无线传感器网络数据传输延时分配算法

高翔霄，俞 达，任月慧，高玲玲，徐 丽

(北京宇航系统工程研究所,北京 100076)

0 引言

随着无线传感器网络的快速发展，利用无线传感器进行物理信息测量已被广泛地应用在物理探测、数据采集以及特征检测提取等方面。如在火箭箭载发动机等应用中，采用无线传感器网络能有效实现对火箭温度、振动、冲击、热流、噪声、压力等方面的测量[1]。而其中应用到的传感器有热感传感器、振动传感器以及压力传感器等。因此结合无线传感器组网技术可有效实现对火箭发动机相关数据的采集。在进行无线传感器网络数据的采集和传输过程中，由于受到网络传输时延和信道分布的影响，导致对无线传感器网络数据传输的延迟较大[2]，因此，需要进行无线传感器网络数据传输的延时优化分配，构建无线传感器网络数据传输信道均衡模型，提高无线传感器网络的稳定性和有效性。相关的无线传感器网络数据传输和延迟分配方法研究受到人们的极大关注。

目前，已有专家学者在无线传感器网络数据传输延时分配领域提出了一些较为成熟的研究结果，如基于关联规则传输的延时分配方法、基于统计分析的传输延时分配方法、基于模糊特征提取的传输延时分配方法等[3]。另外，文献[4]中提出了一种基于分流优化选择的无线传感网络数据传输算法。该算法通过计算簇头节点与簇内节点的自感阈值来维持簇结构的稳定性，根据实时的传输带宽分割传输数据流并完成时延寻优过程，对最优时延分割后的数据子流进行传输。然而该算法在进行无线传感器网络数据传输延时分配时的模糊度较大、时间开销较大，实时性不好。文献[5]中提出了一种基于混合拓扑的机械无线传感器网络多信道数据传输算法，该方法对无线传感器网络节点进行最小化信道分配，在完成数据采集后，采用树间通信握手机制和树间通信优先级抢占机制避免传输过程中的互盲，再将各节点的短地址作为调度信息载入信标中，根据调度信息决定数据的传输或者休眠。然而该算法在进行无线传感器网络传输信道均衡和延时分配的自适应性不好、错误率较高。

针对现有方法中存在的自适应性不好、错误率较高的问题，设计一种基于时隙窗口间隔均衡控制的无线传感器网络数据传输延时分配算法。思路如下：首先采用分布式网格均衡配置方法进行无线传感器网络节点的均衡部署，然后采用输出比特序列重组方法进行无线传感器网络数据采集过程中的传输延迟配置，结合码元调节技术进行无线传感器网络数据传输的自适应扩频调节，基于时隙窗口间隔均衡控制方法实现无线传感器网络数据传输延时分配。

1 数据采集模型及节点均衡部署

无线传感器网络数据传输延时是指数据发送时刻与数据接收时刻的时间间隔，对数据传输时延进行分析和分配需建立在对无线传感器网络信息传输过程分析的基础上。无线传感器网络信息传输过程如图1所示。

图1 无线传感器网络信息传输过程示意图

1)中继传输过程。在数据发送端与接收端之间无法直接完成信息互通时，需通过中继传输的方式实现信息的传递，即利用中间站点实现信息传输。中继传输过程包含两个阶段，一是在发送端产生数据后将其传输至中继站，二是由中继站将接收到的数据传输至接收终端。

2)跨区域传输过程。由于不同区域的箭载无线传感网络是根据各自的应用需求建立的， 其中采用的通信协议、数据标准和格式均不相同，因此，相互之间难以实现直接的互联互通。当分属于不同无线传感网络的站点间需进行数据传输时，需利用一个能够与这两个站点相互兼容的中间站点对数据格式进行转换，使数据能够适用于不同的无线传感网络。

跨区域传输过程与中继传输过程的区别在于：在中继传输过程中，数据发送端与中间站点、中间站点与数据接收端之间共用同种通信协议，而在跨区域传输过程中，数据发送端与中间站点、中间站点与数据接收端之间，因存在数据格式转换环节而使用不同的通信协议。

在分析无线传感器网络信息传输过程分析的基础上，构建数据采集模型，并对传感网络的节点进行均衡部署，继而计算节点转发数据的跳距离，以构建无线传感器网络数据传输的时隙窗口间隔均衡控制模型，为数据传输延时分配过程奠定基础。

1.1 数据采集与配置

为了实现无线传感器网络数据传输延时分配，需要首先构建无线传感器网络对火箭的温度、振动、冲击等参数的数据采集模型，根据剩余能量、位置和端到端延迟进行无线传感器网络传输延时分配[6]，得到现无线传感器网络数据采集的量化特征分布集定义为D,D={dx|S,T,U}，其中，S表示无线传感器网络传感器节点的能耗总和，T表示无线传感器网络的传输延时分配的输出量因素，U表示相似度模型。对无线传感器网络的传输数据进行自动配置，设置配置模型为：

