基于网络效用与寿命的无线传感器网络跨层优化
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【摘要】无线传感器网络综合了分布式信息处理技术、嵌入式计算技术、传感器技术、无线通信技术，它涉及学科知识高度密集，现已成为国内外重点关注的研究领域。伴随传感器网络的应用性越来越广泛，研发了很多新型传感器网络体系，同时，也对无线传感器网络的快速而全面的发展形成良好促进。在无线传感器网络中，系统的性能受到网络层协议和MAC层的影响较为明显，如果想要优化就必须从跨层设计的角度，结合网络层和MAC层来进行协议优化。协议以传感器网络跨层优化为基础，提出能量有效的链路稳定分簇算法，它相比典型分簇算法理论的无法适应动态网络、不易在实际的环境中实现、前提多等缺点，它在分簇算法中应用了最优发射功率传送受的功率控制机制。它在网络的吞吐量以及网络的能量有效性方面具有很好的性能。
【关键词】跨层优化协议；功率控制；分簇算法；无线传感器网络
分布式信息处理技术、无线通信技术、现代网络技术、嵌入式计算技术、传感器技术综合组成了无线传感器网络。它能够通过雷达传感器、温度、视觉、红外、磁性传感器、低取样率、振动传感器等各类集成化的微型传感器来对协作地实时采集、感知和监测，通过无线传播，被检测的信息以多跳路由、自组织的网络方式被发送到用户终端。在空间探索、对危险区域的远程监控、防恐反恐、抢险救灾、环境监测、生物医疗、城市管理、农业生产、工业控制、军事国防等重要领域都需要应用传感器网络，所以，得到世界各国的高度重视。
无线传感器网络的目的是处理、采集、感知网络覆盖的地域中的对象信息，者最终能够获得该信息。无线传感器网络的构成由一组传感器以自组织方式形成。而传感器网络的三个最基本的要素则是观察者、感知对象与传感器。其中，观察者与传感器之间的通信方式是靠无线网络来体现的。传感器网络的拓扑结构会随着节点失效、接入或移动而在不断地发生动态变化。其中每一个节点都具备恢复连接、定位以及动态搜索的能力，每一个节点都是一个路由器，节点之间的通信是以自组织的方式来进行的。用户界面、互联网、接受发送器、分布式传感器节点构成了典型的传感器网络系统。工作人员研发除了多个传感器节点上的协议栈，这个协议栈体系结构由传感器应用支撑技术、传感器网络管理技术，以及分层的网络通信协议来组成。它是一个较为完整的传感器网络协议栈体系。可以通过各个层协议栈全局性能信息的协作和交互，跨层优化策略根据系统的网络特征、约束条件和应用目标来选用相应的优化策略，来实现用户对于不同服务质量和服务目标的要求，最终提高系统整体性能。
1.无线传感器网络跨层设计
跨层设计在整体的框架内，针对各层相关协议的不同要求和状态，在层与层之间进行信息的共享和传递，它利用层与层间的互相影响和互相依赖来实现对网络性能的整体优化。跨层设计与优化的优点在于优化了系统整体的性能，减少了通信和处理的开销，通过层间交互的方式，不同的层次能够对本地信息实现及时共享。跨层协议栈的层间交互比传统的分层结构要更为复杂，它降低了通用性。跨层设计方法采用了消息驱动控制，各层功能模块和协议的协同有利于对冗余功能进行有效消除，与此同时，在任意层之间也可进行信息的交互。对于特定的场合可以匹配网络条件和应用需求，来进行优化和集成设计。层间交互所带来的协议设计复杂性的缺点要远远小于跨层设计方法带来的优势。
通常情况下，可以通过2种方法来实现无线自组织网络的跨层设计：
①将依存关系密切的多个协议层集合为一体。例如：为了充分利用网络层和MAC层的信息交互，在对跨层优化进行设计时，在一个协议中可将路由协议和MAC协议结合设计。严格的跨层接口设置在各个层之间，并且以网络状态共享库的方式相互协作、将各层合并为一体可以从整体上对网络的性能进行提升。典型跨层协议栈优化设计参照图1所示。
②在进行某一协议层优化的同时，也要考虑其它协议层的相关参数，不能就仅仅考虑本层的相关参数。例如：为了能够优化路由算法，网络层可以采用通过将物理层的信道质量参数作为路由选择的判断依据的方式。而且，为了优化网络性能，对链路拥塞进行有效控制，网络层也能够采用将传输层的链路拥塞信息作为其路由算法另外的重要判断依据的方式。在无线传感器网络中，结合了网络分簇和功率控制的无线传感器网络技术，以及通过基于网络层和MAC层的跨层优化策略，可以从整体上提高系统的性能。
2.无线传感器网络功率控制
