無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)模型對比與分析

劉海 　劉家磊　董瑩

摘要：在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于傳感器節(jié)點本身能量、存儲和通信距離的受限，因此如何有效的構(gòu)建一個高效、節(jié)能和健壯的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為目前物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的一個研究重點和熱點。該文對比和分析了目前在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域最主流的兩種無線網(wǎng)絡(luò)模型：確定性無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型和概率性無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型，這兩種網(wǎng)絡(luò)模型都是根據(jù)無線傳感器節(jié)點的實際工作過程總結(jié)出來的，因此在科學(xué)研究和實際應(yīng)用中都具有十分重要的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞： 確定性無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型; 概率性無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型; 通信距離; 遞交概率; 能耗

中圖分類號：TP393.17? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）01-0056-02

Abstract：In wireless sensor networks， due to the limited energy， storage and communication distance of sensor nodes， how to effectively construct an efficient， energy-saving and robust wireless data transmission network has become a research focus and hotspot in the field of Internet of Things. This paper compares and analyzes the two most mainstream wireless network models in the field of wireless sensor networks： deterministic wireless sensor network model and probabilistic wireless sensor network model. These two network models are based on the actual working process of wireless sensor nodes. Therefore， it has very important application value in scientific research and practical application.

Key words： deterministic wireless sensor network model; probabilistic wireless sensor network model; communication distance; delivery probability; energy consumption

1 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSNs）就是在某個感知區(qū)域環(huán)境內(nèi)，由大量低功耗的、極為廉價的無線傳感器節(jié)點以無線通信的方式組織而成的一個無線多跳自組織網(wǎng)絡(luò)[1]。傳感器節(jié)點具有采集、處理、控制和通信等功能[2]。受場地，成本等因素的限制，在實際的科研工作中，經(jīng)常采用模擬仿真的方式展開實驗，因此，選取一個準確可靠的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道模型是非常重要的。目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中主要的無線信道模型有兩種：確定性無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型和概率性無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型。

2 確定性無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，為便于偵查環(huán)境和布置傳感器節(jié)點，節(jié)點本身往往尺寸較小，這就限制了傳感器節(jié)點的通信天線設(shè)計尺寸，進而限制了傳感器節(jié)點的通信距離。另一方面，傳感器節(jié)點一般是采用電池供電，能量有限并且不易補充，因此在無線信號編碼和發(fā)射方面，往往采用較為節(jié)能的方式，這也就進一步限制了傳感器節(jié)點的通信距離。在實際的科研工作中，往往是具體化不同種類無線傳感器節(jié)點的通信距離d。即兩個傳感器節(jié)點之間的通信距離dcom大于d，兩個節(jié)點不再發(fā)生通信，沒有任何數(shù)據(jù)進行傳輸;兩個傳感器節(jié)點之間的通信距離dcom小于d，兩個節(jié)點在彼此的通信范圍內(nèi)，可以進行數(shù)據(jù)的傳輸。在確定性無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的任意兩個節(jié)點或者處于連接狀態(tài)，或者處于斷開狀態(tài)[3]。以圖論為基礎(chǔ)，確定性無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型用以原點為中心、半徑為1的圓盤來表示節(jié)點的通信范圍[4]。對應(yīng)的，一個節(jié)點可以與圓盤單位內(nèi)的所有臨近節(jié)點進行相互通信，而與圓盤外的節(jié)點斷開。

3 概率性無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型

盡管確定性無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型應(yīng)用比較廣，然而其忽略了現(xiàn)實環(huán)境（ 例如建筑物，植物） 以及發(fā)散的信號強度對無線通信的影響[5]。事實上，節(jié)點間的無線通信受多方面因素的影響，例如信號的編碼方式、發(fā)散的信號強度、網(wǎng)絡(luò)覆蓋、信噪比、溫度和傳輸距離。通過現(xiàn)實的實驗，可以發(fā)現(xiàn)在無線傳感器節(jié)點的實際工作環(huán)境中，是沒有絕對100%通信成功率的，盡管兩個節(jié)點之間的距離非常近，即dcom遠小于d，其也有一個通信的失敗概率，盡管兩個節(jié)點之間的通信距離dcom大于d，其也是有一個通信的成功概率。因此，更現(xiàn)實的網(wǎng)絡(luò)模型應(yīng)該是概率性網(wǎng)絡(luò)模型，在這種網(wǎng)絡(luò)模型下，每一對節(jié)點間均存在著一個遞交概率（γij） [6]。目前在國內(nèi)外，已經(jīng)有一些論文對這些因素如何影響節(jié)點間的遞交概率進行了詳盡的分析和實驗論證，并且形成了相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)模型，目前應(yīng)用比較廣的模型把網(wǎng)絡(luò)的通信范圍劃分為了三個主要的區(qū)域，分別是連接區(qū)域、隔離區(qū)域和過渡區(qū)域。

