基于补偿的无线传感器网络可靠性数据传输协议

基于补偿的无线传感器网络可靠性数据传输协议摘要：该文在无线传感器网络分簇路由的基础上，提出了一种基于补偿机制的可靠数据传输协议PCI，该协议可以实现高效、及时、可靠的数据收集和传输。PCI主要包括三个重要部分：1）可靠性概率计算机制；2）消息分类机制；3）智能均衡机制。通过调用这三种机制，PCI协议可以减少冗余信息以提高传输性能，并且可以补偿信息发送量的不足以保证数据传输的可靠性。通过仿真可以发现，PCI协议比LEACH和ECDG有着更快的数据采集速率并且使整个网络具有更好的稳定性。关键词：无线传感器网络；可靠性；可靠数据传输中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044（2014）06-1178-05无线传感器网络经历了快速的发展，特别是针对一些危险的环境的监控，推出了许多应用。无线传感器网络可以在战场上、受灾地区和有毒区域密集的部署，用以处理各种突发事件，实现对类似战场、火山喷发等状况的监控甚至对类似核泄漏事件的监测[1]。这些极具颠覆性且寿命较短的应用需要即时可靠的收集传感数据，因为这些应用的主要特点是：1）具有突发性；2）短期内没有人工干预使得其难以及时的收集所需的信息。在一些具有破坏性的环境中，任何情况的发生都有可能造成传感器节点的突然死亡，于是，实现快速和准确的消息传输成为了一个无线传感器网络可靠性和服务质量的重要方面。因此，在一些节点失效的情况下，需要一种机制来保证足够的信息收集。换句话说，这种机制需要有一定的容错率，确保网络中出现一个或者一些节点死亡的情况时并不会影响到整个传感器网络所要执行的任务。以往的一些研究方法主要是通过减少数据传输量或者融合数据来实现能量高效的无线传感器网络，该文提出了一种新的、智能的机制——基于数据补偿的可靠性数据传输机制（PCI），该方案建立在分簇路由的基础上，一方面用以减少不必要的、冗余的信息，另一方面通过补偿信息传输不足来保证传输的可靠性。PCI可以提高网络可靠性、减少传输时延、使网络能量得到高效利用。1系统总体设计1.1系统模型PCI包括三个部分：可靠性概率计算模型P，消息分类机制C和智能均衡机制I。可靠性概率计算模型给出了接收方正确接受发送方发送的有效消息的可靠性概率，接着PCI可以由此计算出当前簇头节点（CH）发送的数据包能够被基站（BS）正确接受的概率。基于此可靠性概率值，通过消息分类机制C，PCI可以同步实现对消息的分类和转发。此外，PCI根据智能均衡机制中的补偿判断模块决定是过滤还是补偿信息。根据不同的情况，PCI调用不同的机制。我们将每单位时间内发送相同类消息的数量定义为消息的频率。补偿判断模块判断消息的频率并根据信息的饱和度来调用不同的模块。消息的饱和度是某个阈值。当消息饱和时，智能均衡机制调用冗余过滤模块来过滤那些具有时空相关特性的冗余信息。当消息不饱和时，智能均衡机制通过调用消息补偿模块提高消息的传输率，以此来保证能有足够的有效信息能够被基站准确的接收。1.2网络模型分簇的网络可以有效的减少网络的能耗，延长网络的生命周期。LEACH协议就是一个典型的例子[2]，这种协议运用分布式算法使网络中的节点自组织成簇，每个簇由簇内的簇头节点控制，这些簇头节点收集并融合来自其成员节点的信息，之后将这些信息转发至基站。而ECDG协议则是在成簇阶段之后，在这些均匀分布的簇头节点中生成一个路由树，只有作为根节点的簇头节点才负责把自身和其他簇头节点转发过来的融合消息转发至基站。与同类型的LEACH协议相比，ECDG也采用轮换选取簇头节点的方式，不同的是，他采用在簇头节点之间建立路由树的方法将信息通过多跳的方式传输至基站，如图1所示。考虑到大规模无线传感器网络的适用性，PCI协议是建立在ECDG协议[4]的基础上提出来的，我们假设：1）一个传感器网络是由一个基站和大量的传感器节点组成，这些节点是自组织成簇的；2）每个簇内的成员节点由该簇内的簇头节点监控，簇头节点可以广播消息至簇内的所有节点；3）所有的节点在部署完毕后都是静止不动的。4）每个簇头节点对于其簇内的成员节点而言，都是消息可达的。如图1所示，簇头节点通过单跳或者多跳的方式将数据转发至基站。簇内的成员节点的主要功能有两点：感知和传输数据。感知模块负责监控周围的环境，之后采集到的数据将被传输至簇内的簇头节点。1.3文中所用到的符号解释A1：接收方能够准确接收到的有效数据量，比如：基站。Ci：网络中的第i个簇。A2：Ci发往基站的数据量。Hab：节点a到节点b的跳数。Hi：簇头节点i到基站的跳数。P：默认的网络中传输错误的概率值[3]。Pab：节点a和b之间传输的准确率。Pt：簇头节点和基站之间传输的准确率。2功能模块的实现与测试在这一节中，我们将重点介绍PCI协议的组成结构和工作原理。如图2所示，PCI协议主要包括三个部分：1）可靠性概率计算机制；2）消息分类机制；3）智能均衡机制。图2PCI协议架构图在簇头节点选取阶段，PCI协议在簇头节点中同步地建立起来。在簇头节点处理消息之前，PCI首先运用概率估计算法计算出当前簇头节点发送的有效数据被基站正确接受的概率。然后，PCI开始处理消息，这个处理过程分为两个阶段：消息分类阶段和智能均衡阶段。在第一个阶段，PCI通过消息分类机制，同步实现对消息的分类和转发；第二阶段，PCI通过智能均衡机制决定是过滤还是补偿信息。其中的补偿判断模块的功能是确定消息的频率并根据信息的饱和度来调用不同的模块。2.1可靠性概率计算机制