摘 要： 通過對常見的無線傳感器網絡(WSN)進行研究，分析了WSN中數據傳輸瓶頸節點形成的原因。為了解決瓶頸節點，結合數據壓縮和數據融合技術以減少傳向匯聚節點的數據量，在匯聚節點以上使用高速網絡，當數據量超出匯聚節點的處理能力時，在匯聚節點采用根據興趣或數據的優先級對數據進行選擇性傳輸，給出了解決瓶頸節點的一般化方案。
關鍵詞： WSN；瓶頸節點；數據壓縮；數據融合；數據選擇傳輸
無線傳感器網絡憑借其低成本、低功耗和可以方便快捷地布網等優點，在近些年來備受關注，其應用領域涉及軍事、工業和民用等各方面[1]。但是受到傳感器節點計算、存儲能力有限和電源供應(一般是電池供電)的影響，在設計和部署WSN時會受到很大的限制，其中，部分節點會成為網絡中的數據傳輸速度瓶頸就是其必須面對的問題之一。
在無線傳感器領域內，目前技術標準是廣泛使用ZigBee[2]以及下一代互聯網IPv6技術的6LowPan草案。這些通信協議棧都是基于IEEE 802.15.4標準，受到802.15.4標準的限制，它們的通信速率都在250 Kb/s以下[3]。由于傳輸速率低，在需要傳輸的數據量很大的情況下，一些特定的節點(如匯聚節點)，很容易產生所需要轉發的數據量超過了其處理能力的問題，這些節點就成為整個網絡中數據傳輸的瓶頸節點(以下簡稱為瓶頸節點)。
目前關于無線傳感器瓶頸節點的研究主要集中在瓶頸節點的能量問題[4](如何提高節點的能量效率和防止瓶頸節點由于能量耗盡而造成網絡的分割)。在減少數據量方面，數據壓縮技術和數據融合技術的提出是為了減少整個網絡的冗余數據，從而減少匯聚節點的數據處理量。數據壓縮和數據融合技術只能在不影響數據精度的情況下對數據進行約簡，當數據量巨大時，其效果有限，不能很好地解決瓶頸節點問題。
本文通過對現有傳感器網絡常見體系結構、基于WSN的數據壓縮和數據融合技術的研究，分析了產生速度瓶頸節點的原因。在此基礎上，根據現有的技術和標準，提出了解決數據傳輸瓶頸節點的方案。
1 WSN數據傳輸瓶頸節點產生原因分析
目前，在WSN組網中使用廣泛的技術標準主要是當前成熟的IEEE 802.15.4和ZigBee，及為了使用新一代互聯網中IPv6的技術而提出的6LowPan(IPv6 over Low Power Wireless Personal Area Network)草案。圖1分別給出了ZigBee[1]和6LowPan[2]的協議棧圖。
由圖1可以看出，ZigBee和6LowPan都是使用802.15.4定義的MAC層和物理層。IEEE 802.15.4中物理層定義的數據傳輸速率為20 Kb/s、40 Kb/s、100 Kb/s、250 Kb/s[3]。由于IEEE 802.15.4設計時主要針對數據傳輸量小的網絡，因此數據傳輸速率不是很高。當WSN中某個節點需要傳輸的數據量非常大時，帶寬就是數據傳輸的瓶頸之一。這種情況在WSN的匯聚節點表現得尤為明顯。
當WSN為隨機部署時，就有可能會出現“瓶頸節點”。參考文獻[4]中定義的“瓶頸節點”是由于隨機部署的原因而不得不成為連接2個或多個區域的孤立節點，如圖2所示，主要考慮的是“瓶頸節點”能量問題，因為當該節點能量耗盡“死亡”之后，網絡將被分割為孤立的幾部分。除了能量因素之外，這類“瓶頸節點”的數據傳輸速度也是影響網絡性能的主要因素之一。因為這些節點連接2個孤立的網絡，當2個網絡間有大量數據要進行傳輸時，受到“瓶頸節點”的影響，網絡的數據丟失率會急劇上升，網絡性能會變差。
ZigBee在實際使用中，在特定的網絡拓撲下也會出現“瓶頸節點”。ZigBee常用的網絡拓撲為星型拓撲結構和樹形拓撲結構，如圖3所示。在網絡中，不論采取哪種拓撲結構，總是有一部分節點負責數據的收集和匯聚功能，因此這些節點的數據傳輸量就可能非常大，甚至超過自身的處理能力，從而成為整個網絡的瓶頸節點。
同樣地，由于網絡拓撲原因產生的瓶頸節點不止是存在于ZigBee的網絡中，在其他類型的網絡中，只要采用了相同或相類似的網絡拓撲，就有可能出現此類問題。
綜上所述，造成WSN瓶頸節點的原因主要有兩類：(1)由于現有協議標準和技術的限制，造成節點數據傳輸速率低，從而形成瓶頸節點；(2)由于網絡的拓撲結構而形成的瓶頸節點。
2 瓶頸問題的解決方案研究
針對第一部分分析，解決瓶頸節點的方法有如下的思路：(1)采用高速的無線傳輸協議；(2)減少數據的傳輸量。結合當前的研究現狀，下面就這2個思路進行分析，并提出解決瓶頸節點的方案。
2.1 采用高速的無線傳輸協議
IEEE 802.15.4的設計目標就是為組建低數據傳輸率、低能耗和低復雜度短距離射頻傳輸的無線個域網。因此，采用802.15.4的網絡，其數據傳輸速率將會限制在250 Kb/s以下。若采用其他的無線傳輸方式，如IEEE 802.11a/b/g/n等，其傳輸速率會有極大的提升。但是，受到無線傳感器節點的能量和運算能力的限制，在每個節點上使用IEEE 802.11協議是不現實的。另一方面，由于通信標準的不同，各種通信協議不能相互通信，因此，要保證相鄰的2個通信節點使用相同的通信協議。
解決這一問題的辦法就是使用網關節點，或者將匯聚節點設置為網關節點，這樣可以很好地解決匯聚節點成為瓶頸節點的問題。在匯聚節點或者是網關節點中，應當設置雙協議棧進行協議轉換。將IEEE 802.15.4轉換為其他的具有較高傳輸速度的協議。其解決方案如圖4所示。
2.2 減少數據傳輸量
