不同的模塊。消息的飽和度是某個閾值。當消息飽和時，智能均衡機制調用冗余過濾模塊來過濾那些具有時空相關特性的冗余信息。當消息不飽和時，智能均衡機制通過調用消息補償模塊提高消息的傳輸率，以此來保證能有足夠的有效信息能夠被基站準確的接收。

1.2 網(wǎng)絡模型

分簇的網(wǎng)絡可以有效的減少網(wǎng)絡的能耗，延長網(wǎng)絡的生命周期。LEACH協(xié)議就是一個典型的例子[2]，這種協(xié)議運用分布式算法使網(wǎng)絡中的節(jié)點自組織成簇，每個簇由簇內的簇頭節(jié)點控制，這些簇頭節(jié)點收集并融合來自其成員節(jié)點的信息，之后將這些信息轉發(fā)至基站。而ECDG協(xié)議則是在成簇階段之后，在這些均勻分布的簇頭節(jié)點中生成一個路由樹，只有作為根節(jié)點的簇頭節(jié)點才負責把自身和其他簇頭節(jié)點轉發(fā)過來的融合消息轉發(fā)至基站。與同類型的LEACH協(xié)議相比，ECDG也采用輪換選取簇頭節(jié)點的方式，不同的是，他采用在簇頭節(jié)點之間建立路由樹的方法將信息通過多跳的方式傳輸至基站，如圖1所示。

考慮到大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡的適用性，PCI協(xié)議是建立在ECDG協(xié)議[4]的基礎上提出來的，我們假設：1） 一個傳感器網(wǎng)絡是由一個基站和大量的傳感器節(jié)點組成，這些節(jié)點是自組織成簇的；2） 每個簇內的成員節(jié)點由該簇內的簇頭節(jié)點監(jiān)控，簇頭節(jié)點可以廣播消息至簇內的所有節(jié)點；3） 所有的節(jié)點在部署完畢后都是靜止不動的。4） 每個簇頭節(jié)點對于其簇內的成員節(jié)點而言，都是消息可達的。如圖1所示，簇頭節(jié)點通過單跳或者多跳的方式將數(shù)據(jù)轉發(fā)至基站。簇內的成員節(jié)點的主要功能有兩點：感知和傳輸數(shù)據(jù)。感知模塊負責監(jiān)控周圍的環(huán)境，之后采集到的數(shù)據(jù)將被傳輸至簇內的簇頭節(jié)點。

1.3 文中所用到的符號解釋

A1：接收方能夠準確接收到的有效數(shù)據(jù)量，比如：基站。

Ci：網(wǎng)絡中的第i個簇。

A2：Ci發(fā)往基站的數(shù)據(jù)量。

Hab：節(jié)點a到節(jié)點b的跳數(shù)。

Hi：簇頭節(jié)點i到基站的跳數(shù)。

P： 默認的網(wǎng)絡中傳輸錯誤的概率值[3]。

Pab：節(jié)點a和b之間傳輸?shù)臏蚀_率。

Pt：簇頭節(jié)點和基站之間傳輸?shù)臏蚀_率。

2 功能模塊的實現(xiàn)與測試

在這一節(jié)中，我們將重點介紹PCI協(xié)議的組成結構和工作原理。如圖2所示，PCI協(xié)議主要包括三個部分：1） 可靠性概率計算機制；2） 消息分類機制；3） 智能均衡機制。

圖2 PCI協(xié)議架構圖

在簇頭節(jié)點選取階段，PCI協(xié)議在簇頭節(jié)點中同步地建立起來。在簇頭節(jié)點處理消息之前，PCI首先運用概率估計算法計算出當前簇頭節(jié)點發(fā)送的有效數(shù)據(jù)被基站正確接受的概率。然后，PCI開始處理消息，這個處理過程分為兩個階段：消息分類階段和智能均衡階段。在第一個階段，PCI通過消息分類機制，同步實現(xiàn)對消息的分類和轉發(fā)；第二階段，PCI通過智能均衡機制決定是過濾還是補償信息。其中的補償判斷模塊的功能是確定消息的頻率并根據(jù)信息的飽和度來調用不同的模塊。

