摘  要： 通過(guò)對(duì)常見(jiàn)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)進(jìn)行研究，分析了WSN中數(shù)據(jù)傳輸瓶頸節(jié)點(diǎn)形成的原因。為了解決瓶頸節(jié)點(diǎn)，結(jié)合數(shù)據(jù)壓縮和數(shù)據(jù)融合技術(shù)以減少傳向匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)量，在匯聚節(jié)點(diǎn)以上使用高速網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)數(shù)據(jù)量超出匯聚節(jié)點(diǎn)的處理能力時(shí)，在匯聚節(jié)點(diǎn)采用根據(jù)興趣或數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇性傳輸，給出了解決瓶頸節(jié)點(diǎn)的一般化方案。
關(guān)鍵詞： WSN；瓶頸節(jié)點(diǎn)；數(shù)據(jù)壓縮；數(shù)據(jù)融合；數(shù)據(jù)選擇傳輸

　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)憑借其低成本、低功耗和可以方便快捷地布網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在近些年來(lái)備受關(guān)注，其應(yīng)用領(lǐng)域涉及軍事、工業(yè)和民用等各方面[1]。但是受到傳感器節(jié)點(diǎn)計(jì)算、存儲(chǔ)能力有限和電源供應(yīng)(一般是電池供電)的影響，在設(shè)計(jì)和部署WSN時(shí)會(huì)受到很大的限制，其中，部分節(jié)點(diǎn)會(huì)成為網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸速度瓶頸就是其必須面對(duì)的問(wèn)題之一。
　　在無(wú)線傳感器領(lǐng)域內(nèi)，目前技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是廣泛使用ZigBee[2]以及下一代互聯(lián)網(wǎng)IPv6技術(shù)的6LowPan草案。這些通信協(xié)議棧都是基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，受到802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的限制，它們的通信速率都在250 Kb/s以下[3]。由于傳輸速率低，在需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很大的情況下，一些特定的節(jié)點(diǎn)(如匯聚節(jié)點(diǎn))，很容易產(chǎn)生所需要轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)量超過(guò)了其處理能力的問(wèn)題，這些節(jié)點(diǎn)就成為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i節(jié)點(diǎn)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為瓶頸節(jié)點(diǎn))。
　　目前關(guān)于無(wú)線傳感器瓶頸節(jié)點(diǎn)的研究主要集中在瓶頸節(jié)點(diǎn)的能量問(wèn)題[4](如何提高節(jié)點(diǎn)的能量效率和防止瓶頸節(jié)點(diǎn)由于能量耗盡而造成網(wǎng)絡(luò)的分割)。在減少數(shù)據(jù)量方面，數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)和數(shù)據(jù)融合技術(shù)的提出是為了減少整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的冗余數(shù)據(jù)，從而減少匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理量。數(shù)據(jù)壓縮和數(shù)據(jù)融合技術(shù)只能在不影響數(shù)據(jù)精度的情況下對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行約簡(jiǎn)，當(dāng)數(shù)據(jù)量巨大時(shí)，其效果有限，不能很好地解決瓶頸節(jié)點(diǎn)問(wèn)題。
　　本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)有傳感器網(wǎng)絡(luò)常見(jiàn)體系結(jié)構(gòu)、基于WSN的數(shù)據(jù)壓縮和數(shù)據(jù)融合技術(shù)的研究，分析了產(chǎn)生速度瓶頸節(jié)點(diǎn)的原因。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，提出了解決數(shù)據(jù)傳輸瓶頸節(jié)點(diǎn)的方案。
1  WSN數(shù)據(jù)傳輸瓶頸節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生原因分析
　　目前，在WSN組網(wǎng)中使用廣泛的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要是當(dāng)前成熟的IEEE 802.15.4和ZigBee，及為了使用新一代互聯(lián)網(wǎng)中IPv6的技術(shù)而提出的6LowPan(IPv6 over Low Power Wireless Personal Area Network)草案。圖1分別給出了ZigBee[1]和6LowPan[2]的協(xié)議棧圖。

