分布式无线传感器网络通信协议研究

程道坤

新乡北方车辆仪表有限公司     河南新乡  453000

摘要：

分布式无线传感器的主要组成部分是微型的传感器,因此微型的传感器得到的关注度也越来越高。大量的节点存在于分布式无线传感器之中,因此分布式无线传感器的尺寸和规模就比较庞大,其可以在无人情况下工作,目前的应用领域包括:军事、环境、医疗以及商务等领域。分布式无线传感器网络通信协议是本文主要的研究和探讨对象。

关键词：无线传感器;分布式;网路通信;研究;

无线传感器网络是一种智能的网络系统,其英文是WSN。WSN通常由两个部分组成,即固定传感器节点和动传感器节点。该系统可以自主的开展许多工作,比如:数据的采集、融合以及传送。此外,使用无线通信可以构建出多跳的自组织网络系统。

1 DSN的概念与特征

DSN是一种分布式的智能网络系统, 由大量的微小传感器节点组成, 这些节点进行组织时使用的方式是自组织的方式。节点之间的距离很短, 多跳和对等是其主要的无线通信方式。DSN的运作环境比较特殊, 其可以在独立的环境下运行。此外, 用户要想实现远程的访问, 可以运用网关连接到Internet上, 目的就达到了。

我们可以将无线传感器和传统的无线自组织进行分析和比较,可以发现其有以下的特征:(1)网络规模很庞大。成千上万的节点在DSN中, 比传统的无线自组织多出几个数量级。(2)在分布上, 节点的范围很广, 密度也比传统的无线自组织高很多;(3)许多因素会影响节点,比如:存储能力、能量、计算能力都会限制节点。(4)节点比较容易受到损坏,此外网络拓扑结构的变化比较频繁。

2 通信协议及其研究成果分析

2.1 物理层通信协议分析

在无线传感器的网络当中,采用物理层协议,主要涉及的是无线传感器网络的传输介质频段的选择以及如何调试,在传输介质的选择过程当中, 目前主要使用的是无线电红外线和光波这3种形式,相比较来说采用无线电传输的优点是比红外线和光波传输的效率更高,因此无线电传输也是目前无线传感器网络物理层协议中最主要的传输方式,红外线传输和光波传输多,应用在一些比较特殊的无线传感器网络当中, 其传输过程并不需要一些复杂的解调制过程, 而对接收器的要求也没有无线电那样高, 数据传输过程中对于一些能量的损耗也较小。

2.2 LEACH通信协议分析

LEACH协议在无线传感器网络通信过程当中, 多采用一种簇头选举的策略来进行传输, 这一阶段大多数可以分成以下几个过程, 包括簇头选举的成型稳定状态以及数据融合, 在选举的阶段中, 由于无线传感器网络节点对于能力的消耗不足, 所以必须要考虑到节点对当前能量的消耗损失以及剩余能量的存储量等等。

2.3 数据链路层协议

在平面结构中, 所有的网络节点都处在平等的地位, 不存在任何的等级和层次, 这也被称为对等式结构。在数据链路层协议的拓扑生成过程当中, 需要探讨的问题主要有设计平面结构层次的新型网络拓扑结构, 减少拓扑生成过程中使用的一些控制报文的现象, 进而可以降低网络通信的开销, 结合整个拓扑生成的过程和信道分配的过程, 可以大大降低网络最初始的功能消耗问题。

3 分布式无线传感器网络通信模型的设计

3.1 模型的基本设计理念

该分布式无线传感器网络通信模型的设计理念主要分为以下4个方面：（1）采用构建虚拟单元格的方式，对传感器网络进行分割，并采用定位算法来确定各节点的位置，以达到“分布式”的目的；（2）通过对各节点剩余能量、节点度和平均距离条件3个因素进行加权计算，来确定每个单元格的首节点；（3）在每个单元格中，首节点均通过Prim算法所形成的最小生成树来进行数据的发放和收集，以实现轻量化的目标；（4）如需要新加入节点，则要先向首节点发出请求，由首节点周期性的广播信息包来实现对新加入节点的管理，并通过向下一跳节点发送消息包来实现网格间的节点维护。

