摘 要： 通過對常見的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)進行研究，分析了WSN中數(shù)據(jù)傳輸瓶頸節(jié)點形成的原因。為了解決瓶頸節(jié)點，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)點的數(shù)據(jù)量，在匯聚節(jié)點以上使用高速網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)數(shù)據(jù)量超出匯聚節(jié)點的處理能力時，在匯聚節(jié)點采用根據(jù)興趣或數(shù)據(jù)的優(yōu)先級對數(shù)據(jù)進行選擇性傳輸，給出了解決瓶頸節(jié)點的一般化方案。
關(guān)鍵詞： WSN；瓶頸節(jié)點；數(shù)據(jù)壓縮；數(shù)據(jù)融合；數(shù)據(jù)選擇傳輸
無線傳感器網(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，在近些年來備受關(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)點計算、存儲能力有限和電源供應(yīng)(一般是電池供電)的影響，在設(shè)計和部署WSN時會受到很大的限制，其中，部分節(jié)點會成為網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸速度瓶頸就是其必須面對的問題之一。
在無線傳感器領(lǐng)域內(nèi)，目前技術(shù)標準是廣泛使用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標準，受到802.15.4標準的限制，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(如匯聚節(jié)點)，很容易產(chǎn)生所需要轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)量超過了其處理能力的問題，這些節(jié)點就成為整個網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i節(jié)點(以下簡稱為瓶頸節(jié)點)。
目前關(guān)于無線傳感器瓶頸節(jié)點的研究主要集中在瓶頸節(jié)點的能量問題[4](如何提高節(jié)點的能量效率和防止瓶頸節(jié)點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網(wǎng)絡(luò)的冗余數(shù)據(jù)，從而減少匯聚節(jié)點的數(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)精度的情況下對數(shù)據(jù)進行約簡，當(dāng)數(shù)據(jù)量巨大時，其效果有限，不能很好地解決瓶頸節(jié)點問題。
本文通過對現(xiàn)有傳感器網(wǎng)絡(luò)常見體系結(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)點的原因。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)和標準，提出了解決數(shù)據(jù)傳輸瓶頸節(jié)點的方案。
1 WSN數(shù)據(jù)傳輸瓶頸節(jié)點產(chǎn)生原因分析
目前，在WSN組網(wǎng)中使用廣泛的技術(shù)標準主要是當(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)計時主要針對數(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中某個節(jié)點需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量非常大時，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)點表現(xiàn)得尤為明顯。
當(dāng)WSN為隨機部署時，就有可能會出現(xiàn)“瓶頸節(jié)點”。參考文獻[4]中定義的“瓶頸節(jié)點”是由于隨機部署的原因而不得不成為連接2個或多個區(qū)域的孤立節(jié)點，如圖2所示，主要考慮的是“瓶頸節(jié)點”能量問題，因為當(dāng)該節(jié)點能量耗盡“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“瓶頸節(jié)點”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。因為這些節(jié)點連接2個孤立的網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)2個網(wǎng)絡(luò)間有大量數(shù)據(jù)要進行傳輸時，受到“瓶頸節(jié)點”的影響，網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)丟失率會急劇上升，網(wǎng)絡(luò)性能會變差。
ZigBee在實際使用中，在特定的網(wǎng)絡(luò)拓撲下也會出現(xiàn)“瓶頸節(jié)點”。ZigBee常用的網(wǎng)絡(luò)拓撲為星型拓撲結(jié)構(gòu)和樹形拓撲結(jié)構(gòu)，如圖3所示。在網(wǎng)絡(luò)中，不論采取哪種拓撲結(jié)構(gòu)，總是有一部分節(jié)點負責(zé)數(shù)據(jù)的收集和匯聚功能，因此這些節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸量就可能非常大，甚至超過自身的處理能力，從而成為整個網(wǎng)絡(luò)的瓶頸節(jié)點。
同樣地，由于網(wǎng)絡(luò)拓撲原因產(chǎn)生的瓶頸節(jié)點不止是存在于ZigBee的網(wǎng)絡(luò)中，在其他類型的網(wǎng)絡(luò)中，只要采用了相同或相類似的網(wǎng)絡(luò)拓撲，就有可能出現(xiàn)此類問題。
綜上所述，造成WSN瓶頸節(jié)點的原因主要有兩類：(1)由于現(xiàn)有協(xié)議標準和技術(shù)的限制，造成節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸速率低，從而形成瓶頸節(jié)點；(2)由于網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)而形成的瓶頸節(jié)點。
2 瓶頸問題的解決方案研究
針對第一部分分析，解決瓶頸節(jié)點的方法有如下的思路：(1)采用高速的無線傳輸協(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個思路進行分析，并提出解決瓶頸節(jié)點的方案。