　　由圖1可以看出，ZigBee和6LowPan都是使用802.15.4定義的MAC層和物理層。IEEE 802.15.4中物理層定義的數(shù)據(jù)傳輸速率為20 Kb/s、40 Kb/s、100 Kb/s、250 Kb/s[3]。由于IEEE 802.15.4設(shè)計(jì)時(shí)主要針對(duì)數(shù)據(jù)傳輸量小的網(wǎng)絡(luò)，因此數(shù)據(jù)傳輸速率不是很高。當(dāng)WSN中某個(gè)節(jié)點(diǎn)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量非常大時(shí)，帶寬就是數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i之一。這種情況在WSN的匯聚節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)得尤為明顯。
　　當(dāng)WSN為隨機(jī)部署時(shí)，就有可能會(huì)出現(xiàn)“瓶頸節(jié)點(diǎn)”。參考文獻(xiàn)[4]中定義的“瓶頸節(jié)點(diǎn)”是由于隨機(jī)部署的原因而不得不成為連接2個(gè)或多個(gè)區(qū)域的孤立節(jié)點(diǎn)，如圖2所示，主要考慮的是“瓶頸節(jié)點(diǎn)”能量問(wèn)題，因?yàn)楫?dāng)該節(jié)點(diǎn)能量耗盡“死亡”之后，網(wǎng)絡(luò)將被分割為孤立的幾部分。除了能量因素之外，這類(lèi)“瓶頸節(jié)點(diǎn)”的數(shù)據(jù)傳輸速度也是影響網(wǎng)絡(luò)性能的主要因素之一。因?yàn)檫@些節(jié)點(diǎn)連接2個(gè)孤立的網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)2個(gè)網(wǎng)絡(luò)間有大量數(shù)據(jù)要進(jìn)行傳輸時(shí)，受到“瓶頸節(jié)點(diǎn)”的影響，網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)丟失率會(huì)急劇上升，網(wǎng)絡(luò)性能會(huì)變差。

　　ZigBee在實(shí)際使用中，在特定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎乱矔?huì)出現(xiàn)“瓶頸節(jié)點(diǎn)”。ZigBee常用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇樾切屯負(fù)浣Y(jié)構(gòu)和樹(shù)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖3所示。在網(wǎng)絡(luò)中，不論采取哪種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，總是有一部分節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收集和匯聚功能，因此這些節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸量就可能非常大，甚至超過(guò)自身的處理能力，從而成為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的瓶頸節(jié)點(diǎn)。
　　同樣地，由于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓虍a(chǎn)生的瓶頸節(jié)點(diǎn)不止是存在于ZigBee的網(wǎng)絡(luò)中，在其他類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò)中，只要采用了相同或相類(lèi)似的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，就有可能出現(xiàn)此類(lèi)問(wèn)題。

