無線傳感器網絡數據傳輸延時分配算法

高翔霄，俞 達，任月慧，高玲玲，徐 麗

(北京宇航系統工程研究所,北京 100076)

0 引言

隨著無線傳感器網絡的快速發展，利用無線傳感器進行物理信息測量已被廣泛地應用在物理探測、數據采集以及特征檢測提取等方面。如在火箭箭載發動機等應用中，采用無線傳感器網絡能有效實現對火箭溫度、振動、沖擊、熱流、噪聲、壓力等方面的測量[1]。而其中應用到的傳感器有熱感傳感器、振動傳感器以及壓力傳感器等。因此結合無線傳感器組網技術可有效實現對火箭發動機相關數據的采集。在進行無線傳感器網絡數據的采集和傳輸過程中，由于受到網絡傳輸時延和信道分布的影響，導致對無線傳感器網絡數據傳輸的延遲較大[2]，因此，需要進行無線傳感器網絡數據傳輸的延時優化分配，構建無線傳感器網絡數據傳輸信道均衡模型，提高無線傳感器網絡的穩定性和有效性。相關的無線傳感器網絡數據傳輸和延遲分配方法研究受到人們的極大關注。

目前，已有專家學者在無線傳感器網絡數據傳輸延時分配領域提出了一些較為成熟的研究結果，如基于關聯規則傳輸的延時分配方法、基于統計分析的傳輸延時分配方法、基于模糊特征提取的傳輸延時分配方法等[3]。另外，文獻[4]中提出了一種基于分流優化選擇的無線傳感網絡數據傳輸算法。該算法通過計算簇頭節點與簇內節點的自感閾值來維持簇結構的穩定性，根據實時的傳輸帶寬分割傳輸數據流并完成時延尋優過程，對最優時延分割后的數據子流進行傳輸。然而該算法在進行無線傳感器網絡數據傳輸延時分配時的模糊度較大、時間開銷較大，實時性不好。文獻[5]中提出了一種基于混合拓撲的機械無線傳感器網絡多信道數據傳輸算法，該方法對無線傳感器網絡節點進行最小化信道分配，在完成數據采集后，采用樹間通信握手機制和樹間通信優先級搶占機制避免傳輸過程中的互盲，再將各節點的短地址作為調度信息載入信標中，根據調度信息決定數據的傳輸或者休眠。然而該算法在進行無線傳感器網絡傳輸信道均衡和延時分配的自適應性不好、錯誤率較高。

針對現有方法中存在的自適應性不好、錯誤率較高的問題，設計一種基于時隙窗口間隔均衡控制的無線傳感器網絡數據傳輸延時分配算法。思路如下：首先采用分布式網格均衡配置方法進行無線傳感器網絡節點的均衡部署，然后采用輸出比特序列重組方法進行無線傳感器網絡數據采集過程中的傳輸延遲配置，結合碼元調節技術進行無線傳感器網絡數據傳輸的自適應擴頻調節，基于時隙窗口間隔均衡控制方法實現無線傳感器網絡數據傳輸延時分配。

1 數據采集模型及節點均衡部署

無線傳感器網絡數據傳輸延時是指數據發送時刻與數據接收時刻的時間間隔，對數據傳輸時延進行分析和分配需建立在對無線傳感器網絡信息傳輸過程分析的基礎上。無線傳感器網絡信息傳輸過程如圖1所示。

圖1 無線傳感器網絡信息傳輸過程示意圖

1)中繼傳輸過程。在數據發送端與接收端之間無法直接完成信息互通時，需通過中繼傳輸的方式實現信息的傳遞，即利用中間站點實現信息傳輸。中繼傳輸過程包含兩個階段，一是在發送端產生數據后將其傳輸至中繼站，二是由中繼站將接收到的數據傳輸至接收終端。

