高效連接的低時延WSN研究

辛強偉 唐云凱

摘要：實時系統的時延需要盡可能低，有些系統以無線通信為主，這對于無線網絡的通信效率和時延有嚴格要求。過多的跳數對于網絡通信效率和時延都是不利的。本文運用基于度的骨干網來減少WSN通信跳數。通過連通狀況來探討網絡平均跳數和連通率之間的關系，揭示了在隨機部署時隨著傳感器節點數目的增大會出現兩個階段：第一個階段是當連通率尚未達到全面連通時，增加節點數目會使平均跳數增大;第二個階段是當連通率達到全面連通后，增加節點數目會使平均跳數減小。

關鍵詞：無線傳感器網絡;時延;連接

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）09-0051-01

0 引言

節點間的高效連接對于WSN的生存周期和數據傳輸速度具有重要意義。由于節點通信距離的限制，往往需要以多跳的方式轉發數據，而轉發可能會造成數據丟失和增大時延。此外，多次轉發累計消耗的時間不容忽視，特別是對于實時系統。過多的跳數可以導致無線網絡丟包率上升和時延增大，這在大規模無線網絡中尤為明顯。減少轉發節點可以使大規模無線網絡具有高效的連接[1]。

高效連接的無線網絡應具備的特點是可以較快地實現全網連通，將所有部署的節點都納入覆蓋區域之內，并且具有較小的平均跳數和最大跳數。跳數的增加除了會增大時延，丟包率也會呈現上升的趨勢，減少無線網絡的跳數對于實現高效連接和降低時延很重要。低時延是現代通信技術的一個重要追求，比如5G技術[2，3]。本文研究通過減少網絡中的跳數提高網絡通信效率和降低時延。

1 基于度構建骨干網及相關分析

跳數和度都是無線傳感器網絡中的重要指標，跳數與度之間存在的關系是網絡的平均度越大，則網絡的跳數可能越小。一個節點的度越大表示這個節點的鄰居節點越多，那么該節點可以直接通信的節點越多。本文基于度構建骨干網，通過該方法旨在實現網絡高效連接和降低時延，具體步驟如下：

第一步，依次選取度最大的節點，直到所選節點足以覆蓋所有節點;

第二步，將所選取節點之間的連接點納入骨干網中;

第三步，優化骨干網，在不影響覆蓋和連通的前提下，去除其中可以去除的節點。

為驗證基于度構建骨干網方法，本文模擬100個節點隨機部署于200×200的平面上，節點通信半徑統一都設置為40，每次在平面區間上部署10個節點，分10次完成100個節點的隨機部署。在部署過程中，當節點密度偏低時，會有一些節點處于孤立狀態。隨著部署節點的增多，無線網絡的連通性逐漸加強。表1是基于度的骨干網連通狀況表，通過連通狀況來探究網絡平均跳數和連通率之間的關系。

分析無線網絡通信效率涉及最大跳數和平均跳數兩個概念。最大跳數可被視為最壞情況，平均跳數可被視為一般情況。設計和分析網絡時應準備應對最壞情況的發生，即準備最大跳數的出現。最大跳數隨著節點數目的增加而增大，當所部署節點的數量達到一定程度時，最大跳數逐漸穩定。隨著部署節點的增多，平均跳數表現出小幅下降的狀況。當節點密度相對稀疏時，會有一些節點因距離問題而無法通信。當無線網絡全面連通之后繼續增加節點，會產生冗余節點，適量的冗余節點對構建高效連接的低時延無線網絡是有利的。

由表1可知隨著部署的節點數量的增多會出現兩種狀態：第一種狀態是當連通率小于1時，平均跳數隨著節點數量的增加而增大;第二種狀態是當連通率達到1后，平均跳數隨著節點數量的增加而減小。在達到網絡全面連通后繼續適量增加節點數量會減小最大跳數和平均跳數，從而提高網絡通信效率、減小時延。

2 結語

由于當前對系統的實時性方面要求的增多，除了進一步研發傳輸速率更快的技術，還需要從網絡構建的角度來探討如何減小時延和提高通信效率。本文分析了網絡跳數和連通率之間的關系，提出基于度構建骨干網以實現高效連接的低時延無線網絡。基于度的骨干網方法可顯著減小平均跳數和最大跳數并且較快地達到全面連通，從而建立起高效通信的低時延無線網絡。對于隨機部署節點，在全面連通前，隨著部署節點的增多，網絡跳數（包括最大跳數和平均跳數）會逐步增大;當全面連通后，隨著部署節點的增多，平均跳數有減小的趨勢。

參考文獻

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

[2] 陳云生.5G移動通信技術下的物聯網時代[J].信息通信，2018（4）：260-261.

[3] 賴國勝，陳博文.5G移動通信技術的現狀及發展[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