應急通信中WSN服務技術研究范文

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1節能技術

拓撲控制使WSN中隨機撒布的節點分布更加合理，能提高網絡協議的效率，并在一定程度上起節能的作用。但是，WSN中的傳感器節點處于不同的工作模式時能耗不同，數據傳輸能耗最大，數據接收和數據感知能耗次之，而節點休眠時的能耗最低。此外，路由協議對網絡能耗有直接的影響，通過采用合理高效的分簇路由協議及數據融合機制，可以減少通信量、通信沖突和傳播時延，提高能量效率及延長網絡壽命。

1.1數據融合WSN網絡中的傳感器數量多，分布不均衡，傳感器采集的數據往往有一定的冗余度。對此，可將多個節點采集的數據進行融合處理，從而大大降低網絡中數據的傳輸量，有效節約能量。根據是否基于應用數據的語義，數據融合技術分為依賴于應用的數據融合技術和獨立于應用的數據融合技術。前者數據融合率高，但需要跨層了解應用層數據的語義；后者簡單，保持了網絡協議層的獨立性，但融合效率較低。因此，可考慮結合這2種數據融合技術。此外，根據對數據的操作級別，數據融合技術又可分為：數據級融合，如目標識別中的像素融合；特征級融合，如監測溫度時，提取溫度范圍；決策級融合，如在災難監測時，綜合多個傳感器節點的監測數據來判斷是否發生災害。

1.2能量意識的路由協議WSN的拓撲結構大致分為2種：平面結構和分簇結構。平面結構具有抗毀性和可擴展性強的優點。很多路由協議都是基于平面結構的，如簡單的泛洪法、閑聊法、DT（directtransmission）協議等。其中，DT協議［7］中的每個節點直接與基站通信，能耗大，僅適用于節點距離基站很近且節點數目不多的情況。分簇結構將傳感器節點劃分為多個簇，由簇頭對簇內節點進行管理，減少了傳輸的數據量和節點間的干擾，也降低了協議的復雜性。簇內節點監測到的數據具有高相似性，通過在簇頭進行數據融合，可以大幅減少傳輸的數據量，提高能量的應用效率。分簇結構特別適合于網絡規模較大的WSN。LEACH（low－energyadaptiveclusteringhierar－chy）協議是較早提出的一種WSN節能數據傳輸協議，其思想是輪轉的方式隨機選擇簇頭，將能量負載近似均勻地分配到每個傳感器節點，從而降低網絡能耗和延長網絡生存時間。很多節能路由協議都運用了LEACH協議的節能機制并對其進行了發展。LEACH協議中，節點成為簇頭的概率與節點數、簇頭比例和輪數有關，具有一定的隨機性，但能夠以一定概率保證每個節點在經過特定輪次后成為簇頭，從而均衡了能耗。簇頭為每個簇內成員節點分配工作時隙，以減少相互間干擾。但LEACH沒有考慮節點的分布和剩余能量，剩余能量較少的節點有可能再次被選為簇頭。另外，LEACH協議中，簇頭將簇內信息直接發送給匯聚節點，通信距離遠，能耗高。一些新的協議在LEACH的基礎上更全面考慮了如節點度、距離、剩余能量等因素，從而形成更優的分簇結構。例如，LEACH－C協議的基站在收到每個節點的剩余能量后，計算所有節點的平均能量值，把能量不低于平均能量值的節點作為候選節點。該協議屬于集中式的路由協議，增加了網絡中的控制信息的流量，但不適合規模較大的網絡。CECA算法（coverageandenergyawareclusteringalgo－rithm）在分簇過程中優先選擇鄰居節點較多且與鄰居節點間相對距離較近的節點充當簇頭，同時還考慮了節點剩余能量。通過CECA算法形成的簇，簇頭個數和簇的規模都得到了控制，簇內成員和簇頭節點的通信代價較小，提高了成簇質量，延長了網絡的壽命。LBMC算法（layerbasedmulti－hopcluste－ringroutingalgorithm）將網絡節點分層，各層以不同的概率選取簇頭，均衡和減少了中繼負擔，但分層以及預設層不一定符合網絡實際部署情況。TEEN協議的簇形成階段與LEACH協議相同，但是它設定了硬、軟2個門限值。只有當傳感器檢測到的感知數據的屬性值或者屬性值差超過了設定的門限時才向簇頭發送數據，從而減少了網絡內傳輸的數據量。GPSR協議基于地理位置信息，采用貪婪的方法，每次把數據轉發到鄰居節點中距離目標最近的節點，以節省能耗。SPIN協議是以數據為中心的自適應路由協議，它采用協商的方法來減少數據的傳遞，具有很好的節能性。

