面向物联网的无线传感器网络节能策略研究
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作者:杜雨晅
【摘要】 本文提出了一种面向物联网的无线传感器网络体系结构，利用异构无线传感器网络提供统一的网络拓扑结构。在此基础上，重点研究了节点在收敛层上的最优部署策略。目标是最大限度地延长子网络的生命周期，同時最小化部署成本。仿真结果表明，所提出的部署算法能够达到最优的收敛节点数。所提出的部署策略能够在网络生命周期和部署成本之间实现均衡的权衡。
【关键词】 物联网 无线传感器网络 组网架构 寿命 成本
引言：物联网仍处于初步研究阶段。与目前的互联网技术相比，物联网没有任何世界范围内可接受的体系结构，其概念、范围和标准也不明确。目前还没有一种能够方便地支持大型无线传感器网络或异构网络组网的完美结构。无线传感器网络作为物联网的重要组成部分，在弥合物理世界和信息世界之间的鸿沟方面发挥着非常重要的作用。传感器从环境中收集数据，并生成信息，从而提高人们对环境的认识。
一、层次结构
本文提出了一种面向物联网的无线传感器网络体系结构，通过异构无线传感器网络的互连，该体系结构可以方便地支持典型的物联网应用，如数据融合、共享、搜索等。
物联网网络体系结构应从可靠性、可扩展性、模块化、互操作性、QoS能力等方面进行有效设计。为了达到这一目标，我们提出了一种分布式的层次结构，包括传感器子网、收敛层和应用程序访问层。收敛层由多个传感器子网可以访问的多个收敛节点组成。因此，收敛节点应该具有多个物理信道接口[1]。融合层可以提供处理海量数据处理和信息共享服务的平台。收敛级的主要任务是对传感器子网中的数据进行聚合，并进行统一处理，对传感器信息融合、查询和协作提供了数据预处理。为了提高网络的灵活性，可以同时访问多个传感器子网的一个收敛节点，并且有可能在同一子网中存在多个收敛节点。由于收敛节点通常比无线传感器节点具有更高的计算能力和功率能力，应用程序访问级别容纳传感器子网的接收器节点。对于物联网的大规模应用，该级别由多个接收节点和一些无线接入点组成。
本文所提出的体系结构不同于usn高层框架。它涉及以下两个方面。首先，在USN框架中，采用汇聚网络层来代替USN接入网、USN基本网和USN中间件。在USN下，接入网是由各种接入网关组成的，这些网关负责感知网络的实际类型。其中一个无线传感器网络具有相应的接入网关，具有特定的接口和信道。另一方面，我们的体系结构中的收敛节点取代了接入网关，以完成各种传感器子网的访问任务。为了实现这一目标，汇聚节点具有多个协议码和通信接口。因此，可以统一接入方式，使不同子网之间的组网更加灵活;其次，在USN框架中，网络中间件位于基本网络层之上，中间件虽然满足了异构子网之间的协作需求，但由于其依赖于应用程序，因而过于复杂，难以实际实现。相反，在我们的体系结构中，汇聚节点的功能相当于在网络层下移动中间件[2]。数据融合和存储可以在收敛层完成。因此，通过对数据进行预处理，可以简化接入过程，减少进入基站网络的数据流量。在最新的物联网应用中，通常情况下，应用程序和无线传感器网络之间存在一对一或一对多的对应关系。
二、部署模式
体系结构中的收敛水平是影响物联网网络性能的关键因素，传感器子网应该访问收敛级别的至少一个节点。然而，在实际的物联网应用中，传感器子网一般具有较大的节点规模。由于电池供电，这些传感器节点的寿命一直是无线传感器网络面临的一个难题。幸运的是，在收敛水平上的节点通常比普通的传感器节点具有更多的功率和资源。确定最优的收敛节点数目对于最小化部署成本和最大化网络寿命是非常重要的。为了确定最优收敛节点数，提出了一种网络寿命和代价的解析模型，量化了网络收敛节点数、设备寿命和设备部署成本之间的关系。我们考虑两种网络拓扑，即网格拓扑和随机拓扑。这两种拓扑是物联网环境下常见的网络体系结构。在网格拓扑结构中，传感器节点位于网格的交叉点。这种拓扑结构是一个简单的分析模型。在随机拓扑中，传感器节点以随机分布的方式部署。这种拓扑结构类似于物联网的实际应用场景[3]。使用该模型的节点可分为三种类型，即收敛节点、临界节点和正常节点。收敛节点通常被均匀地部署以收集与能源相关的信息。从一个收敛节点的一跳内的传感器节点称为临界节点，它将来自其他传感器节点的所有信息转发到收敛节点。因此，它们对于子网通信场景中的网络连接至关重要。与关键节点不同的是，其他传感器节点位于收敛节点的覆盖范围之外，称为正常节点。
结论：本文提出了一种面向物联网的无线传感器网络的分层结构，并对无线传感器网络节点的优化配置进行了研究。我们建立了一个分析模型，推导出收敛节点数、网络生存期和部署成本之间的关系。分析表明，网络规模、关键节点数、分组收发能量消耗、传感器成本与收敛节点成本的比值等几个系统参数决定了最优收敛节点的数目。虽然模型和性能结果都是基于网格拓扑和随机拓扑，但最优部署方法可以推广到更复杂的物联网场景中。
参 考 文 献
[1]郭纪良. 物联网无线传感器网络在粮情监测中的应用研究[J]. 电子元器件与信息技术， 2018， 8（1）10-14.
[2]刘忠群. 物联网中无线传感器网络的安全性研究[J]. 电子制作， 2017（24）：23-24.
[3]王进. 物联网下无线传感器网络分布式通信的研究[J]. 中国新通信， 2017， 19（11）10-12.
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