2)跨區域傳輸過程。由于不同區域的箭載無線傳感網絡是根據各自的應用需求建立的， 其中采用的通信協議、數據標準和格式均不相同，因此，相互之間難以實現直接的互聯互通。當分屬于不同無線傳感網絡的站點間需進行數據傳輸時，需利用一個能夠與這兩個站點相互兼容的中間站點對數據格式進行轉換，使數據能夠適用于不同的無線傳感網絡。

跨區域傳輸過程與中繼傳輸過程的區別在于：在中繼傳輸過程中，數據發送端與中間站點、中間站點與數據接收端之間共用同種通信協議，而在跨區域傳輸過程中，數據發送端與中間站點、中間站點與數據接收端之間，因存在數據格式轉換環節而使用不同的通信協議。

在分析無線傳感器網絡信息傳輸過程分析的基礎上，構建數據采集模型，并對傳感網絡的節點進行均衡部署，繼而計算節點轉發數據的跳距離，以構建無線傳感器網絡數據傳輸的時隙窗口間隔均衡控制模型，為數據傳輸延時分配過程奠定基礎。

1.1 數據采集與配置

為了實現無線傳感器網絡數據傳輸延時分配，需要首先構建無線傳感器網絡對火箭的溫度、振動、沖擊等參數的數據采集模型，根據剩余能量、位置和端到端延遲進行無線傳感器網絡傳輸延時分配[6]，得到現無線傳感器網絡數據采集的量化特征分布集定義為D,D={dx|S,T,U}，其中，S表示無線傳感器網絡傳感器節點的能耗總和，T表示無線傳感器網絡的傳輸延時分配的輸出量因素，U表示相似度模型。對無線傳感器網絡的傳輸數據進行自動配置，設置配置模型為：

(1)

其中:m為無線傳感器網絡傳輸延時分配的互信息量；e為網絡的帶寬效率；t表示對無線傳感器網絡傳輸延時分配的時間窗口。從中提取無線傳感器網絡數據傳輸延時的模糊相關特征量，根據特征譜進行無線傳感器網絡數據傳輸延時的自動分配，得到數據傳輸延時的關聯度特征值為：

(3)

其中：Δ?為增益系數；T表示無線傳感器網絡的時間延遲，z表示為無線傳感器網絡進行傳輸時延分配的時間延遲和互信息特征量。在此基礎上，建立無線傳感器網絡輸出采集模型，實現對數據的快速、高效采集。數據采集節點的分布情況如圖2所示。

圖2 無線傳感器網絡的數據采集節點分布

在完成無線傳感器網絡數據采集之后，需對數據進行配置管理。數據配置是指根據接收端的配置請求對數據進行必要的檢查和處理的過程，根據傳輸和應用的需要，對數據進行補充、濾除、更改、存儲、復制等處理，配置后的數據一般有兩份，一份儲存至后臺數據庫中，另一份預留給數據接收端。

1.2 網絡節點均衡部署

無線傳感器網絡是一種無線自組網絡，利用區域內的傳感器節點組建成一個集數據采集和傳遞于一體的小型系統，將數據從多個二級節點匯總到一個一級節點處。這一過程中，距一級節點越近的二級節點需傳遞的數據量越多，該二級節點處的負載量也就越大，易造成能量空洞現象，使無線傳感網絡的有效性和傳輸效率大大降低。因此，為避免這一現象的發生，需對無線傳感器網絡節點進行均衡部署。

無線傳感器網絡節點的均衡部署過程采用分布式網格均衡配置方法，并結合最短路徑尋優方法進行無線傳感器網絡數據采集過程中的信道均衡分配[7]，建立無線傳感器網絡數據采集的特征分布模型。

在傳感器的感測范圍內，假設傳感器的數目為n，調整任意一個傳感器的加權系數，得到無線傳感網絡數據傳輸過程的模糊聚類中心μ為：

μ={μi|i=1,2,…,n}

(4)

在關聯規則引導下，得到無線傳感器網絡數據傳輸過程的模糊度函數為：

(5)

