应急通信中WSN服务技术研究范文

1节能技术

拓扑控制使WSN中随机撒布的节点分布更加合理，能提高网络协议的效率，并在一定程度上起节能的作用。但是，WSN中的传感器节点处于不同的工作模式时能耗不同，数据传输能耗最大，数据接收和数据感知能耗次之，而节点休眠时的能耗最低。此外，路由协议对网络能耗有直接的影响，通过采用合理高效的分簇路由协议及数据融合机制，可以减少通信量、通信冲突和传播时延，提高能量效率及延长网络寿命。

1.1数据融合WSN网络中的传感器数量多，分布不均衡，传感器采集的数据往往有一定的冗余度。对此，可将多个节点采集的数据进行融合处理，从而大大降低网络中数据的传输量，有效节约能量。根据是否基于应用数据的语义，数据融合技术分为依赖于应用的数据融合技术和独立于应用的数据融合技术。前者数据融合率高，但需要跨层了解应用层数据的语义；后者简单，保持了网络协议层的独立性，但融合效率较低。因此，可考虑结合这2种数据融合技术。此外，根据对数据的操作级别，数据融合技术又可分为：数据级融合，如目标识别中的像素融合；特征级融合，如监测温度时，提取温度范围；决策级融合，如在灾难监测时，综合多个传感器节点的监测数据来判断是否发生灾害。

1.2能量意识的路由协议WSN的拓扑结构大致分为2种：平面结构和分簇结构。平面结构具有抗毁性和可扩展性强的优点。很多路由协议都是基于平面结构的，如简单的泛洪法、闲聊法、DT（directtransmission）协议等。其中，DT协议［7］中的每个节点直接与基站通信，能耗大，仅适用于节点距离基站很近且节点数目不多的情况。分簇结构将传感器节点划分为多个簇，由簇头对簇内节点进行管理，减少了传输的数据量和节点间的干扰，也降低了协议的复杂性。簇内节点监测到的数据具有高相似性，通过在簇头进行数据融合，可以大幅减少传输的数据量，提高能量的应用效率。分簇结构特别适合于网络规模较大的WSN。LEACH（low－energyadaptiveclusteringhierar－chy）协议是较早提出的一种WSN节能数据传输协议，其思想是轮转的方式随机选择簇头，将能量负载近似均匀地分配到每个传感器节点，从而降低网络能耗和延长网络生存时间。很多节能路由协议都运用了LEACH协议的节能机制并对其进行了发展。LEACH协议中，节点成为簇头的概率与节点数、簇头比例和轮数有关，具有一定的随机性，但能够以一定概率保证每个节点在经过特定轮次后成为簇头，从而均衡了能耗。簇头为每个簇内成员节点分配工作时隙，以减少相互间干扰。但LEACH没有考虑节点的分布和剩余能量，剩余能量较少的节点有可能再次被选为簇头。另外，LEACH协议中，簇头将簇内信息直接发送给汇聚节点，通信距离远，能耗高。一些新的协议在LEACH的基础上更全面考虑了如节点度、距离、剩余能量等因素，从而形成更优的分簇结构。例如，LEACH－C协议的基站在收到每个节点的剩余能量后，计算所有节点的平均能量值，把能量不低于平均能量值的节点作为候选节点。该协议属于集中式的路由协议，增加了网络中的控制信息的流量，但不适合规模较大的网络。CECA算法（coverageandenergyawareclusteringalgo－rithm）在分簇过程中优先选择邻居节点较多且与邻居节点间相对距离较近的节点充当簇头，同时还考虑了节点剩余能量。通过CECA算法形成的簇，簇头个数和簇的规模都得到了控制，簇内成员和簇头节点的通信代价较小，提高了成簇质量，延长了网络的寿命。LBMC算法（layerbasedmulti－hopcluste－ringroutingalgorithm）将网络节点分层，各层以不同的概率选取簇头，均衡和减少了中继负担，但分层以及预设层不一定符合网络实际部署情况。TEEN协议的簇形成阶段与LEACH协议相同，但是它设定了硬、软2个门限值。只有当传感器检测到的感知数据的属性值或者属性值差超过了设定的门限时才向簇头发送数据，从而减少了网络内传输的数据量。GPSR协议基于地理位置信息，采用贪婪的方法，每次把数据转发到邻居节点中距离目标最近的节点，以节省能耗。SPIN协议是以数据为中心的自适应路由协议，它采用协商的方法来减少数据的传递，具有很好的节能性。