减小网络整体能量的消耗以及降低节点发射功率是功率控制对网络能量有效性所带来的影响。功率控制在确保信道连通的状态下，减少发射端节点的能量消耗以及降低发射功率的富余量。发射功率大小与网络的拓扑结构及连通性有关。节点的发射功率过大会造成网络在节点发射功率上消耗太多能量，还会降低网络整体性能。而节点的发射功率过小则会造成网络的割裂，使部分节点不能建立通信连接。网络的拓扑特性可以通过功率控制技术来进行调控，进而达到网络应用相关性能要求，同时通过寻找最优的控制策略以及传送功率来进行拓扑结构的优化。网络的平均竞争强度也受到节点发射功率大小的影响，可以通过对网络中节点的发射功率来实现功率控制，从而降低网络的平均竞争强度。对于网络容量的影响，功率控制一方面表现在容易发生数据包的重传或丢包，要想降低通信冲突概率、有效减小网络中的冲突域，可以通过功率控制技术来实现。另一方面，允许网络内更多的并发数据进行传输，有效减少数据传输节点能够影响邻居节点的数量。无线自组织网络分组的每一跳都会经历3个阶段，分别为队列延迟、传播延迟、处理延时阶段。无线自组织网络在传递消息时，采用多跳路由的方式。传感器网络的相关应用性极强，通过对节点的发射功率进行改变，能偶延长系统的生存时间、提高能量效率，并尽量降低网络的通信能耗。对于无线传感器网络的性能而言，网络拓扑控制对其的影响较大。良好的拓扑结构有助于延长整个网络的生命时间，为目标定位、时间同步、数据融合提供了基础，还可以提升MAC协议和路由协议的效率。网络中的每一个节点以均衡节点的单挑达到邻居数据的方式，通过功率控制机制对发射功率进行调节，并进行网络拓扑结构的优化。
3.无线传感器网络分簇路由协议与算法
对于传感器网络的通信需求与特点，网络层必须解决通过局部信息来优化路由生成与路由选择的问题。网络在分簇路由协议中被划分为簇。每个簇都是由一个或多个簇构成，高一级网络中的簇成员是低一级网络的簇首。在每一个簇内，按照机制算法来选取某个节点作为簇首，用以簇内数据的融合处理以及信息的收集、协调成员节点之间的工作、控制或管理整个簇内成员节点。传感器网络中典型的分簇路由协议就是LEACH，LEACH的思想为：为了能够延长网络生命周期、降低网络能量耗费，通过对簇首进行等概率的随机循环选择，在每一个传感器节点上平均分配整个网络的能量负载。
LEACH协议提出了数据聚合层次路由协议，每一个节点产生一个随机数，若该随机数小于阀值，就为簇首。并且对周围簇首消息。其计算公式如下：
，，其中，为节点当选簇首的概率，是网络中总节点数与簇首数的百分比；是还未当选过簇首的节点集合，是选举轮数。选过簇首的节点将不能成为簇首，节点产生小于的随机数概率增大，剩余节点当选簇首的阀值增大。LEACH算法中也存在着很多缺陷，例如簇首节点分布有失均匀，使整个网络的寿命降低。
平面路由协议要求节点具备路由功能，这会导致网络拓扑结构发生改变，因能耗过快而造成节点失效，进而降低网络性能。分簇算法对于节点数量多、规模大的传感器网络而言，提高了路由性能与系统的稳定性，延长节点生命期限。无线传感去网络中主要是在网络层和MAC层对系统的能量产生影响，可以通过从网络跨层优化角度来降低能耗。簇首之间采用高发射功率连通，同一簇内则采用低发射功率通信，从而扩大网络吞吐量，降低通信能耗，确保了网络连通性。为了避免附近簇的信号干扰，LEACH算法总，由簇中节点所使用的CDMA编码来进行数据的发送。在无线自组网络中，节点j接收到来自节点i的消息，在接收阀值r小于节点j接收消息信噪比时，j能够正确接收到i的消息。v是接收节点的热噪声，G是链路增益，是发射功率余点发射功率，为i点发射功率。，通过公式可以得出定发射功率量网络节点通信的成功概率。大规模自组网络节点的通信成功率可以通过功率控制技术来进行提高，但不对称性发射功率加重了隐蔽站的问题的严重性。在分析了影响无线传感器网络性能的因素后，改进方案如下：设置节点分布密度为，距源节点的距离r与源节点周围圆周上节点分布数量有关，发送消息概率是，那么，在一定面积内节点的数量是：。在功率控制机制中，因发射半径与节点的发射能耗成正比，节点的分布密度为，对网络性能影响的因素是节点的最大发射半径R。功率控制算法与适用于无线传感器网络的链路稳定分簇算法在扩大网络吞吐量的同时，有效降低能耗。
5.结束语
文章分析了无线传感器网络跨层优化协议，提出以功率控制技术和分簇算法为基础的无线传感器网络跨层优化协议。并对功率控制技术和分簇算法可改善无线传感器网络性能的方法进行了分析。跨层优化能够通过各层协议栈之间全局性能实现信息的协作和交互，提高系统整体性能，保障跨层协议可以较好适用于真实工程环境，使网络具有更高的吞吐量和有效性。
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