　　綜上所述，造成WSN瓶頸節(jié)點(diǎn)的原因主要有兩類(lèi)：(1)由于現(xiàn)有協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)的限制，造成節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸速率低，從而形成瓶頸節(jié)點(diǎn)；(2)由于網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而形成的瓶頸節(jié)點(diǎn)。
2 瓶頸問(wèn)題的解決方案研究
　　針對(duì)第一部分分析，解決瓶頸節(jié)點(diǎn)的方法有如下的思路：(1)采用高速的無(wú)線傳輸協(xié)議；(2)減少數(shù)據(jù)的傳輸量。結(jié)合當(dāng)前的研究現(xiàn)狀，下面就這2個(gè)思路進(jìn)行分析，并提出解決瓶頸節(jié)點(diǎn)的方案。
2.1 采用高速的無(wú)線傳輸協(xié)議
　　IEEE 802.15.4的設(shè)計(jì)目標(biāo)就是為組建低數(shù)據(jù)傳輸率、低能耗和低復(fù)雜度短距離射頻傳輸?shù)臒o(wú)線個(gè)域網(wǎng)。因此，采用802.15.4的網(wǎng)絡(luò)，其數(shù)據(jù)傳輸速率將會(huì)限制在250 Kb/s以下。若采用其他的無(wú)線傳輸方式，如IEEE 802.11a/b/g/n等，其傳輸速率會(huì)有極大的提升。但是，受到無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的能量和運(yùn)算能力的限制，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上使用IEEE 802.11協(xié)議是不現(xiàn)實(shí)的。另一方面，由于通信標(biāo)準(zhǔn)的不同，各種通信協(xié)議不能相互通信，因此，要保證相鄰的2個(gè)通信節(jié)點(diǎn)使用相同的通信協(xié)議。
　　解決這一問(wèn)題的辦法就是使用網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，或者將匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)置為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，這樣可以很好地解決匯聚節(jié)點(diǎn)成為瓶頸節(jié)點(diǎn)的問(wèn)題。在匯聚節(jié)點(diǎn)或者是網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)中，應(yīng)當(dāng)設(shè)置雙協(xié)議棧進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換。將IEEE 802.15.4轉(zhuǎn)換為其他的具有較高傳輸速度的協(xié)議。其解決方案如圖4所示。

2.2 減少數(shù)據(jù)傳輸量
　　減少數(shù)據(jù)的傳輸量是目前WSN研究的一個(gè)重點(diǎn)，關(guān)于這方面的研究很多，主要分為兩類(lèi)：數(shù)據(jù)壓縮和數(shù)據(jù)融合。其中，數(shù)據(jù)壓縮是將采集到的數(shù)據(jù)，在不影響數(shù)據(jù)精度或在可以接受的閾值范圍內(nèi)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有損或無(wú)損壓縮；數(shù)據(jù)融合是將多個(gè)傳感器采集到的數(shù)據(jù)，按照一定的規(guī)則進(jìn)行篩選或者將相似度較高的數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)則進(jìn)行融合，從而減少數(shù)據(jù)的傳輸量。在實(shí)際應(yīng)用中，許多分簇算法都將數(shù)據(jù)壓縮和數(shù)據(jù)融合技術(shù)結(jié)合在一起以提高效率和效果。
　　通過(guò)數(shù)據(jù)壓縮和數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以在不影響精度的情況下減少數(shù)據(jù)量，對(duì)提高網(wǎng)絡(luò)的性能有一定的幫助，在本解決方案中，在WSN分簇內(nèi)采用數(shù)據(jù)壓縮和數(shù)據(jù)融合技術(shù)來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行約簡(jiǎn)。
2.3 數(shù)據(jù)的選擇傳輸
　　數(shù)據(jù)壓縮和數(shù)據(jù)融合只能在不改變?cè)瓉?lái)數(shù)據(jù)屬性和在可以接受的精度范圍內(nèi)將數(shù)據(jù)量近可能地減少。但是，當(dāng)出現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)量長(zhǎng)時(shí)間都較大時(shí)，數(shù)據(jù)壓縮和數(shù)據(jù)融合技術(shù)只能有限度地減少數(shù)據(jù)量，經(jīng)過(guò)壓縮和融合后的數(shù)據(jù)還是超出簇頭節(jié)點(diǎn)或匯聚節(jié)點(diǎn)的處理能力范圍，則在簇頭節(jié)點(diǎn)或匯聚節(jié)點(diǎn)就會(huì)出現(xiàn)大量的數(shù)據(jù)積壓，當(dāng)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量大于節(jié)點(diǎn)的內(nèi)存時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)丟包的現(xiàn)象，這樣網(wǎng)絡(luò)的性能就會(huì)急劇下降。
　　解決這類(lèi)問(wèn)題的方法是采用選擇傳輸數(shù)據(jù)的方法。簇頭節(jié)點(diǎn)或匯聚節(jié)點(diǎn)根據(jù)數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)或系統(tǒng)的興趣來(lái)選擇要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)先傳輸，其他的數(shù)據(jù)則設(shè)置時(shí)間限制，當(dāng)時(shí)間超過(guò)時(shí)限時(shí)，則丟棄該數(shù)據(jù)包，由上層協(xié)議控制數(shù)據(jù)的重傳。
　　基于優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)選擇適合于數(shù)據(jù)的上傳，其實(shí)時(shí)性較高。其具體實(shí)施方法是：在建立傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)存儲(chǔ)1個(gè)優(yōu)先級(jí)表。優(yōu)先級(jí)表是根據(jù)WSN具體的應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行設(shè)定的，在網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和部署時(shí)發(fā)送到每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)，傳感器根據(jù)優(yōu)先級(jí)表設(shè)定數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)，將優(yōu)先級(jí)標(biāo)識(shí)在數(shù)據(jù)包的頭部，簇頭節(jié)點(diǎn)或匯聚節(jié)點(diǎn)根據(jù)數(shù)據(jù)包頭部的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行選擇。優(yōu)先級(jí)表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表1所示。

