（广东电网有限责任公司惠州供电局 516000）
摘要：针对周期工作-事件驱动混合型异构传感器网络，设计一种基于静态Sink搭配移动数据收集器（MDC）的数据收集策略。为了解决MDC访问规划问题，提出一种最小能耗访问节点集搜索算法。首先，基于节点相对边缘度从整体层面去除适量边缘节点；然后，依据节点排除优先度，迭代排除当前节点集中相对能效最低的节点，从而逐步获得优化的访问节点集。仿真实验结果表明，所提出的新数据收集策略具有优异的能效性、负载均衡性和实时性。
关键词：混合型异构传感器网络；静态Sink；移动数据收集器；最小能耗访问节点集；存储空间溢出约束
在大多数传感器网络应用中，传感器采用电池供电，因此节点的能量是WSN应用的瓶颈[1]。能效是传感器网络性能的一个重要指标，典型例子就是能量空洞问题[2，3]。在WSN中，数据流遵循多对一模式，离Sink较近的节点需要承担更多的通信负载。因此，这些节点容易过早耗尽自身的能量，导致在Sink周围出现能量空洞。能量空洞的出现使采集数据不能进一步传送给Sink节点，此时网络的生命周期结束，网络中遗留大量未被充分利用的能量资源。尽管一些研究采用多级传输半径方法和节点非均匀分布方法来尽可能地平衡网络能量的消耗，但能量空洞问题依然存在。此外，传感器节点一般通过多跳（multi-hop）的方式将数据传输给Sink，这就要求在传感器和Sink之间存在一条完整的数据通路。为了满足这个要求，在随机布撒的网络中，传感器的密度必须达到一定的阈值。然而，随着传感器能量的消耗或外界的破坏，部分节点无法使用，造成网络连通性的丧失，产生路由中断。要修复这些漏洞需要重新布置传感器，代价很大。
1。相关工作
数据收集是传感器网络的主要任务，在早期的研究中主要侧重于基站固定的情况，所有感知节点在网络初。始化时，记录下基站的位置以及到达基站的路径，每当探测到数据信息时，就通过多跳的方式向基站发送。比如，。建立以基站为根的路由树，当探测到满足查询的消息后，沿着预先维护的路径进行传输。LEAcHlel，。HEED和DEEG协议把网络分成若干簇，当感知到数据时首先发送到簇头，由簇头转发给基站。然而，这些方。法在数据的传输过程中都要经过基站周围的节点，导致这些节点的死亡速度将比其他节点快得多。。避免这一问题的直观方法是移动基站，使负责向基站转发的节点经常变化，将网络负载分摊在不同的节点上。
提出了一个将数据路由和基站移动相结合的模式来达到负载平衡。由于基站不停地移动，这种方式只能支持基于查询的数据收集，同时，网络内的负载并没有降至最低。有文献采用了移动基站的方法来最大化网络寿命，但不同的是，这些工作将基站移动问题模型化为线性规划问题，找到基站的最优移动计划和特定的停留点。另一种依靠基站移动来收集数据的模式是节点通过单跳的方式直接与基站通信。在这种模式中，当基站移动到该节点附近时，节点才将探测到的数据传输给基站。shah等人提出了数据骡子（datamules）的模式，探测到数据的节点首先将数据缓存起来，当有mules移动到该节点附近时，数据传输给mules，然后由mules在移动到后方基站后卸掉数据。这种方式的好处是节点所拥有的负载较少，但是数据却无法保证及时传输到基站。与之类似的模式有文献。
2。WSN-MDC问题面临的挑战
利用MDC收集WSN中传感器的数据，有助于减少网络能量的消耗，避免能量空洞等问题，同时增加网络的可靠性及连通度，但另一方面也会带来网络相关传输、延时、路由、管理和计算等代价的提高。因此，WSN-MDC的性能评价标准对基于MDC的算法及协议的可用性与有效性的分析至关重要。通过从多方面归纳总结WSN-MDC问题所面临的挑战，有助于清楚地比较各种算法之间的优缺点，这里归纳出如下几点：
2。1数据有效性
对于实际应用而言，数据应当在规定的时间内到达，否则将失去意义。MDC大都采用机器人小车，其速度只有0。5m/s~2m/s[7]，当其在一个较大的范围内移动时，需要花费大量的时间。有些研究利用人手持设备在网络中移动收集数据[10]，速度更慢。鉴于这种原因，文献[7，21?28]等将WSN-MDC视为延时容忍网络（delay-tolerantnetwork，简称DTN）。然而，很多实际的应用（例如事件监测）要求数据必须满足一定的时延，因此，如何尽可能地降低时延以保证数据有效性是WSN-MDC中最具挑战性的问题。
2。2网络动态性