2.1 可靠性概率計算機制

出于無線傳感器網(wǎng)絡固有的傳輸容易出錯的特點，一般的網(wǎng)絡不能提供良好的可靠性傳輸。因此，有必要估計有效消息能被基站準確接收的概率。依據(jù)此概率值，PCI可以確定能被基站成功接受的數(shù)據(jù)量。根據(jù)ECDG協(xié)議可知，ECDG形成了多個簇，其中絕大部分的簇頭節(jié)點以多跳的方式將消息轉發(fā)至基站。其中每一跳，消息都將按照同樣的可靠性概率來轉發(fā)。

在這一節(jié)，我們提出了一種從簇頭節(jié)點到基站可靠傳輸概率的計算方法。我們假定無線傳感器網(wǎng)絡有默認的傳輸誤碼率P。為了簡化計算，我們用式子1和2來分別表示數(shù)據(jù)量和傳輸概率之間的關系以及兩個節(jié)點之間傳輸概率的關系：

[A1=A21-P] （1）

根據(jù)如上所述，我們可以得到在成簇階段每個簇頭結點到基站的跳數(shù)，這個跳數(shù)不是固定的，而是節(jié)點的空間位置決定的，我們稱之為Hi。不失一般性，我們可以根據(jù)下式得到可靠性傳輸?shù)母怕剩?/p>

[Pt=b=1Hi-1Pb，b+1] （2）

首先，可以設定默認值[pb，b+1=1-p]，因此式子2可表示為：

[Pt=1-PHi-1] （3）

為了簡化計算，根據(jù)泰勒級數(shù)理論，可靠性傳輸概率[pt≈1-pHi-1]。為了保證這個可靠性概率，我們假設Ci至少需要發(fā)送A2量的數(shù)據(jù)至基站。A1則可以由下式得到：

[A1=A2?Pt=A2b=1Hi-1Pb，b+1] （4）

因此，如果要保證作為根節(jié)點的簇頭節(jié)點至少有1bit的數(shù)據(jù)傳輸至基站，也就是當A1=1時，A2可由下式得到：

[A2=1Pt=1b=1Hi-1Pb，b+1≈11-PHi-1≈11-PHi-1] （5）

通過式子5的結果，我們可以實現(xiàn)保證至少1Byte的消息數(shù)據(jù)可以被基站成功接收。在發(fā)送了足夠數(shù)量的消息之后（比如A2的數(shù)據(jù)量），各簇頭節(jié)點會通知其成員節(jié)點暫緩發(fā)送數(shù)據(jù)，直到新的一輪開始。通過可靠性概率計算機制，PCI可以減少許多多余的消息數(shù)據(jù)的發(fā)送，因此減少了通信開銷。節(jié)點可以通過其內部的狀態(tài)表來抑制冗余消息重發(fā)。

在不同的情況下，節(jié)點可以適當?shù)恼{整這些重復消息的發(fā)送量以保證數(shù)據(jù)傳輸建立在可靠性概率的基礎之上。此外，隨著網(wǎng)絡的運行，各節(jié)點的能量逐漸的減少，傳輸錯誤的概率逐漸增加。為了解決這一問題，基站會根據(jù)其接收的消息數(shù)量來調整概率參數(shù)值。

2.2 消息分類機制

消息分類機制在消息處理之前建立，負責消息的采集和分類。一般情況下，簇頭節(jié)點內的消息數(shù)據(jù)來源主要分為三種：1）節(jié)點自己生成的消息數(shù)據(jù)；2） 來自簇內其他非簇頭節(jié)點的消息；3） 轉發(fā)來自其他簇頭節(jié)點的消息。

簇內的每個節(jié)點都有唯一的ID，這些ID均存儲在該簇的簇頭節(jié)點的成員節(jié)點ID表中，通過此表，簇頭節(jié)點可以區(qū)分不同的消息類型。為了減少網(wǎng)絡的傳輸時延和能耗，上述第三種類型的消息將被直接轉發(fā)至基站，因為這些來自其他簇頭節(jié)點的消息已經(jīng)被負責轉發(fā)他們的簇頭節(jié)點處理過了，因此，無需耗費有限的能量再去處理。對于前兩種數(shù)據(jù)，我們將提出一種合理的融合方案，這種方案可以進一步的保證網(wǎng)絡的可靠性，并且利用概率論的方法在下一個機制中實現(xiàn)數(shù)據(jù)補償。

