1 引 言 

　　近年來隨著微機電系統(MEMS)、無線通信和數字電子技術等方面的進步，使得人們能夠生產和開發出低成本、低能耗、多功能、小尺寸以及短距離通信的傳感器節點。

　　無線傳感器網絡(WSN)是由大量具有傳感、計算和通訊能力的節點組成。人們將傳感器網絡任意部署在被關注的區域中去自主監控重要事件，并且將收集和處理后的結果傳輸到匯聚節點(基站)并完成指定的任務。這些網絡被廣泛地應用于交通和定位系統、環境監測、偵測核、化學和生物武器的攻擊等。

　　為了有效地規劃網絡的應用和延長傳感器網絡的壽命，在進行傳感器網絡的設計和部署之前，進行傳感器網絡的建模分析是至關重要的。通過分析現有的傳感器網絡，本文提出了傳感器網絡建模的基本結構，目的是能夠更好地進行傳感器網絡的建模，本文討論的重點是網絡路由協議和相關的數據融合的技術，但也適用于其他協議的設計和建模。

　　2 傳感器網絡建模的結構

　　2.1 網絡拓撲
　
　　在無線傳感器網絡中，維持良好的拓撲結構能夠提高路由協議和MAC協議的效率，為網內數據處理、時間同步和定位等很多方面提供技術支持，有利于延長整個網絡的壽命。網絡拓撲主要影響網絡的能量消耗、壽命和路由機制等。網絡拓撲結構由網絡物理形狀、邏輯結構、傳感器部署密度、匯聚節點特征以及網絡節點移動性等構成。

　　2.1.1 物理形狀

　　網絡拓撲的物理形狀反映了，節點的精確地理空間位置、方位以及所有節點構成網絡的具體形狀。基于不同物理構造和應用環境的協議包括GAF(geographical adaptive fidelity)、TTDD(two-tier data dissemination)協議等。

　　GAF是依據節點的地理位置的協議。該協議將物理位置相鄰且路由作用基本相同的等價冗余節點劃歸到同一個虛擬網格。每個網格內只有一個節點處于活動期并負責數據的轉發，其余節點進入休眠狀態。協議能夠較好地延長那些節點移動和節點密集的傳感器網絡的壽命，但由于其獨立于具體的路由協議容易關閉處于活動狀態的節點，結果會導致通信定期中斷、引入高的傳輸延遲和數據包的丟失，這對于某些對時間要求嚴格的應用環境是不適用的。另外該協議沒有考慮到網內數據融合技術對網絡的綜合影響。

　　TTDD協議假沒傳感器節點是靜止的并知道自己的位置信息，整個過程包括虛擬方格的構造和查詢路徑的建立階段。協議在能量消耗和傳輸時延性能方面均優于定向擴散路由DD(directed diffu-sion)，路由協議對以較低速度移動的匯聚節點的網絡具備良好的適應性。該協議在源節點采用了數據融合和在中間的轉發節點使用了查詢融合。但隨著源節點的改變，協議需要頻繁構造和維護單元格，這導致了路由包裹增加；如何采用合理的機制選擇優化的單元格的尺寸也是該協議必須要解決的問題。

　　2.1.2 邏輯結構

　　網絡的邏輯結構與傳感器網絡的部署有關，也影響著網絡的能耗、路由協議、數據處理方法的設計。通常包括平面分布式結構和分層結構，網絡的節點通過網絡的邏輯結構來選擇和決定通信的鄰居節點和數據融合處理節點。基于平面分布式結構網絡的協議包括DD和SPIN(sensor protocols for in-formation via negotiation)等；基于分層的結構以簇、樹或鏈形式將網絡中的數據包通過多個層次的通信傳輸到匯聚節點，數據分別在簇頭和中間節點進行融合處理減小了傳輸的數據包的數量和尺寸，降低了能量的消耗，并最終延長了網絡的有效壽命。成簇的協議包括LEACH(low energy adap-tive clustering hierarchy)和HEED(hybrid ener-gy-efficient distributed clustering)等；基于鏈的協議有PEGASIS(power-efficient gathering in Sen-sor information systems)，構造融合樹的協議有EADAT(energy aware distributed aggregationtree)等。

