面向物聯網的無線傳感器網絡節能策略研究

杜雨晅

【摘要】? ? 本文提出了一種面向物聯網的無線傳感器網絡體系結構，利用異構無線傳感器網絡提供統一的網絡拓撲結構。在此基礎上，重點研究了節點在收斂層上的最優部署策略。目標是最大限度地延長子網絡的生命周期，同時最小化部署成本。仿真結果表明，所提出的部署算法能夠達到最優的收斂節點數。所提出的部署策略能夠在網絡生命周期和部署成本之間實現均衡的權衡。

【關鍵詞】? ? 物聯網? ? 無線傳感器網絡? ? 組網架構? ? 壽命? ? 成本

引言：物聯網仍處于初步研究階段。與目前的互聯網技術相比，物聯網沒有任何世界范圍內可接受的體系結構，其概念、范圍和標準也不明確。目前還沒有一種能夠方便地支持大型無線傳感器網絡或異構網絡組網的完美結構。無線傳感器網絡作為物聯網的重要組成部分，在彌合物理世界和信息世界之間的鴻溝方面發揮著非常重要的作用。傳感器從環境中收集數據，并生成信息，從而提高人們對環境的認識。

一、層次結構

本文提出了一種面向物聯網的無線傳感器網絡體系結構，通過異構無線傳感器網絡的互連，該體系結構可以方便地支持典型的物聯網應用，如數據融合、共享、搜索等。

物聯網網絡體系結構應從可靠性、可擴展性、模塊化、互操作性、QoS能力等方面進行有效設計。為了達到這一目標，我們提出了一種分布式的層次結構，包括傳感器子網、收斂層和應用程序訪問層。收斂層由多個傳感器子網可以訪問的多個收斂節點組成。因此，收斂節點應該具有多個物理信道接口[1]。融合層可以提供處理海量數據處理和信息共享服務的平臺。收斂級的主要任務是對傳感器子網中的數據進行聚合，并進行統一處理，對傳感器信息融合、查詢和協作提供了數據預處理。為了提高網絡的靈活性，可以同時訪問多個傳感器子網的一個收斂節點，并且有可能在同一子網中存在多個收斂節點。由于收斂節點通常比無線傳感器節點具有更高的計算能力和功率能力，應用程序訪問級別容納傳感器子網的接收器節點。對于物聯網的大規模應用，該級別由多個接收節點和一些無線接入點組成。

本文所提出的體系結構不同于usn高層框架。它涉及以下兩個方面。首先，在USN框架中，采用匯聚網絡層來代替USN接入網、USN基本網和USN中間件。在USN下，接入網是由各種接入網關組成的，這些網關負責感知網絡的實際類型。其中一個無線傳感器網絡具有相應的接入網關，具有特定的接口和信道。另一方面，我們的體系結構中的收斂節點取代了接入網關，以完成各種傳感器子網的訪問任務。為了實現這一目標，匯聚節點具有多個協議碼和通信接口。因此，可以統一接入方式，使不同子網之間的組網更加靈活;其次，在USN框架中，網絡中間件位于基本網絡層之上，中間件雖然滿足了異構子網之間的協作需求，但由于其依賴于應用程序，因而過于復雜，難以實際實現。相反，在我們的體系結構中，匯聚節點的功能相當于在網絡層下移動中間件[2]。數據融合和存儲可以在收斂層完成。因此，通過對數據進行預處理，可以簡化接入過程，減少進入基站網絡的數據流量。在最新的物聯網應用中，通常情況下，應用程序和無線傳感器網絡之間存在一對一或一對多的對應關系。

二、部署模式

體系結構中的收斂水平是影響物聯網網絡性能的關鍵因素，傳感器子網應該訪問收斂級別的至少一個節點。然而，在實際的物聯網應用中，傳感器子網一般具有較大的節點規模。由于電池供電，這些傳感器節點的壽命一直是無線傳感器網絡面臨的一個難題。幸運的是，在收斂水平上的節點通常比普通的傳感器節點具有更多的功率和資源。確定最優的收斂節點數目對于最小化部署成本和最大化網絡壽命是非常重要的。為了確定最優收斂節點數，提出了一種網絡壽命和代價的解析模型，量化了網絡收斂節點數、設備壽命和設備部署成本之間的關系。我們考慮兩種網絡拓撲，即網格拓撲和隨機拓撲。這兩種拓撲是物聯網環境下常見的網絡體系結構。在網格拓撲結構中，傳感器節點位于網格的交叉點。這種拓撲結構是一個簡單的分析模型。在隨機拓撲中，傳感器節點以隨機分布的方式部署。這種拓撲結構類似于物聯網的實際應用場景[3]。使用該模型的節點可分為三種類型，即收斂節點、臨界節點和正常節點。收斂節點通常被均勻地部署以收集與能源相關的信息。從一個收斂節點的一跳內的傳感器節點稱為臨界節點，它將來自其他傳感器節點的所有信息轉發到收斂節點。因此，它們對于子網通信場景中的網絡連接至關重要。與關鍵節點不同的是，其他傳感器節點位于收斂節點的覆蓋范圍之外，稱為正常節點。

結論：本文提出了一種面向物聯網的無線傳感器網絡的分層結構，并對無線傳感器網絡節點的優化配置進行了研究。我們建立了一個分析模型，推導出收斂節點數、網絡生存期和部署成本之間的關系。分析表明，網絡規模、關鍵節點數、分組收發能量消耗、傳感器成本與收斂節點成本的比值等幾個系統參數決定了最優收斂節點的數目。雖然模型和性能結果都是基于網格拓撲和隨機拓撲，但最優部署方法可以推廣到更復雜的物聯網場景中。

參? 考? 文? 獻

[1]郭紀良. 物聯網無線傳感器網絡在糧情監測中的應用研究[J]. 電子元器件與信息技術， 2018， 8（1）10-14.

[2]劉忠群. 物聯網中無線傳感器網絡的安全性研究[J]. 電子制作， 2017（24）：23-24.

[3]王進. 物聯網下無線傳感器網絡分布式通信的研究[J]. 中國新通信， 2017， 19（11）10-12.