2.3 智能均衡機制

智能均衡機制包括三個部分：1） 補償判斷模塊；2） 冗余過濾模塊；3） 消息補償模塊。

2.3.1補償判斷模塊 J

補償判斷模塊負責判斷當前狀態(tài)下是否需要進行數(shù)據(jù)補償。我們設計一個名為AList的表來保存各種最新發(fā)送的消息數(shù)據(jù)，并通過此表來區(qū)分和傳輸消息。AList表內的內容如下：< MT， Fre ，BS >。在這三項中，MT表示消息的類型，BS是一個用來表示消息飽和度狀態(tài)的布爾型變量。如果BS的值是正的，則表示此種類型的消息發(fā)送量已足夠，類似的消息數(shù)據(jù)將暫時延緩發(fā)送。然后，冗余過濾模塊將發(fā)送飽和度反饋信息至補償判斷模塊，以決定是否需要調用消息補償模塊。Fre代表某一種類型的消息數(shù)據(jù)的數(shù)量。當它超過某個值時（這個值是基于可靠性概率Pt時需要傳輸?shù)淖钚∠?shù)據(jù)量Max），我們確定此類消息數(shù)據(jù)的發(fā)送量已足夠，此時，布爾型變量的值設為正，并同時更新AList。

此外，在補償判斷模塊分類消息數(shù)據(jù)之前，需要將新接收到的消息與記錄在AList中的歷史消息進行比較。事實上，無線傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點一般具有時空相關性，我們可以假設同一簇內某一時期產生的消息數(shù)據(jù)類型是相同的，這表示在正常情況下，同一簇內某一時期產生不同類型消息的概率是非常小的。此外，AList表需要占用一小部分的內存空間，并且這個空間里存儲的內容會被不斷的更新。

簡單來說，令[D=Mi，WiM1，W1，M2，W2，...，Mn，Wn] 表示AList表中最近的消息記錄。[D]是一個根據(jù)FIFO準則設定的動態(tài)數(shù)據(jù)集合。[Mi] 代表MT，[Wi] 代表[Mi]的頻率（Fre）， [1≤i≤n]。當來自成員節(jié)點的新消息數(shù)據(jù)[Ma]到達簇頭節(jié)點時，補償判斷模塊將通過下式來驗證它。

[simMa，Mi=VMa?VMiVMa×VMi] （6）

其中，[Mi∈D] .此函數(shù)表示[Ma]和[Mi]之間的相異度。[Ma]將和數(shù)據(jù)集[D]內的數(shù)據(jù)一一比對，如果它與某個[Mi]匹配，則此函數(shù)的值并不小于某個閾值，這代表[Ma]是和之前發(fā)送的消息數(shù)據(jù)是同類型的，此時增加[Wi]的值并進入下一步的工作。否則，這代表[Ma]是一個新類型的消息，它將被存入AList并更新AList表。

2.3.2 冗余過濾模塊 F

冗余過濾模塊用于處理冗余消息。傳感網(wǎng)能否以一種高效的方式來轉發(fā)消息數(shù)據(jù)是十分關鍵的。眾所周知，節(jié)點通過無線鏈路傳輸數(shù)據(jù)所產生的能耗要遠大于節(jié)點處理同等量消息所產生的能耗。如前文所述，實際上，當監(jiān)控區(qū)域內的事件發(fā)生時，同一簇內絕大多數(shù)的節(jié)點采集和發(fā)送的數(shù)據(jù)中包含的內容是相同的。個別的節(jié)點同時發(fā)送不同類型的消息數(shù)據(jù)的可能性很低。因此，并不需要所有的節(jié)點都與基站通信。這表示，我們需要將數(shù)據(jù)進行聚合，并在保證可靠性概率的基礎之上只發(fā)送一定量的消息數(shù)據(jù)即可。

根據(jù)概率計算的結果可知，在某一階段，當監(jiān)測區(qū)域有事件發(fā)生時，每個簇頭節(jié)點至少發(fā)送Max的數(shù)據(jù)量以保證此發(fā)送的有效消息可以被基站準確的接收。而不同的簇頭節(jié)點由于其到基站的跳數(shù)不同，發(fā)送量也不同。為了進一步保證可靠性，基站會發(fā)送查詢信息到每個簇頭節(jié)點以告知他們是暫緩發(fā)送數(shù)據(jù)還是增加傳輸量。在發(fā)送了足夠多的信息之后，在此輪接下來的時間內即使出現(xiàn)數(shù)據(jù)采集不足的情況，簇頭節(jié)點也不會再進行消息補償，因為基站已經(jīng)接收到了足夠可靠的信息。這樣做避免了不必要的補償措施。隨后，簇頭節(jié)點停止消息數(shù)據(jù)傳輸。