　　DD是以數據為中心的路由協議，協議首先基于屬性值對的方式對任務進行描述，對相應興趣反饋回的數據采用相似的命名機制。整個過程包括路徑建立、數據發送和路徑加強三個階段。該協議采用了興趣融合和路由數據融合技術，前者對類型相同、監測區域完全覆蓋的興趣融合成一個；后者采用的是抑制副本的方法，兩種融合技術與路由相結合有效地減少了網絡中的數據量。協議的路由策略具備很好的可靠性和擴展性，不需要維護整個網絡的全局拓撲，適合應用于有多個信源和很少匯聚節點的傳感器網絡。由于該協議是基于按需查詢驅動的數據采集模型，不適用于環境監控這類要求連續傳輸數據的監控系統。

　　SPIN是一組以數據為中心的路由協議，其主要特點包括節點間談判和根據本地資源相應調整節點的工作模式延長網絡的有效運行時間。每個節點用元數據來描述自身獲得的數據，并將接收到的數據與自己的數據進行融合，這兩種方式消除了冗余的數據傳輸。協議能夠很好地解決傳統協議所帶來的信息爆炸、重疊和資源盲目使用導致的浪費問題。數據的傳輸決策基于當地的鄰居信息，因此協議非常適合應用于節點移動的傳感器網絡。但是SPIN協議的數據廣告機制不能保證數據的可靠傳輸。

　　LEACH是一種低能耗自適應基于簇的分布式路由算法，傳感器節點按照一定的算法組成簇，由簇頭節點收集簇內其他節點的數據并進行融合和壓縮后將數據直接傳輸到匯聚節點。協議將整個網絡的能量負載平均分配到每個節點，同時采用了基于簇頭的數據融合和壓縮技術，降低了整個網絡能源消耗進而提高了網絡生存時間。這種集中和周期性處理的數據收集方式使得該協議適合于要求連續監控的應用系統。但是由于協議假設所有的節點都可能成為簇頭和具備直接(單跳)與匯聚節點進行通信的能力，這限制了網絡的規模。另外協議沒有說明簇頭如何分布才能保證均勻分布到整個網絡。

　　在LEACH的基礎上，Lindsey等人提出了一種基于鏈的數據融合路由協議PEGASIS，其主要思想是通過貪婪算法，在所有傳感器節點間形成線性數據傳輸鏈，節點通過鏈只和自己距離最近的鄰居進行數據包交換。收集到的數據從一個節點到另一個節點傳輸、融合，并最終由指定的領頭節點將數據傳輸到基站。與LEACH相比，協議減少了其在簇重構過程中的能耗，同時節點每次都與自己距離最近的鄰居通信，最終延長了整個網絡的壽命。由于協議假設每個節點都能與基站直接進行通信，這也限制了網絡的規模。此協議在每個中間節點都進行數據融合，一方面降低了融合的效率，另一方面也引入了過多的數據傳輸的時延，使得協議不適合用于對緊急事件的監控。

　　2.1.3 傳感器的部署密度

　　傳感器的部署密度主要影響網絡數據收集的時延、網絡壽命、數據傳輸可靠性、數據精確度等屬性。密集的傳感器網絡再加上合適的節點睡眠調度機制有利于延長網絡壽命和提高數據傳輸可靠性。但是過于密集的網絡會帶來數據收集的過多時延，并引起數據傳輸中的阻塞、數據包的碰撞、不必要的能量消耗等問題。尤其對于物體位置估計的傳感器網絡應用，傳感器的密度直接影響估計值精度，需要選擇優化的密度以獲得最高精度位置估計值。