在連接區(qū)域內(nèi)，節(jié)點間的遞交概率γij很大，幾乎接近于1，其實也就相當于確定性無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型中的連接區(qū)域;在過渡區(qū)域內(nèi)，節(jié)點間有一個遞交概率γij，節(jié)點通信有一個成功的概率閾值，一般是介于0.1到0.9之間，在其他因素恒定的條件下，隨著通信距離的增加，遞交概率越來越低;在隔離區(qū)域內(nèi)，節(jié)點間的遞交概率幾乎接近于0，其實也就相當于確定性無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型中的斷開區(qū)域，為保證節(jié)點間的數(shù)據(jù)傳輸，一般情況下不使用隔離區(qū)域進行數(shù)據(jù)傳輸。

4 兩種模型的對比與分析

綜上所述，我們對兩種模型有了一個初步的認識，下面我們做一個對比。從通信距離上來說，概率性網(wǎng)絡(luò)模型新增加了一個過渡區(qū)域，因此其通訊距離更加遠;確定性網(wǎng)絡(luò)模型只有一個連接區(qū)域，其通信距離相對偏短。從通信的可靠性來說，確定性網(wǎng)絡(luò)模型可靠性更高，保證了通信概率，也就減少了丟包率;概率性網(wǎng)絡(luò)模型可靠性要低，因過渡區(qū)域的存在，兩節(jié)點間在傳輸數(shù)據(jù)的過程中，總有丟包的可能。兩種模型從微觀單個節(jié)點的角度考慮，確定性網(wǎng)絡(luò)模型要比概率性模型更具有優(yōu)勢。但是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個有很多無線傳感器節(jié)點組成的網(wǎng)絡(luò)，我們要綜合考慮整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。確定性網(wǎng)絡(luò)模型雖然傳輸概率比較高，但是節(jié)點間傳輸距離比較短，因此數(shù)據(jù)從源節(jié)點傳輸?shù)侥康墓?jié)點需要的跳數(shù)比較多，數(shù)據(jù)在每個節(jié)點都需要排隊和進行數(shù)據(jù)處理，由此帶來的能耗和延遲也是比較大的。縱觀概率性網(wǎng)絡(luò)模型，節(jié)點間傳輸距離比較長，因此其減少了數(shù)據(jù)從源節(jié)點傳輸?shù)侥康墓?jié)點需要的跳數(shù)，進而減少了數(shù)據(jù)在節(jié)點中的排隊和處理時延，由此帶來的能耗和延遲相比較確定性網(wǎng)絡(luò)模型是比較小的，但是由于節(jié)點間遞交概率的存在，數(shù)據(jù)在節(jié)點間進行傳輸?shù)臅r候，有存在丟包的情況，丟包所造成的數(shù)據(jù)重傳也是需要消耗很大一部分能量和增加數(shù)據(jù)傳輸延遲的，綜合來說，也不見得概率性網(wǎng)絡(luò)模型的能量消耗和傳輸延遲要比確定性網(wǎng)絡(luò)模型好，只能說兩者各有優(yōu)劣，隨著應(yīng)用場合的不同，其性能表現(xiàn)各不相同。例如在部署條件良好的環(huán)境中，為追求數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾裕覀兛梢园褌鞲衅鞴?jié)點部署的密集一點，這樣就能減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G包率，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾浴６谕饨鐥l件相對嚴苛的環(huán)境中，由于環(huán)境等因素的限制，無法部署大量的傳感器節(jié)點，則就必須采用概率性網(wǎng)絡(luò)模型。

5 結(jié)語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量的無線傳感器節(jié)點組成的，傳感器節(jié)點大多采用電池供電，能量非常有限并且不易補充。傳感器節(jié)點的能量匱乏極大地限制了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存時間和性能[7][8]。因此如何有效的延長網(wǎng)絡(luò)的生存周期就變成了目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中研究的一個重點和熱點。在研究模型的選擇中，目前較為流行的模型包括確定性無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型和概率性無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型。確定性無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型保證了無線傳感器節(jié)點間的成功通信，但是其縮短了節(jié)點的通信距離，進而增加了數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶鴶?shù)，增加了能耗。概率性無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型增加了節(jié)點的通信距離，減小了通信的跳數(shù)，然后其由于存在遞交概率的緣故，導(dǎo)致了部分數(shù)據(jù)的重傳，進而增加了能耗。在實際的研究中，兩種模型都有其應(yīng)用價值，并且關(guān)于如何在兩種模型中構(gòu)建一個穩(wěn)健、高效和節(jié)能的算法已經(jīng)有了很多的成果。

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