2QoS保障技術

2.1服務區分機制

隨著WSN應用的不斷深入，其所承載的數據規模和復雜度都在不斷增加。WSN既要傳輸對可靠性和實時性要求不高的普通文本數據，也要傳輸諸如語音、視頻以及命令等對時延和可靠性要求高的數據。因此，有必要引入服務區分機制，將業務分為盡力而為業務、實時業務和可靠業務3類，并根據它們各自的特點采用不同的處理方式。盡力而為業務對丟包和時延要求較低，主要針對普通數據業務。在傳輸盡力而為業務之前要對網絡進行監聽，當發現有更高優先級的業務需要發送時，則退出信道爭用，進入等待狀態，間隔一段時間后再次進行探測，并當探測次數超過預定門限時宣告發送失敗。在數據轉發時，盡力而為業務使用當前網絡最“閑”的路徑，而不考慮路徑的時延或可靠性指標。當發送隊列中存在其他業務而當前網絡不能滿足這些業務的服務要求時，可通過暫緩發送或丟棄盡力而為業務的數據包來保證高等級業務的服務性能。實時性業務對時延敏感，但能容忍一定比例的丟包，主要針對多媒體數據。實時業務應選擇端到端時延小于業務允許最大時延的路徑進行發送。中間節點接收到實時數據包后，需要對剩余路徑時延重新判斷，并可以每次都選擇時延較小的節點進行轉發或搶占信道轉發。可靠性業務對丟包敏感，但可以容忍一定程度的時延，主要針對重要數據。對于可靠業務，投遞率是最重要的指標。可靠性業務需要選擇端到端可靠性大于既定可靠性的路徑進行轉發，并可采用多路徑轉發策略來提高可靠性。中間節點需要對可靠性進行重新計算，沒有可靠的路徑時，進行數據包的回溯。此外，還可以采用貪婪的方法，每次都選擇可靠性較高的下一跳節點進行轉發。結合應用場景，還可以對業務進行更細致的劃分，以便對優先級高的業務提供更好的保障。例如：449第6期王海濤等：應急通信中wsn服務增強關鍵技術研究進展指揮控制和語音信息業務等級高，視頻業務等級次之，來自普通用戶的普通數據等級最低。業務分類過細的缺點是增加了協議的復雜度，故應根據網絡需求、業務特點、流量負載來選擇適當的業務分級數。

2.2擁塞控制

WSN中無線信道不穩定，誤碼率較高，并且節點數量多，網絡帶寬較低，不同節點發送數據時極易發生信道競爭沖突，特別是當異常事件發生時，網絡會突發性產生較大的數據量，易導致網絡中發生不同程度的擁塞。為了確保數據可靠及時的傳輸，必須對擁塞進行及時有效的控制。擁塞控制涉及擁塞檢測、擁塞通告和擁塞避免等機制。擁塞檢測可以通過多種方法來實現：基于緩沖區占有情況來檢測緩存隊列長度是否超過臨界值，該方法簡單易行，開銷小；基于數據包到達時間和發送時間的差值檢測來判斷是否有發生擁塞的可能或已發生了擁塞；基于信道負載檢測，監聽信道是否一直處于忙的狀態來判斷網絡擁塞。擁塞通告是將擁塞信息從擁塞節點傳給上游節點或導致擁塞的源節點，從而使源節點采取有針對性的控制措施。散布擁塞信息的方法可分為顯式通告和隱式通告。擁塞避免的目標是使網絡中的數據流量不能超過網絡吞吐量，主要包括基于速率分配的擁塞避免機制和基于緩存通告的擁塞避免機制。CODA是一種典型的擁塞控制算法，它在節點發送緩存非空時對信道進行采樣，以及時檢測擁塞，并當節點發生擁塞時向上游鄰居節點發送通告消息，接收到該消息的節點降低發送速率或采取丟包措施，并根據網絡狀況判斷是否將擁塞消息繼續傳給其上游節點。CODA算法還提出了閉環多源調整機制，能夠在源節點發送速率超過額定值時，通過基站對源節點進行擁塞控制。