2.3.3 消息補償模塊 A

由于無線傳感器網(wǎng)絡經(jīng)常被部署在惡劣的環(huán)境中，所以整個網(wǎng)絡經(jīng)常會遭受不同程度的損壞。如果發(fā)生爆炸，比如出現(xiàn)火山噴發(fā)或腐蝕性液體泄露的情況等等，均會損壞傳感器節(jié)點，這將會導致網(wǎng)絡消息數(shù)據(jù)采集不足。針對此類問題，我們通過消息補償模塊的功能來解決。如圖3所示，傳感網(wǎng)絡一共包含6個簇：簇1～6，從圖中可以看出，簇1、4、5內的節(jié)點分別遭到了不同程度的破壞，簇1和簇5內節(jié)點損壞情況比較嚴重，簇4相對較輕。一旦簇頭節(jié)點偵測到此狀況，他將通過對簇內成員節(jié)點數(shù)量的檢查來確認此情況。舉列來說，在簇5內部，將近70%的節(jié)點遭到了破壞，這導致該簇的數(shù)據(jù)采集量在短時間內急劇下降，此時簇頭節(jié)點將調用消息補償模塊的功能來增加消息數(shù)據(jù)的量。另一方面，如果簇頭節(jié)點遭到破壞，簇內剩余的節(jié)點將重新組簇或者加入到相鄰的簇中。簇4內的節(jié)點由于受損數(shù)量較少，并不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)采集不足的情況。

圖3 網(wǎng)絡受損情況圖

根據(jù)上節(jié)所述情況，當簇頭節(jié)點通過冗余消息過濾模塊發(fā)送的反饋信息得知消息數(shù)據(jù)量不足時，補償判斷模塊將調用補償機制來增加發(fā)送的相關數(shù)據(jù)量，直到有Max的數(shù)據(jù)量發(fā)送往基站。為了保證傳輸?shù)目煽啃?，在下面兩種情況下會調用消息補償模塊的功能：1.簇內節(jié)點大面積受損，導致消息數(shù)據(jù)采集發(fā)送不足；2.該簇所監(jiān)控區(qū)域某段時間內發(fā)生瞬態(tài)事件。

3 仿真及結果分析

在這一節(jié)，我們通過MATLAB仿真來評估PCI協(xié)議的性能。根據(jù)PCI協(xié)議的要求，我們將此仿真建立在無線傳感器網(wǎng)絡ECDG協(xié)議的基礎之上。為了比較PCI、ECDG和LEACH之間的性能，我們在這三種不同的環(huán)境下做了仿真。并且為了提高可比性和可行性，在這三種環(huán)境下仿真的網(wǎng)絡參數(shù)都是相同的。網(wǎng)絡仿真參數(shù)如下表所示。

表中[Eelec]表示節(jié)點內發(fā)送或接收電路的能耗；[Eamp]表示發(fā)送放大器的能耗。我們將網(wǎng)絡生命周期作為評估標準。網(wǎng)絡生命周期是指從網(wǎng)絡部署完畢后開始運行到所有節(jié)點都死亡的整個過程的時間。

圖4

圖4表明在網(wǎng)絡遭到破壞之后的很長一段時間內，PCI可以通過補償機制來繼續(xù)保證網(wǎng)絡傳輸?shù)目煽啃浴Ｏ喾吹?，在同樣的情況下，LEACH和ECDG卻不能保證有足夠的數(shù)據(jù)量來實現(xiàn)網(wǎng)絡可靠性。隨著網(wǎng)絡受損程度的逐漸增加，使用PCI協(xié)議的網(wǎng)絡所表現(xiàn)出來的高可靠性也越來越顯著。

4 結束語

本文提出了一種新的、智能的機制——基于補償機制的可靠數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議PCI。該機制一方面可以減少網(wǎng)絡的消息數(shù)據(jù)傳輸量，另一方面，當網(wǎng)絡遭到破壞而出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸量不足的情況時，PCI可以對數(shù)據(jù)傳輸進行補償，以保證網(wǎng)絡的可靠性。仿真結果表明，采用PCI協(xié)議的網(wǎng)絡比采用的LEACH和ECDG的網(wǎng)絡可靠性更高，網(wǎng)絡能量利用更加高效。

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