其中:k代表多傳感節點主特征值，l代表節點間距離。在此基礎上，假設無線傳感網絡數據傳輸路徑s，首端節點和末端節點分別用q1和q2表示，傳感器節點的阻抗為r，則無線傳感網絡數據傳輸過程的能量損耗計算過程如下：

(6)

其中:d表示電網線路故障節點首端的距離。繼而通過尋找其它鄰居節點的特征分布集得到無線傳感器網絡傳輸延時分配的均衡部署模型：

(7)

其中:g為無線傳感器網絡傳輸延時分配的適應度函數，L表示特征聚類中心與所測樣本dx的測度距離。根據上述分析，構建網絡節點的均衡部署，提高網絡數據傳輸延時分配能力[8]。

2 網絡數據傳輸延時分配算法設計

2.1 時隙窗口間隔均衡控制

在上述構建無線傳感器網絡對火箭的溫度、振動、沖擊等參數的數據采集模型，并采用分布式網格均衡配置方法進行無線傳感器網絡節點的均衡部署的基礎上，進行網絡數據傳輸延時分配算法的設計。本研究提出基于時隙窗口間隔均衡控制的無線傳感器網絡數據傳輸延時分配算法，建立無線傳感器網絡進行數據采集和最短路徑尋優控制模型[9]。

假設無線傳感器網絡傳輸延時分配的自適應加權權重為ω，采用輸出比特序列重組方法進行無線傳感器網絡數據采集過程中的傳輸延遲配置，傳感器節點的分布特征序列為：

(8)

其中:q為無線傳感器網絡數據傳輸延時分配的統計特征值，q=1,2,…，r代表節點通信半徑。在此基礎上，采用離散序列調度方法[10]對靠近匯聚節點的節點集合進行自動配置，得到無線傳感器網絡傳輸延時分配的時間窗口為：

(9)

其中:ta表示無線傳感器網絡數據傳輸的總次數，tb表示執行數據傳輸任務的額定傳輸總次數。在此基礎上，在滿足無線傳感網絡感測覆蓋范圍發條件下，對傳感器采集數據的傳輸過程進行主動融合跟蹤，并對節點轉發數據的跳距離進行優化計算，過程如下：

(10)

其中:υ表示融合參數，η表示無線傳感網絡感測覆蓋率，κ表示任意一個傳感器節點將信息傳輸至某一鄰居節點的概率。繼而采用時隙窗口間隔均衡控制方法[11]，得到傳輸延時分配的統計分布概率密度特征控制模型為：

W=G×(V×tn+1-×ytn)

(11)

其中:在tn+1時刻和tn時刻相差一個更新周期，y表示第時刻數據信息傳輸量[12]。至此，實現無線傳感器網絡數據傳輸的時隙窗口間隔均衡控制模型的構建。

2.2 傳輸延時分配輸出

在得到無線傳感器網絡數據傳輸的時隙窗口間隔均衡控制模型的基礎上，采用輸出比特序列重組方法對傳輸延遲進行配置。

首先，結合碼元調節技術進行無線傳感器網絡數據傳輸的自適應擴頻調節，得到擴頻信道為：

I={ij|j=1,2,…}

(12)

其中:j表示碼元幅度。基于時隙窗口間隔均衡控制方法實現無線傳感器網絡數據傳輸延時控制，得到傳輸延時分配函數Z表述為：

(13)

其中:α表示數據平均等待時間。在此基礎上，選擇其中最短的數據轉發路徑進行信道延時配置。假設所要傳輸的數據在某一節點處的能量譜密度為ρ，采用主成分分析方法進行網絡的編碼控制協議設計，得到輸出編碼特征量為：

(14)

其中:p表示匯聚節點的頻率。對傳輸半徑距離為R的節點進行傳輸延遲配置，在第E個時間窗口中，利用時隙窗口間隔均衡控制方法實現無線傳感器網絡數據傳輸延時分配，得到時隙分布結果如下：

(15)