　　2.1.4 匯聚節點特征

　　匯聚節點的特征包括匯聚節點的位置和數量。合適的匯聚節點的位置和數量使得數據從源節點傳輸到匯聚節點的平均距離減少，并且使得網絡內節點的能量獲得較為均衡的消耗，從而有利于延長網絡的壽命。

　　2.1.5 網絡節點的移動性

　　普通傳感器節點的移動性和匯聚節點的移動性是影響傳感器網絡建模的關鍵因素，網絡節點間的移動會引起它們之間距離的變化。對網絡節點位置變化的網絡進行建模，需要用統計技術去精確表達它們的移動模式，才能獲得較為準確的節點間的距離和網絡的物理拓撲形狀。

　　2.2 網絡工作環境

　　2.2.1 網絡的通信環境

　　傳感器網絡由于應用的差異會被部署在不同的環境中，比如空氣、水、土壤、建筑物、叢林或者生物體內等。針對不同的通信介質，選擇合適的高效通信技術成為關鍵，例如部署在水中的網絡節點采用的是聲波通信的技術；在結構體內或者叢林中使用超寬帶(UWB)無線通信技術。由于不同的通信介質會引起環境噪聲、通信干涉等差異，所以設計的路由和數據融合技術應該保證數據在不同環境中準確可靠的傳輸。

　　2.2.2 網絡的運行環境

　　傳感器網絡可能在敵對的、惡劣的和良好的環境中運行。在容易受到攻擊的環境中運行的網絡通過采用安全的路由和數據融合等技術來保證其正常工作。惡劣環境中的節點容易被毀損，這時的網絡路由需要考慮替代路徑和多路徑的方法去完成數據傳輸。

　　2.3 網絡數據收集特征

　　根據網絡獲取和傳輸數據的方式，傳感器網絡一般分為時驅、事驅、要求驅動的網絡，某些傳感器網絡也可以是以上幾種方式的組合。在時驅網絡中，傳感器節點周期性地收集數據并將數據傳輸到匯聚節點；事驅的網絡中的數據獲取和傳輸行為是不可預知的；要求驅動的網絡中，監控人員或者軟件發送查詢命令，符合查詢要求的數據被傳回查詢點。

　　3 建模分析

　　本文作者通過對無線傳感器網絡的應用——城市空氣嚴重污染的監控，進行了傳感器網絡的建模分析，其目的是研究如何選擇和設計適合傳感器網絡應用的路由協議及其相關數據融合的方法。

　　本傳感器網絡是用于監測污染物的濃度和污染的區域。由于城市的人口比較密集，該種污染可能會導致嚴重后果，傳感器網絡數據的及時獲取和傳輸是基于事件驅動，一旦事件發生，網絡節點就開始將數據迅速傳輸到匯聚節點直至監控者。為減少數據傳輸的時延，選擇了成簇分層的邏輯結構，網絡中的源節點將數據處理壓縮后傳到簇頭節點并進行數據融合，簇頭節點將融合后的數據壓縮經多跳路由傳輸到匯聚節點。

　　經過比較分析，HEED協議最為接近本網絡的應用，這是一種分布式基于成簇的協議，其采用最大剩余能量和平均最小可達能量作為選擇簇頭的參數，使網絡的能量均衡消耗，簇頭的分布更趨均勻。因為HEED假設所有節點不知道自己的地理位置，而實際的應用需要這項參數確定污染的區域，同時其沒有給出具體的簇頭間的路由方式，所以需要對該協議進行更改以符合應用。具體內容包括加入相應的定位算法和在簇頭問采用DD的路由方式。

　　4 結 論

　　無線傳感器網絡與應用環境有很緊密的關系，進行傳感器網絡的建模需要綜合研究傳感器網絡的基本要素。本文基于現有的傳感器網絡的路由和數據融合的詳盡分析，提出了進行傳感器建模的基本結構。依據本結構，人們能夠方便地設計出適合自己傳感器網絡應用環境的協議。