MDC不停地移动，导致网络的拓扑与路由随时发生变化。在一些实时性要求较高的应用中[20]，要求传感器采集的数据立即发送给MDC，传感器需要维护到MDC的动态路由信息。MDC在移动过程中广播位置信息，每个传感器节点动态地选择数据传输的最优路径，会带来额外的能耗。如何有效地维护动态路由，是WSN-MDC面临的一个挑战。
2。3移动管理
移动管理包括MDC的路径规划和速度控制。MDC的行为分为非可控（uncontrollable）和可控（controllable）两种[22，29]。非可控即无法控制MDC的运动方式，对应MDC的移动轨迹包括随机的和可预测的。对于可控行为，移动轨迹包括固定的以及动态选择的。MDC的速度主要包括匀速的与变速的。如何根据实际应用对MDC进行移动管理，是WSN-MDC的一个难点。
2。4节能控制策略
由于传感器节点硬件平台资源受限，因此，尽可能地节约传感器节点有限的能量以及延长网络的使用寿命依然是WSN-MDC的重要性能指标。在实际的应用场景中，MDC移动后重新构建路由消耗的节点能量，往往比减少多跳传输节约的能量还要多[30]。因此，如何尽量降低传感器的工作频率以及减少数据传输量等为目标的节能控制策略，是WSN-MDC中的一项重要研究内容。
2。5交互策略
MDC的移动性带来通信的不确定性。MDC随时可能进入或移出传感器的通信范围，尽可能地延长MDC与传感器的通信时间以及减少数据传输的出错率，是衡量节点发现与传输协议优劣的重要评价准则之一。此外，多个MDC与传感器之间以及MDC之间的交互策略也是WSN-MDC的重要研究内容。
3。数据传输
从MDC的角度来看，其与一跳范围内的传感器节点进行数据通信。移动性给数据传输带来两个方面的变化：一是与MDC通信的节点不断地改变，在数量和能量上都有不同；二是MDC与节点的距离不断地改变引起通信信号强度变化。传感器与MDC的通信信号强度随着两者之间的距离变化，因此，MDC的移动给数据传输的成功率带来影响。文献通过实验证明，传输成功率与MDC的移动速度、MDC与传感器之间的距离、传感器产生数据的频率以及传感器的轮值周期（duty-cycle）都有着密切的关系。作者发现，需要选择在信号最强的一段时间内完成数据传输，此时的数据丢失率最小，所需的传输时间最小，同时消耗的能量也最少。设t1为传输起始时间，t2为结束时间，需要最小化时间段t2?t1以完成传输数据量B，可形式化为
其中，Th（t）为throughput的时间变化函数。假设时间由多个大小恒定的窗口组成，传感器将数据分为多个消息（message），这些消息在窗口中依次传输。可根据每个窗口中的消息丢失率和确认信息的接收概率来求Th（t）。一种常用的数据传输协议是自动请求重传（automaticrepeatrequest，简称ARQ）协议。在WSN-MDC中采用ARQ的一个优点是，针对传感器节点无法判断MDC何时移出通信范围，利用ARQ的超时机制，判断最后一个发送的数据如果超时没有收到确认，则可认为移动MDC已超出范围。但这种方法增加了数据通信量。另一种常用的传输协议是停-等协议（stop-and-wait）。MDC进入传感器通信范围后即停止移动，直到规定的时间或数据传输全部完成后再离开。类似地，文献采用MDC主动通知的方法，在MDC移动之前，通知与之通信的传感器节点停止数据传输。这两种方法均减少了丢包率，但浪费了一定的通信时间。
结论
本文综述了无线传感器网络中加入移动数据收集器带来的网络性能方面的优化问题。对近年来出现的。WSN-MDC相关的新思想与代表性研究成果进行归纳并加以介绍，结合策略的相关属性与性能进行了比较性。总结。我们认为，得益于对WSN和机器人技术的研究，WSN-MDC中对路由协议和MDC移动控制已有较多的研。究，但是对MDC发现和数据传输的研究还不够深入。更重要的是，需要建立更多真实的、有意义的WSN-MDC。应用，以便将相关算法与协议付诸实施。
参考文献：
[1]黄翔东．全相位数字信号处理［D］．天津：天津大学，2006．
[2]王兆华，侯正信，苏飞．全相位FFT频谱分析［J］．通信学报，2003，24（11）：16-19．
[3]谭思炜，任志良，孙常存．全相位FFT相位差频谱校正法改进［J］．系统工程与电子技术，2013，35（1）：34-39．
基金项目：
广东电网有限责任公司科技项目（编号：031300KK52160025）
论文作者:罗步升
论文发表刊物:《河南电力》2018年8期
论文发表时间:2018/10/18
标签：节点论文; 传感器论文; 基站论文; 数据论文; 网络论文; 数据传输论文; 能量论文; 《河南电力》2018年8期论文;