2QoS保障技术

2.1服务区分机制

随着WSN应用的不断深入，其所承载的数据规模和复杂度都在不断增加。WSN既要传输对可靠性和实时性要求不高的普通文本数据，也要传输诸如语音、视频以及命令等对时延和可靠性要求高的数据。因此，有必要引入服务区分机制，将业务分为尽力而为业务、实时业务和可靠业务3类，并根据它们各自的特点采用不同的处理方式。尽力而为业务对丢包和时延要求较低，主要针对普通数据业务。在传输尽力而为业务之前要对网络进行监听，当发现有更高优先级的业务需要发送时，则退出信道争用，进入等待状态，间隔一段时间后再次进行探测，并当探测次数超过预定门限时宣告发送失败。在数据转发时，尽力而为业务使用当前网络最“闲”的路径，而不考虑路径的时延或可靠性指标。当发送队列中存在其他业务而当前网络不能满足这些业务的服务要求时，可通过暂缓发送或丢弃尽力而为业务的数据包来保证高等级业务的服务性能。实时性业务对时延敏感，但能容忍一定比例的丢包，主要针对多媒体数据。实时业务应选择端到端时延小于业务允许最大时延的路径进行发送。中间节点接收到实时数据包后，需要对剩余路径时延重新判断，并可以每次都选择时延较小的节点进行转发或抢占信道转发。可靠性业务对丢包敏感，但可以容忍一定程度的时延，主要针对重要数据。对于可靠业务，投递率是最重要的指标。可靠性业务需要选择端到端可靠性大于既定可靠性的路径进行转发，并可采用多路径转发策略来提高可靠性。中间节点需要对可靠性进行重新计算，没有可靠的路径时，进行数据包的回溯。此外，还可以采用贪婪的方法，每次都选择可靠性较高的下一跳节点进行转发。结合应用场景，还可以对业务进行更细致的划分，以便对优先级高的业务提供更好的保障。例如：449第6期王海涛等：应急通信中WSN服务增强关键技术研究进展指挥控制和语音信息业务等级高，视频业务等级次之，来自普通用户的普通数据等级最低。业务分类过细的缺点是增加了协议的复杂度，故应根据网络需求、业务特点、流量负载来选择适当的业务分级数。

2.2拥塞控制

WSN中无线信道不稳定，误码率较高，并且节点数量多，网络带宽较低，不同节点发送数据时极易发生信道竞争冲突，特别是当异常事件发生时，网络会突发性产生较大的数据量，易导致网络中发生不同程度的拥塞。为了确保数据可靠及时的传输，必须对拥塞进行及时有效的控制。拥塞控制涉及拥塞检测、拥塞通告和拥塞避免等机制。拥塞检测可以通过多种方法来实现：基于缓冲区占有情况来检测缓存队列长度是否超过临界值，该方法简单易行，开销小；基于数据包到达时间和发送时间的差值检测来判断是否有发生拥塞的可能或已发生了拥塞；基于信道负载检测，监听信道是否一直处于忙的状态来判断网络拥塞。拥塞通告是将拥塞信息从拥塞节点传给上游节点或导致拥塞的源节点，从而使源节点采取有针对性的控制措施。散布拥塞信息的方法可分为显式通告和隐式通告。拥塞避免的目标是使网络中的数据流量不能超过网络吞吐量，主要包括基于速率分配的拥塞避免机制和基于缓存通告的拥塞避免机制。CODA是一种典型的拥塞控制算法，它在节点发送缓存非空时对信道进行采样，以及时检测拥塞，并当节点发生拥塞时向上游邻居节点发送通告消息，接收到该消息的节点降低发送速率或采取丢包措施，并根据网络状况判断是否将拥塞消息继续传给其上游节点。CODA算法还提出了闭环多源调整机制，能够在源节点发送速率超过额定值时，通过基站对源节点进行拥塞控制。

2.3错误检测与恢复

除网络拥塞外，无线链路较高的误码率、节点失效和错误的路由信息都会造成WSN中数据传输出错或丢包。为解决此问题，可以采用增大源节点的发送功率或采用数据重传和恢复机制。不同于TCP协议采用基于端到端的数据检测方法，WSN通常采用逐跳的数据包检测，利用邻居节点来检测数据包丢失并尽量在局部区域进行数据重传，以节约能量。基于发送端的数据包丢失检测中，发送者基于定时器超时机制，每隔一段时间没有接收到接收者的确认消息，就认为发送的数据包丢失。基于接收端的数据包丢失检测中，如果接收者收到的数据包乱序，就认为有数据包丢失。如果能及时查找到数据包丢失的原因，就可及时加以纠正，以改善网络性能。例如，针对接收节点缓冲区溢出导致的数据包丢失，可以降低源节点的发送速率。如果是因为信道质量差而导致数据包丢失，则可以进行数据包重传。数据重传分为端到端和逐跳的重传：端到端重传由源节点来完成数据重传，而逐跳重传中，接收到数据包丢失的中间节点检查自己的缓存区是否有丢失数据包的拷贝，若有，则进行重传，否则把数据包丢失消息继续传输到上游节点。端到端的重传需要更长的传输距离，而逐跳重传需要在中间节点存储数据。另外，如果对每一个丢失的普通包都进行重传，能耗就比较高。由于WSN中的节点和信息存在冗余，丢失的普通包的信息还可利用其他节点的信息得到，可只对重要的数据包进行重传。

