顾大刚 黄伟 邹茜

（贵阳学院 贵州省贵阳市 550005）

1 概述

我们发现由于近年来传感器相关节点及网络的快速发展，传感器采集器的大小与成本已逐年减少，因此可以大量的把感测节点布置到所要采集信息的环境范围，其放置的密度可以根据需求来设定，数量甚至可以达到数十万都有可能。由于传感器可以任意的设置，且都是独立的个体，在这么高密度且分布式的环境中，如何利用有限的资源在有限的时间内有效率完成，且能管理整个数据采集非常具有挑战价值[1]。

近年来科技的发展非常迅速，数据采集(data gathering)是无线传感网络中最基本的功能，所有采集装置将采集到的数据经过处理，然后直接传输或多步、多层次传输至某一个特定的汇聚节点，等到汇聚节点收集并融合完所有的数据资料后再回传至服务器或远程用户。无线传感网络中最主要的能量消耗就是信息传输，如果每个信息采集器都直接将采集资料传输至总节点将会产生很大的能量消耗，所以当某些传感节点能量耗尽无法运作时，整个网络所采集到的资料将不完整也不精确。因此，无线传感网络在资料收集中，必须控制传感器能量的消耗[2][3]。

1.1 无线传感网络节能架构方向研究

本文团队已对现有的无线传感网络节能方法及相关的节能优、缺方式进行了前期研究，并对相关的节能方法进行了总结。

第一种方法是前期很多研究学者采用了集群式(cluster-based)的架构，也就是在应用中，将使用特定的集群管理节点来管理整个无线传感网路，其中可以通过集群管理节点的位置进行区域划分，不同的集群可以通过不同的算法及通道，直接或多步传输方式进行数据的传输，然后将相关数据信息传输给集群管理节点[4]。集群管理节点同样也可以通过相关算法，直接或间接的将指令、数据回传到节点或远程用户。集群管理方式架构简单，但是会导致能量消耗不均衡，造成整体网络的生命周期下降。

第二种方法就是采用树(tree-based)形架构，这种架构的特点就是将整个网络的传感节点采用树形结构进行连接，并且传输信息时候采集数据信息并进行传输时候是从树形的底部进行数据采集并依次上传至根节点[5]。这种结构有效的降低了系统的整体能耗，能有效延长网络的生命周期，但是由于根节点运行时间较长，能耗消耗也比一般节点快，特别是越上层的节点能耗越多，所以这种结构只在一些特定的场所使用。

第三种方法就是采用链路(chain-based)架构，这个结构的特点就是将整个无线传感网络的传感采集节点采用特定的算法链接成一条链路，这样使得节点间的传输距离短，整个网络架构的能耗消耗比较平均，不过这样的架构会导致数据采集的时延较长，采集数据的准确度下降。本研究在此基础上，设计一个解决网络时延的方法，使得链路架构采集数据准确性增加[6]。

1.2 无线传感网络分层式数据采集研究

通过前期研究表明一个存在大量传感网络节点分布的无线传感网络中，需要设计一个分层式的资料收集的架构，这能极大的提高信息采集与传输的效率，提高网络使用的范围、周期。我们将无线传感网络的底层设计为许多条不等长的链架构组成，上层设计为各链路的管理节点组成的链路，各个管理节点能把所采集到的资料通过上层的链架构依序进行数据与资料的传输；设计无线传感网络的底层链路由不等长的链路组成，由于不等长的链路所以会发生无线传感网络在传输过程中的信息传输时间的不同，由此会有先后的进行数据传输，由于在传感链路中存在传感管理节点，有它对采集链路的数据信息进行管理，并对采集数据的传输时间、传输大小进行管理，可以有效管理无线传感网络的有效生命周期，所以这样可以使得我们设计的链路结构的整体传输时间的稳定性[7]。

1.3 无线传感网络的传输能耗

在很多的无线传感网络环境中，封包传输的延迟时间与能耗是一项非常重要的考虑指标。通常为了要减少传输延迟时间，往往需要消耗较多的能量，所以需要进行无线传感网络的能量均衡研究。因此，在能量损耗与传输延迟时间之间取得平衡便非常重要，我们亦针对Energy×Delay 作效能比较。研究的传输能耗，需要我们对提出的资料收集机制，在均衡节点方面，进行一系列的效能模拟。

比如在仿真过程中进行相关定义：

（1）网路延迟（Delay）：每一个传感网络节点，接收和传输等待时间区段定义为一个网络延迟单位时间，一个回合内需要多少网络延迟单位时间内能把所有资料回传至总结点，无线传感网络延迟时间越少，代表感测网路系统所能运作的效率越高。

（2）每回合总能量消耗（Energy consumption per round）：其代表完成一个回合的数据采集过程，每个传感采集信息节点所消耗的能量进行相加。因此，一个有效的资料收集方法，其每回合总能量消耗会减小。

（3）Energy × Delay：其Energy 表示每回合系统的总能量消耗（如上），和Delay（如上）。

2 分层式远距离传输研究

2.1 链结构传输研究

如图1所示，我们以距离主节点最接近的节点作为建立整个链架构的起始点，因为我们的方法是将链架构再分成多条子链路，透过距距离主节点最近的子链路，其子链路上的节点轮流把数据回传至主节点。所以我们以距离主节点最近的节点开始设计整条链路，让链架构的第一条子链路能较靠近住节点。在此我们利用greedy 的方式建立链架构，由距离主节点最近的节点寻找目前不在链架构上且与其距离最短的节点加入链架构，而新加入的节点也依此方式寻找下一节点加入。

2.2 分层式远距离传输研究

假设i 为目前节点，j 为距离i 距离最近且不在链架构的节点，y 为距离 j 最接近且已在链架构中的节点，x 为y 的上一节点，z 则为y 的下一节点，具体设计思路如下：

（3）将x 的下一点由y 改成j，y 的上一点由x 改成j，并把j标记为已在链架构中(若是较短，且则修改y 的下一点为j，z 的上一点为j。

（4）若修改成功，i 继续寻找未在链架构的节点加入，反之，j 继续寻找未在链架构的节点。

假设整个网络的无线传感节点共有n 个，当链架构建立完成后，我们从距离基地台最近的节点开始编号，给予每一节点一个ID(identifier)，从1 开始依序加1 至n。然后我们开始把链架构分成k 条子链接，目前一般的方法都是直接把n 个点直接均分成k 条等长的子链接。

3 总结

在链路建立的算法及架构是影响其效率的重要因素，所以本文在考虑链路建立时候对其进行远距离链接架构设计，考虑其传输距离的长短进行能耗的对比，找出建立子链路的能耗均衡链路，增强无线传感网络的生命周期。