2.3錯誤檢測與恢復

除網絡擁塞外，無線鏈路較高的誤碼率、節點失效和錯誤的路由信息都會造成WSN中數據傳輸出錯或丟包。為解決此問題，可以采用增大源節點的發送功率或采用數據重傳和恢復機制。不同于TCP協議采用基于端到端的數據檢測方法，WSN通常采用逐跳的數據包檢測，利用鄰居節點來檢測數據包丟失并盡量在局部區域進行數據重傳，以節約能量。基于發送端的數據包丟失檢測中，發送者基于定時器超時機制，每隔一段時間沒有接收到接收者的確認消息，就認為發送的數據包丟失。基于接收端的數據包丟失檢測中，如果接收者收到的數據包亂序，就認為有數據包丟失。如果能及時查找到數據包丟失的原因，就可及時加以糾正，以改善網絡性能。例如，針對接收節點緩沖區溢出導致的數據包丟失，可以降低源節點的發送速率。如果是因為信道質量差而導致數據包丟失，則可以進行數據包重傳。數據重傳分為端到端和逐跳的重傳：端到端重傳由源節點來完成數據重傳，而逐跳重傳中，接收到數據包丟失的中間節點檢查自己的緩存區是否有丟失數據包的拷貝，若有，則進行重傳，否則把數據包丟失消息繼續傳輸到上游節點。端到端的重傳需要更長的傳輸距離，而逐跳重傳需要在中間節點存儲數據。另外，如果對每一個丟失的普通包都進行重傳，能耗就比較高。由于WSN中的節點和信息存在冗余，丟失的普通包的信息還可利用其他節點的信息得到，可只對重要的數據包進行重傳。

2.4QoS路由協議

QoS路由的任務是為一次連接尋找一條擁有足夠資源且滿足QoS要求的可行路徑。它有2個基本功能：搜集并更新網絡的狀態信息和根據搜集的信息計算滿足服務約束條件的可行路徑。與無連接的盡力而為路由不同，QoS路由通常是面向連接的，需要預留資源。WSN中的QoS路由協議在節能路由協議的基礎上，還應能適應網絡狀態變化，并且算法具有快速收斂性。SAR（sequentialassignmentrouting）協議［22］創建多棵樹，每棵樹的樹根都是匯聚節點的一跳鄰居。在算法的初始階段，從根節點開始，不斷吸收新的節點加入樹。在樹的延伸過程中，盡量避開那些服務能力不好以及能量消耗較多的節點。在數據傳輸過程中，一些樹可能由于中間節點能量耗盡而斷開，也可能有新的節點加入網絡而使拓撲結構發生變化。因此，匯聚節點周期性發起“重新建立路徑”的命令，以保證網絡的連通性和服務質量。SAR協議的缺點是路由冗余高，計算、維護與存儲路由開銷較大。SPEED協議是WSN中的一種實時路由協議，能在一定程度保證端到端的傳輸速率和負載平衡。SPEED協議首先交換節點的傳輸延遲，以得到網絡負載情況；然后節點利用局部地理位置信息和傳輸速率信息做出路由決定。此外，節點還通過反向壓力路由變更機制避開開銷過大的鏈路和路由空洞。但是SPEED協議沒有考慮業務優先級，不能很好地滿足實時性要求。為了減少網絡傳輸延遲和提高傳輸可靠性，可以適時采用多路徑路由。多路徑路由分為2類：1）對單路徑路由的擴展，在路由發現時，記錄多條路由作為當前路由的備份，若當前活動路由失效，則從備份路由中選擇一條路由繼續發送，不需要重新發起路由發現過程；2）并行傳輸的多徑路由，在多條路徑間根據資源、延遲、跳數等因素，合理分配資源，達到快速傳輸數據的目的。例如，能量意識的多路徑路由（EAMR）［24］在源節點間建立多條路徑，把數據分成多個部分在這些路徑上并發傳輸，在均衡網絡能耗的同時改善了投遞率以及容錯性能。可靠多路徑數據轉發（ReInForM）路由中，從源節點開始，根據信道質量、數據傳輸可靠性以及到匯聚節點的跳數，確定需要的傳輸路徑數目以及相應的下一跳節點。鄰居節點在接收到源節點的數據后，重復上述源節點的選路過程。