(1)

其中:m为无线传感器网络传输延时分配的互信息量；e为网络的带宽效率；t表示对无线传感器网络传输延时分配的时间窗口。从中提取无线传感器网络数据传输延时的模糊相关特征量，根据特征谱进行无线传感器网络数据传输延时的自动分配，得到数据传输延时的关联度特征值为：

(3)

其中：Δ∂为增益系数；T表示无线传感器网络的时间延迟，z表示为无线传感器网络进行传输时延分配的时间延迟和互信息特征量。在此基础上，建立无线传感器网络输出采集模型，实现对数据的快速、高效采集。数据采集节点的分布情况如图2所示。

图2 无线传感器网络的数据采集节点分布

在完成无线传感器网络数据采集之后，需对数据进行配置管理。数据配置是指根据接收端的配置请求对数据进行必要的检查和处理的过程，根据传输和应用的需要，对数据进行补充、滤除、更改、存储、复制等处理，配置后的数据一般有两份，一份储存至后台数据库中，另一份预留给数据接收端。

1.2 网络节点均衡部署

无线传感器网络是一种无线自组网络，利用区域内的传感器节点组建成一个集数据采集和传递于一体的小型系统，将数据从多个二级节点汇总到一个一级节点处。这一过程中，距一级节点越近的二级节点需传递的数据量越多，该二级节点处的负载量也就越大，易造成能量空洞现象，使无线传感网络的有效性和传输效率大大降低。因此，为避免这一现象的发生，需对无线传感器网络节点进行均衡部署。

无线传感器网络节点的均衡部署过程采用分布式网格均衡配置方法，并结合最短路径寻优方法进行无线传感器网络数据采集过程中的信道均衡分配[7]，建立无线传感器网络数据采集的特征分布模型。

在传感器的感测范围内，假设传感器的数目为n，调整任意一个传感器的加权系数，得到无线传感网络数据传输过程的模糊聚类中心μ为：

μ={μi|i=1,2,…,n}

(4)

在关联规则引导下，得到无线传感器网络数据传输过程的模糊度函数为：

(5)

其中:k代表多传感节点主特征值，l代表节点间距离。在此基础上，假设无线传感网络数据传输路径s，首端节点和末端节点分别用q1和q2表示，传感器节点的阻抗为r，则无线传感网络数据传输过程的能量损耗计算过程如下：

(6)

其中:d表示电网线路故障节点首端的距离。继而通过寻找其它邻居节点的特征分布集得到无线传感器网络传输延时分配的均衡部署模型：

(7)

其中:g为无线传感器网络传输延时分配的适应度函数，L表示特征聚类中心与所测样本dx的测度距离。根据上述分析，构建网络节点的均衡部署，提高网络数据传输延时分配能力[8]。

2 网络数据传输延时分配算法设计

2.1 时隙窗口间隔均衡控制

在上述构建无线传感器网络对火箭的温度、振动、冲击等参数的数据采集模型，并采用分布式网格均衡配置方法进行无线传感器网络节点的均衡部署的基础上，进行网络数据传输延时分配算法的设计。本研究提出基于时隙窗口间隔均衡控制的无线传感器网络数据传输延时分配算法，建立无线传感器网络进行数据采集和最短路径寻优控制模型[9]。

假设无线传感器网络传输延时分配的自适应加权权重为ω，采用输出比特序列重组方法进行无线传感器网络数据采集过程中的传输延迟配置，传感器节点的分布特征序列为：

(8)

其中:q为无线传感器网络数据传输延时分配的统计特征值，q=1,2,…，r代表节点通信半径。在此基础上，采用离散序列调度方法[10]对靠近汇聚节点的节点集合进行自动配置，得到无线传感器网络传输延时分配的时间窗口为：

(9)

其中:ta表示无线传感器网络数据传输的总次数，tb表示执行数据传输任务的额定传输总次数。在此基础上，在满足无线传感网络感测覆盖范围发条件下，对传感器采集数据的传输过程进行主动融合跟踪，并对节点转发数据的跳距离进行优化计算，过程如下：

(10)

其中:υ表示融合参数，η表示无线传感网络感测覆盖率，κ表示任意一个传感器节点将信息传输至某一邻居节点的概率。继而采用时隙窗口间隔均衡控制方法[11]，得到传输延时分配的统计分布概率密度特征控制模型为：

W=G×(V×tn+1-×ytn)

(11)