減少數據的傳輸量是目前WSN研究的一個重點，關于這方面的研究很多，主要分為兩類：數據壓縮和數據融合。其中，數據壓縮是將采集到的數據，在不影響數據精度或在可以接受的閾值范圍內，對數據進行有損或無損壓縮；數據融合是將多個傳感器采集到的數據，按照一定的規則進行篩選或者將相似度較高的數據按照一定的規則進行融合，從而減少數據的傳輸量。在實際應用中，許多分簇算法都將數據壓縮和數據融合技術結合在一起以提高效率和效果。
通過數據壓縮和數據融合技術可以在不影響精度的情況下減少數據量，對提高網絡的性能有一定的幫助，在本解決方案中，在WSN分簇內采用數據壓縮和數據融合技術來對數據進行約簡。
2.3 數據的選擇傳輸
數據壓縮和數據融合只能在不改變原來數據屬性和在可以接受的精度范圍內將數據量近可能地減少。但是，當出現傳感器網絡內節點的數據量長時間都較大時，數據壓縮和數據融合技術只能有限度地減少數據量，經過壓縮和融合后的數據還是超出簇頭節點或匯聚節點的處理能力范圍，則在簇頭節點或匯聚節點就會出現大量的數據積壓，當存儲的數據量大于節點的內存時，就會出現丟包的現象，這樣網絡的性能就會急劇下降。
解決這類問題的方法是采用選擇傳輸數據的方法。簇頭節點或匯聚節點根據數據的優先級或系統的興趣來選擇要傳輸的數據進行優先傳輸，其他的數據則設置時間限制，當時間超過時限時，則丟棄該數據包，由上層協議控制數據的重傳。
基于優先級的數據選擇適合于數據的上傳，其實時性較高。其具體實施方法是：在建立傳感器網絡時，在每個節點內存儲1個優先級表。優先級表是根據WSN具體的應用環境進行設定的，在網絡進行配置和部署時發送到每個傳感器節點內，傳感器根據優先級表設定數據的優先級，將優先級標識在數據包的頭部，簇頭節點或匯聚節點根據數據包頭部的優先級進行選擇。優先級表的數據結構如表1所示。
基于興趣的數據選擇適合數據的查詢網絡，其優點是能將系統最需要的數據傳送到匯聚節點。借鑒定向擴散協議[5]的思想，其實現方式是：系統主控機定期地向各級匯聚節點廣播興趣表(各級匯聚節點內存儲有興趣表)。當數據量過大時，匯聚節點將查詢興趣表，將收到的數據分為兩類，一類是符合興趣表要求的數據，一類是不符合興趣表要求的數據。其中符合興趣表要求的數據優先傳送，不符合興趣表要求的數據則在節點內存不足時丟棄，再由應用層協議控制選擇是否重傳。興趣表的數據結構如表2所示。
匯聚節點的數據選擇流程圖如圖5所示。
3 瓶頸節點解決方案
通過第2部分的分析和研究，可以總結出解決瓶頸節點的一般方案。其流程圖如圖6所示。當傳感器節點采集到數據后，先進行簇內數據的壓縮和融合，再將數據傳輸到簇頭節點，當簇頭節點收到的數據超出其處理能力時，根據優先級或興趣對數據進行選擇。選擇后將數據傳輸至上層節點，在第1層設置網關節點，網關節點接收下層匯聚節點傳輸來的數據，進行轉換后使用高速的協議將數據傳輸到主控計算機。這樣，網絡的數據傳輸效率就會有很大的提高。
本文通過對常用的無線傳感器網絡的拓撲進行分析，指出其容易出現數據傳輸瓶頸節點的原因，并根據現有的數據壓縮和數據融合技術，結合數據的選擇，提出了解決瓶頸節點的一般化方案，對解決實際中的瓶頸節點有一定的指導意義。下一步的工作是將此解決方案與路由協議相結合，并根據實際的應用對解決方案進行改進。
參考文獻
[1] SHI Z L， JING Y L， YAN J F. ZigBee based wireless sensor networks and its applications in Industrial[C]. 2007 IEEE International Conference on Automation and Logistics， 2007：1979-1983.
[2] 李曉維，徐勇軍，任豐原.無線傳感器網絡技術[M]. 北京：北京理工大學出版社，2007.
[3] IEEE standard for information technology-telecommunications and information exchange between systems-local and metropolitan area networks-Specific requirements Part 15.4: wireless medium access control(MAC) and physical layer (PHY) specifications for low-rate wireless personal area networks(WPANs). IEEE Std 802.15.4-2006(Revision of IEEE Std 802.15.4-2003)，2006：0_1-305.
[4] 田樂，謝東亮，韓冰，等.無線傳感器網絡中瓶頸節點的研究[J].軟件學報，2006，17(4)：830-837.
[5] INTANAGONWIWAT C， GOVINDAN R， ESTRIN D. Directed diffusion： a scalable and robust communication paradigm for sensor networks[C]. Proceedings of the 6th annual international conference on mobile computing and networking. ACM： Boston， Massachusetts， United States， 2000.