3信息擺渡機制

為了提高WSN的數據傳輸可靠性和減少傳輸時延，可以在網絡中部署一種稱為“擺渡節點”的特殊節點。當網絡出現分割或者為了提供更好的服務時，它們可以按需移動到指定區域進行數據轉發，這一過程稱為信息擺渡。信息擺渡機制非常適合WSN中出現分區或節點密度稀疏的情況，是一種非常適用于應急通信場合的WSN服務增強方法。擺渡節點（簡稱F節點）可以按需移動或沿特定軌跡移動的方式工作。假設傳感節點A、B之間不能直接通信，而A需向B發送信息。第一種方式中，A先向F發送請求，F則向其運動，期間，A可以向F發送位置更新消息，F接受到A的信息后，向目的移動并將信息轉發，之后再回到原地待命。第二種方式中，當F沿固定軌跡運動至A時，A將信息發送給F，F繼續前進，當它移動到B的附近后再將信息轉發出去。此外，還可以采取兩者結合的方式，即F沿特定軌跡移動，但在接收到服務請求后可以離開原軌跡，在完成信息擺渡后，再回到原軌跡繼續移動。有的協議采用多分區的方式來增強信息擺渡。每個分區部署一個擺渡節點，使其負責各自的分區。每個擺渡節點的工作量降低，而且擺渡信息的時間減少，加快了信息的轉發速度。此外，多個擺渡節點間可以相互合作，交換發往對方區域的信息，從而增強跨區域的信息傳輸效率。在網絡拓撲結構動態變化時，節點的主動移動也可以維持網絡的覆蓋性和連通性，優化網絡性能和減少能耗。但是，信息擺渡機制需要額外的擺渡節點，增加了網絡部署成本和控制開銷。現有WSN網絡協議假定網絡中只存在一個匯聚節點，一旦匯聚節點因環境因素或人為因素而失效，整個網絡將癱瘓。另外，只存在一個匯聚節點也易造成網絡流量和能耗不均衡。基于信息擺渡的思想，允許匯聚節點移動或部署多個匯聚節點，可較好地解決上述問題。但是，存在多個匯聚節點時，如何構建優化的路由以及匯聚節點之間如何合作是需要考慮的問題。

4結束語

應急通信網絡環境惡劣且復雜，對無線傳感網的設計和部署提出了更高的要求。為了增強應急通信中WSN的服務性能和生存能力，必須借助于切實可行的技術手段。當前，許多學者從網絡拓撲控制、節能技術、QoS路由和信息擺渡機制等角度來改善WSN的服務能力。對該領域當前的研究成果進行比較分析中不難看出：1）上述技術手段各有所長，并且大都針對特定的問題；2）它們之間具有較強的相關性和互補性，很多場合下應綜合利用這些技術手段來充分利用稀缺的網絡資源，進一步增強應急通信場合下WSN的服務能力。今后，除了進一步考慮研究上述技術手段的整合集成外，還需要加強WSN的容錯、容侵和自動恢復能力。另外，在實際網絡環境加以應用來評價上述服務增強技術的實際效能，并依據評判結果對原有的協議和算法進行改進和優化。

作者：王海濤李建州鄒珊單位：解放軍理工大學信息管理中心