其中:在tn+1时刻和tn时刻相差一个更新周期，y表示第时刻数据信息传输量[12]。至此，实现无线传感器网络数据传输的时隙窗口间隔均衡控制模型的构建。

2.2 传输延时分配输出

在得到无线传感器网络数据传输的时隙窗口间隔均衡控制模型的基础上，采用输出比特序列重组方法对传输延迟进行配置。

首先，结合码元调节技术进行无线传感器网络数据传输的自适应扩频调节，得到扩频信道为：

I={ij|j=1,2,…}

(12)

其中:j表示码元幅度。基于时隙窗口间隔均衡控制方法实现无线传感器网络数据传输延时控制，得到传输延时分配函数Z表述为：

(13)

其中:α表示数据平均等待时间。在此基础上，选择其中最短的数据转发路径进行信道延时配置。假设所要传输的数据在某一节点处的能量谱密度为ρ，采用主成分分析方法进行网络的编码控制协议设计，得到输出编码特征量为：

(14)

其中:p表示汇聚节点的频率。对传输半径距离为R的节点进行传输延迟配置，在第E个时间窗口中，利用时隙窗口间隔均衡控制方法实现无线传感器网络数据传输延时分配，得到时隙分布结果如下：

(15)

其中:φ为无线传感网络的解码延迟，u为无线传感网络分簇节点的输出延迟。根据上述分析，实现了对无线传感器网络数据传输延时的分配。利用图片表示无线传感器网络数据传输延时分配模型，如图3所示。

图3 无线传感器网络数据传输延时分配模型

3 仿真实验与性能分析

为了测试本文设计的基于时隙窗口间隔均衡控制的无线传感器网络数据传输延时分配算法的实际应用性能，设计如下仿真实验进行验证。

实验条件设置情况如下：仿真实验在Matlab平台上进行，无线传感器监控的覆盖节点区域为1 000 mm×1 000 mm，无线传感器的载波频率为7.48 kHz，进行火箭温度、振动、冲击等参数的数据采集和传输的每分钟固定延时1.6 ms。

根据上述实验环境的设定情况，进行无线传感器网络数据传输延时分配算法的有效性检测。首先布置箭载无线传感器网络的数据传输节点，得到传输节点分布如图4所示。

图4 无线传感器网络的节点分布示意图

根据图4所示的节点分布情况进行无线传感器网络数据传输延时分配，得到无线传感器网络数据传输时延估计值如图5所示。

图5 无线传感器网络数据传输延时估计

分析图5可知，基于时隙窗口间隔均衡控制的数据传输延时分配算法下的无线传感器网络数据传输时延估计值虽存在波动，但其波动均围绕在实际值周围，证明采用所提算法进行无线传感器网络数据传输延时分配的自适应性较好，延时估计的精度较高。

为进一步测试基于时隙窗口间隔均衡控制的数据传输延时分配算法的有效性，将分配输出错误率作为检测指标。为保证实验结果的说服性，将该算法与文献[4]中的基于分流优化选择的无线传感网数据传输算法和文献[5]中的基于混合拓扑的机械无线传感器网络多信道数据传输算法进行性能对比。

测试不同算法进行数据传输延时分配时的分配输出错误率，得到的对比结果如表1所示。

表1 不同算法的分配输出错误率对比

分析表1可知，随着实验迭代次数的不断增加，不同数据传输延时分配算法的输出错误率也在不断发生变化，但均呈现出下降趋势。其中，文献[4]算法的平均分配输出错误率的下降幅度最大，但其分配输出错误率值低于所提算法。所提算法和文献[5]算法的平均分配输出错误率下降幅度相似，但相对来说，所提算法的分配输出错误率值更低。由对比结果可以证明采用所提算法进行无线传感器网络数据传输延时分配的准确性较高、误差较小，有效性更强。

4 结语

对箭载无线传感器网络数据传输过程中的延时进行优化分配，构建无线传感器网络数据传输信道均衡模型，能够有效提高箭载无线传感器网络的稳定性，有利于火箭的平稳运行。设计基于时隙窗口间隔均衡控制的无线传感器网络数据传输延时分配算法，构建无线传感器网络对火箭的温度、振动、冲击等参数的数据采集模型，对靠近汇聚节点的节点集合进行自动配置，得到无线传感器网络传输延时分配的时间窗口，建立无线传感器网络进行数据采集和最短路径寻优控制模型，采用输出比特序列重组方法进行无线传感器网络数据采集过程中的传输延迟配置，结合码元调节技术进行无线传感器网络数据传输的自适应扩频调节，采用时隙窗口间隔均衡控制方法实现无线传感器网络数据传输延时分配。经实验分析得知，利用该算法进行无线传感器网络数据传输延时分配的自适应性较好，分配错误率较低，证明该算法具有明显的应用优势。