　　基于興趣的數(shù)據(jù)選擇適合數(shù)據(jù)的查詢網(wǎng)絡(luò)，其優(yōu)點(diǎn)是能將系統(tǒng)最需要的數(shù)據(jù)傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)。借鑒定向擴(kuò)散協(xié)議[5]的思想，其實(shí)現(xiàn)方式是：系統(tǒng)主控機(jī)定期地向各級(jí)匯聚節(jié)點(diǎn)廣播興趣表(各級(jí)匯聚節(jié)點(diǎn)內(nèi)存儲(chǔ)有興趣表)。當(dāng)數(shù)據(jù)量過(guò)大時(shí)，匯聚節(jié)點(diǎn)將查詢興趣表，將收到的數(shù)據(jù)分為兩類(lèi)，一類(lèi)是符合興趣表要求的數(shù)據(jù)，一類(lèi)是不符合興趣表要求的數(shù)據(jù)。其中符合興趣表要求的數(shù)據(jù)優(yōu)先傳送，不符合興趣表要求的數(shù)據(jù)則在節(jié)點(diǎn)內(nèi)存不足時(shí)丟棄，再由應(yīng)用層協(xié)議控制選擇是否重傳。興趣表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表2所示。

　　匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)選擇流程圖如圖5所示。

3 瓶頸節(jié)點(diǎn)解決方案
　　  通過(guò)第2部分的分析和研究，可以總結(jié)出解決瓶頸節(jié)點(diǎn)的一般方案。其流程圖如圖6所示。當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)采集到數(shù)據(jù)后，先進(jìn)行簇內(nèi)數(shù)據(jù)的壓縮和融合，再將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱仡^節(jié)點(diǎn)，當(dāng)簇頭節(jié)點(diǎn)收到的數(shù)據(jù)超出其處理能力時(shí)，根據(jù)優(yōu)先級(jí)或興趣對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇。選擇后將數(shù)據(jù)傳輸至上層節(jié)點(diǎn)，在第1層設(shè)置網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收下層匯聚節(jié)點(diǎn)傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行轉(zhuǎn)換后使用高速的協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺赜?jì)算機(jī)。這樣，網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸效率就會(huì)有很大的提高。

 　　本文通過(guò)對(duì)常用的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)溥M(jìn)行分析，指出其容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸瓶頸節(jié)點(diǎn)的原因，并根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)壓縮和數(shù)據(jù)融合技術(shù)，結(jié)合數(shù)據(jù)的選擇，提出了解決瓶頸節(jié)點(diǎn)的一般化方案，對(duì)解決實(shí)際中的瓶頸節(jié)點(diǎn)有一定的指導(dǎo)意義。下一步的工作是將此解決方案與路由協(xié)議相結(jié)合，并根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用對(duì)解決方案進(jìn)行改進(jìn)。
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