2.4QoS路由协议

QoS路由的任务是为一次连接寻找一条拥有足够资源且满足QoS要求的可行路径。它有2个基本功能：搜集并更新网络的状态信息和根据搜集的信息计算满足服务约束条件的可行路径。与无连接的尽力而为路由不同，QoS路由通常是面向连接的，需要预留资源。WSN中的QoS路由协议在节能路由协议的基础上，还应能适应网络状态变化，并且算法具有快速收敛性。SAR（sequentialassignmentrouting）协议［22］创建多棵树，每棵树的树根都是汇聚节点的一跳邻居。在算法的初始阶段，从根节点开始，不断吸收新的节点加入树。在树的延伸过程中，尽量避开那些服务能力不好以及能量消耗较多的节点。在数据传输过程中，一些树可能由于中间节点能量耗尽而断开，也可能有新的节点加入网络而使拓扑结构发生变化。因此，汇聚节点周期性发起“重新建立路径”的命令，以保证网络的连通性和服务质量。SAR协议的缺点是路由冗余高，计算、维护与存储路由开销较大。SPEED协议是WSN中的一种实时路由协议，能在一定程度保证端到端的传输速率和负载平衡。SPEED协议首先交换节点的传输延迟，以得到网络负载情况；然后节点利用局部地理位置信息和传输速率信息做出路由决定。此外，节点还通过反向压力路由变更机制避开开销过大的链路和路由空洞。但是SPEED协议没有考虑业务优先级，不能很好地满足实时性要求。为了减少网络传输延迟和提高传输可靠性，可以适时采用多路径路由。多路径路由分为2类：1）对单路径路由的扩展，在路由发现时，记录多条路由作为当前路由的备份，若当前活动路由失效，则从备份路由中选择一条路由继续发送，不需要重新发起路由发现过程；2）并行传输的多径路由，在多条路径间根据资源、延迟、跳数等因素，合理分配资源，达到快速传输数据的目的。例如，能量意识的多路径路由（EAMR）［24］在源节点间建立多条路径，把数据分成多个部分在这些路径上并发传输，在均衡网络能耗的同时改善了投递率以及容错性能。可靠多路径数据转发（ReInForM）路由中，从源节点开始，根据信道质量、数据传输可靠性以及到汇聚节点的跳数，确定需要的传输路径数目以及相应的下一跳节点。邻居节点在接收到源节点的数据后，重复上述源节点的选路过程。

3信息摆渡机制

为了提高WSN的数据传输可靠性和减少传输时延，可以在网络中部署一种称为“摆渡节点”的特殊节点。当网络出现分割或者为了提供更好的服务时，它们可以按需移动到指定区域进行数据转发，这一过程称为信息摆渡。信息摆渡机制非常适合WSN中出现分区或节点密度稀疏的情况，是一种非常适用于应急通信场合的WSN服务增强方法。摆渡节点（简称F节点）可以按需移动或沿特定轨迹移动的方式工作。假设传感节点A、B之间不能直接通信，而A需向B发送信息。第一种方式中，A先向F发送请求，F则向其运动，期间，A可以向F发送位置更新消息，F接受到A的信息后，向目的移动并将信息转发，之后再回到原地待命。第二种方式中，当F沿固定轨迹运动至A时，A将信息发送给F，F继续前进，当它移动到B的附近后再将信息转发出去。此外，还可以采取两者结合的方式，即F沿特定轨迹移动，但在接收到服务请求后可以离开原轨迹，在完成信息摆渡后，再回到原轨迹继续移动。有的协议采用多分区的方式来增强信息摆渡。每个分区部署一个摆渡节点，使其负责各自的分区。每个摆渡节点的工作量降低，而且摆渡信息的时间减少，加快了信息的转发速度。此外，多个摆渡节点间可以相互合作，交换发往对方区域的信息，从而增强跨区域的信息传输效率。在网络拓扑结构动态变化时，节点的主动移动也可以维持网络的覆盖性和连通性，优化网络性能和减少能耗。但是，信息摆渡机制需要额外的摆渡节点，增加了网络部署成本和控制开销。现有WSN网络协议假定网络中只存在一个汇聚节点，一旦汇聚节点因环境因素或人为因素而失效，整个网络将瘫痪。另外，只存在一个汇聚节点也易造成网络流量和能耗不均衡。基于信息摆渡的思想，允许汇聚节点移动或部署多个汇聚节点，可较好地解决上述问题。但是，存在多个汇聚节点时，如何构建优化的路由以及汇聚节点之间如何合作是需要考虑的问题。

4结束语

应急通信网络环境恶劣且复杂，对无线传感网的设计和部署提出了更高的要求。为了增强应急通信中WSN的服务性能和生存能力，必须借助于切实可行的技术手段。当前，许多学者从网络拓扑控制、节能技术、QoS路由和信息摆渡机制等角度来改善WSN的服务能力。对该领域当前的研究成果进行比较分析中不难看出：1）上述技术手段各有所长，并且大都针对特定的问题；2）它们之间具有较强的相关性和互补性，很多场合下应综合利用这些技术手段来充分利用稀缺的网络资源，进一步增强应急通信场合下WSN的服务能力。今后，除了进一步考虑研究上述技术手段的整合集成外，还需要加强WSN的容错、容侵和自动恢复能力。另外，在实际网络环境加以应用来评价上述服务增强技术的实际效能，并依据评判结果对原有的协议和算法进行改进和优化。

作者：王海涛李建州邹珊单位：解放军理工大学信息管理中心