3.2 模型的建立

3.2.1 区域划分

在模型的区域划分中，主要应用GAF算法来实现虚拟单元格的划分，整体的通信模型被划分为若干个虚拟单元格。同时，还需要对虚拟网格的边长进行计算，以确保相邻网格中的节点无论在任何位置都能进行相互通信，一般来说，网格半径应不大于通信半径的。通过这种方法，首节点即可在整个监测区域均匀分布，确保连接处于稳定状态。

3.2.2 簇群的形成

在首节点的选择中，通常需要对节点的剩余能量、处理能力和传输能耗进行考虑。一般来说，首节点的剩余能量应当最多，以确保此节点所建立的多播树具有较长的网络生存周期，节点的处理能力则要求实际节点度和理想节点度偏差的绝对值尽可能小。

在多播组结构形成后，开始建立多播组：（1）传感器节点全部初始化，网格区域内的各个节点同时广播自己的位置信息和剩余能量情况，并收集临近其他节点的信息；（2）节点收到其他节点的信息后，将收到的权值信息与自身的权值进行对比，在全部比较完成后，如自己权值最低，则宣称自身为首节点，如果存在数个相同的最低节点，则随机选择一个节点作为自己的首节点；（3）在确定首节点后，在网格内广播相应信息，告知其他节点，并邀请其他节点加入多播组结构，其他节点在加入多播组结构之后反馈信息，与首节点建立连接，多播组结构形成。

3.2.3 多播树的形成

基于多播树的通信协议有着资源利用率高、拥塞少和时延小等诸多优点，因此，在通信协议中需要通过多播路由算法构建多播树，目前主要使用Prim算法，其主要通过以下两个步骤加以实现：（1）对初始节点和各个首节点之间传递过程的能量消耗情况进行计算；（2）在最小生成树中逐个加入顶点。在多播树形成后，数据信息传递从首节点开始，沿着最小生成树的路径进行传递，临近的首节点收到数据信息后，对这些数据信息进行融合，并发送到初始状态节点，再通过最小生成树进行控制信息的广播。

3.3 模型基本结构

该通信模型的基本结构由以下几部分构成：（1)Sink节点：即无线传感器网络的汇聚节点；（2）首节点：网格内簇群结构的首节点；（3）普通节点：簇群结构的成员节点。

传感器节点存在着发现、工作和休眠这3种不同的状态，在初始化阶段，所有传感器节点的状态均为“发现”，当虚拟网格划分完成后，节点将包含更多信息，并将信息报文发送到其他节点中，通过采用路由算法，可以选择出剩余能量较高的节点作为首节点，被选中的节点自动切换为工作状态，而其他未被选中的节点则进入休眠状态。

3.4 模型维护

对于新加入的节点，需要向网格内的其他节点广播消息包，首节点在收到消息包以后，将节点加入多播组，实现新加入节点的通信功能；当节点能量不足时，则要对其采取修复措施，对于非首节点，直接从路由表中删除即可，如该节点是首节点，则要根据应用需求策略，让其下行节点越过簇群，与上行节点建立连接，以继续运行。

结语

当前分布式无线传感器网络通信在实际应用中仍存在着一定的不足之处，仍有较大的发展空间。为此，研究人员要在实践中寻求网路通信协议技术的优化和创新，确保分布式无线传感器网络通信在各行各业中发挥不可替代的作用。

参考文献

[1]顾逸枫,张正华,沈逸,苏权.无线传感器节点数据采集及分布式远程控制[J].无线电工程,2020,50(08):661-665.

[2]甄雪,张闪闪.一种分布式的基于预留的多信道MAC协议[J].计算机技术与发展,2020,30(01):54-59.

[3]薛冰洁,周琪栋.基于网络大数据的WSN分布式路由协议研究[J].智慧工厂,2019,(09):63-65.