其中:φ為無線傳感網絡的解碼延遲，u為無線傳感網絡分簇節點的輸出延遲。根據上述分析，實現了對無線傳感器網絡數據傳輸延時的分配。利用圖片表示無線傳感器網絡數據傳輸延時分配模型，如圖3所示。

圖3 無線傳感器網絡數據傳輸延時分配模型

3 仿真實驗與性能分析

為了測試本文設計的基于時隙窗口間隔均衡控制的無線傳感器網絡數據傳輸延時分配算法的實際應用性能，設計如下仿真實驗進行驗證。

實驗條件設置情況如下：仿真實驗在Matlab平臺上進行，無線傳感器監控的覆蓋節點區域為1 000 mm×1 000 mm，無線傳感器的載波頻率為7.48 kHz，進行火箭溫度、振動、沖擊等參數的數據采集和傳輸的每分鐘固定延時1.6 ms。

根據上述實驗環境的設定情況，進行無線傳感器網絡數據傳輸延時分配算法的有效性檢測。首先布置箭載無線傳感器網絡的數據傳輸節點，得到傳輸節點分布如圖4所示。

圖4 無線傳感器網絡的節點分布示意圖

根據圖4所示的節點分布情況進行無線傳感器網絡數據傳輸延時分配，得到無線傳感器網絡數據傳輸時延估計值如圖5所示。

圖5 無線傳感器網絡數據傳輸延時估計

分析圖5可知，基于時隙窗口間隔均衡控制的數據傳輸延時分配算法下的無線傳感器網絡數據傳輸時延估計值雖存在波動，但其波動均圍繞在實際值周圍，證明采用所提算法進行無線傳感器網絡數據傳輸延時分配的自適應性較好，延時估計的精度較高。

為進一步測試基于時隙窗口間隔均衡控制的數據傳輸延時分配算法的有效性，將分配輸出錯誤率作為檢測指標。為保證實驗結果的說服性，將該算法與文獻[4]中的基于分流優化選擇的無線傳感網數據傳輸算法和文獻[5]中的基于混合拓撲的機械無線傳感器網絡多信道數據傳輸算法進行性能對比。

測試不同算法進行數據傳輸延時分配時的分配輸出錯誤率，得到的對比結果如表1所示。

表1 不同算法的分配輸出錯誤率對比

分析表1可知，隨著實驗迭代次數的不斷增加，不同數據傳輸延時分配算法的輸出錯誤率也在不斷發生變化，但均呈現出下降趨勢。其中，文獻[4]算法的平均分配輸出錯誤率的下降幅度最大，但其分配輸出錯誤率值低于所提算法。所提算法和文獻[5]算法的平均分配輸出錯誤率下降幅度相似，但相對來說，所提算法的分配輸出錯誤率值更低。由對比結果可以證明采用所提算法進行無線傳感器網絡數據傳輸延時分配的準確性較高、誤差較小，有效性更強。

4 結語

對箭載無線傳感器網絡數據傳輸過程中的延時進行優化分配，構建無線傳感器網絡數據傳輸信道均衡模型，能夠有效提高箭載無線傳感器網絡的穩定性，有利于火箭的平穩運行。設計基于時隙窗口間隔均衡控制的無線傳感器網絡數據傳輸延時分配算法，構建無線傳感器網絡對火箭的溫度、振動、沖擊等參數的數據采集模型，對靠近匯聚節點的節點集合進行自動配置，得到無線傳感器網絡傳輸延時分配的時間窗口，建立無線傳感器網絡進行數據采集和最短路徑尋優控制模型，采用輸出比特序列重組方法進行無線傳感器網絡數據采集過程中的傳輸延遲配置，結合碼元調節技術進行無線傳感器網絡數據傳輸的自適應擴頻調節，采用時隙窗口間隔均衡控制方法實現無線傳感器網絡數據傳輸延時分配。經實驗分析得知，利用該算法進行無線傳感器網絡數據傳輸延時分配的自適應性較好，分配錯誤率較低，證明該算法具有明顯的應用優勢。