2.1 采用高速的無線傳輸協(xié)議
IEEE 802.15.4的設(shè)計目標就是為組建低數(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線個域網(wǎng)。因此，采用802.15.4的網(wǎng)絡(luò)，其數(shù)據(jù)傳輸速率將會限制在250 Kb/s以下。若采用其他的無線傳輸方式，如IEEE 802.11a/b/g/n等，其傳輸速率會有極大的提升。但是，受到無線傳感器節(jié)點的能量和運算能力的限制，在每個節(jié)點上使用IEEE 802.11協(xié)議是不現(xiàn)實的。另一方面，由于通信標準的不同，各種通信協(xié)議不能相互通信，因此，要保證相鄰的2個通信節(jié)點使用相同的通信協(xié)議。
解決這一問題的辦法就是使用網(wǎng)關(guān)節(jié)點，或者將匯聚節(jié)點設(shè)置為網(wǎng)關(guān)節(jié)點，這樣可以很好地解決匯聚節(jié)點成為瓶頸節(jié)點的問題。在匯聚節(jié)點或者是網(wǎng)關(guān)節(jié)點中，應(yīng)當(dāng)設(shè)置雙協(xié)議棧進行協(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研究的一個重點，關(guān)于這方面的研究很多，主要分為兩類：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)，對數(shù)據(jù)進行有損或無損壓縮；數(shù)據(jù)融合是將多個傳感器采集到的數(shù)據(jù)，按照一定的規(guī)則進行篩選或者將相似度較高的數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)則進行融合，從而減少數(shù)據(jù)的傳輸量。在實際應(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)來對數(shù)據(jù)進行約簡。
2.3 數(shù)據(jù)的選擇傳輸
數(shù)據(jù)壓縮和數(shù)據(jù)融合只能在不改變原來數(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)點的數(shù)據(jù)量長時間都較大時，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)過壓縮和融合后的數(shù)據(jù)還是超出簇頭節(jié)點或匯聚節(jié)點的處理能力范圍，則在簇頭節(jié)點或匯聚節(jié)點就會出現(xiàn)大量的數(shù)據(jù)積壓，當(dāng)存儲的數(shù)據(jù)量大于節(jié)點的內(nèi)存時，就會出現(xiàn)丟包的現(xiàn)象，這樣網(wǎng)絡(luò)的性能就會急劇下降。
解決這類問題的方法是采用選擇傳輸數(shù)據(jù)的方法。簇頭節(jié)點或匯聚節(jié)點根據(jù)數(shù)據(jù)的優(yōu)先級或系統(tǒng)的興趣來選擇要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行優(yōu)先傳輸，其他的數(shù)據(jù)則設(shè)置時間限制，當(dāng)時間超過時限時，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)先級的數(shù)據(jù)選擇適合于數(shù)據(jù)的上傳，其實時性較高。其具體實施方法是：在建立傳感器網(wǎng)絡(luò)時，在每個節(jié)點內(nèi)存儲1個優(yōu)先級表。優(yōu)先級表是根據(jù)WSN具體的應(yīng)用環(huán)境進行設(shè)定的，在網(wǎng)絡(luò)進行配置和部署時發(fā)送到每個傳感器節(jié)點內(nèi)，傳感器根據(jù)優(yōu)先級表設(shè)定數(shù)據(jù)的優(yōu)先級，將優(yōu)先級標識在數(shù)據(jù)包的頭部，簇頭節(jié)點或匯聚節(jié)點根據(jù)數(shù)據(jù)包頭部的優(yōu)先級進行選擇。優(yōu)先級表的數(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)點是能將系統(tǒng)最需要的數(shù)據(jù)傳送到匯聚節(jié)點。借鑒定向擴散協(xié)議[5]的思想，其實現(xiàn)方式是：系統(tǒng)主控機定期地向各級匯聚節(jié)點廣播興趣表(各級匯聚節(jié)點內(nèi)存儲有興趣表)。當(dāng)數(shù)據(jù)量過大時，匯聚節(jié)點將查詢興趣表，將收到的數(shù)據(jù)分為兩類，一類是符合興趣表要求的數(shù)據(jù)，一類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)點內(nèi)存不足時丟棄，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)點的數(shù)據(jù)選擇流程圖如圖5所示。
3 瓶頸節(jié)點解決方案
通過第2部分的分析和研究，可以總結(jié)出解決瓶頸節(jié)點的一般方案。其流程圖如圖6所示。當(dāng)傳感器節(jié)點采集到數(shù)據(jù)后，先進行簇內(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，當(dāng)簇頭節(jié)點收到的數(shù)據(jù)超出其處理能力時，根據(jù)優(yōu)先級或興趣對數(shù)據(jù)進行選擇。選擇后將數(shù)據(jù)傳輸至上層節(jié)點，在第1層設(shè)置網(wǎng)關(guān)節(jié)點，網(wǎng)關(guān)節(jié)點接收下層匯聚節(jié)點傳輸來的數(shù)據(jù)，進行轉(zhuǎn)換后使用高速的協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺赜嬎銠C。這樣，網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸效率就會有很大的提高。
本文通過對常用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲進行分析，指出其容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸瓶頸節(jié)點的原因，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)點的一般化方案，對解決實際中的瓶頸節(jié)點有一定的指導(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)實際的應(yīng)用對解決方案進行改進。
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