文 | 云上乌托邦

编辑 | 云上乌托邦

序

无线传感器网络（WSN）作为一种重要的无线通信技术，具有广泛的应用前景。

在WSN中，接收器类型对于数据收集框架的性能和能源效率起着至关重要的作用。

我们这次主要研究针对基于静态接收器、地面移动接收器和空中移动接收器的数据收集框架展开了比较研究。

基于静态接收器的框架是最常见的，但在数据传输过程中容易出现热点问题。

为了解决这个问题，一些研究采用了移动接收器的方法来实现负载平衡和减少传输跳数。

另一方面，地面移动机器人和空中移动机器人作为移动接收器的替代方案，在没有基础设施或难以到达的环境中提供了数据收集的解决方案。

我们还是通过对不同类型数据收集框架进行比较研究，探讨了它们的主要思想、优化标准和性能评估参数。

接下来将为大家详细讲解，在WSN数据收集框架中，接收器类型对于性能和能源效率有何重要影响？

无线传感器网络如何实施监测？

无线传感器网络（WSN）是研究人员最受欢迎的研究课题之一，WSN由多个无线互连的多功能设备组成，这些设备的能量能力有限，称为传感器节点。

当然传感器节点可以是移动的，也可以是固定的，并放置在具有至少一个接收器节点的感兴趣区域（ROI）中。

WSN中大量传感器节点的组合使其成为各种应用的理想选择，包括区域监测，医疗保健监测，环境观察，空气质量监测，森林火灾检测，山体滑坡检测，水质监测，自然灾害预防，工业监测、机器状态监测、数据记录、废物监测、边境监测、油管监测和科学观察。

随着对自动化和远程监控系统的需求，基于WSN的应用正在迅速增加。

越来越多的物联网设备和传感器产生了大量数据，由于传感器节点价格低廉，通常用于单次部署，特别是在偏远或难以到达的地区，为了实现WSN的最大潜力，重要的是要确保WSN数据收集过程旨在节省能源并延长网络的使用寿命。

传统的WSN数据收集方案涉及传感器节点和接收器，接收器节点具有高能量和处理能力，负责收集从传感器节点传输的所有数据，传感器节点以多跳或单跳方式传播数据，与多跳方法相比，单跳方法消耗更多的能量，传输距离更长。

此外，从相邻传感器生成的数据通常是冗余且相关的，因此，我们经过漫长的研究，终于找数据收集的不同多跳方法。

例如聚类，基于树和混合技术，聚类技术在实现网络可扩展性方面在研究界得到了更多的认可，其实许多资料早已报道了几种这样的技术。

在WSN中的多条数据传输中，接收器节点是静态的，与其他节点相比，靠近它的传感器节点更有可能耗尽能量，因为数据流量集中在接收器，这也被称为热点问题。

为了解决这个问题，已经使用了一个移动接收器（接收器周围的热点随着接收器的移动性而变化）来在WSN中提供负载平衡，与使用静态汇的传统数据收集方案相比。

基于移动汇的数据收集相对较新，移动接收器负责输入ROI并从传感器节点收集数据。

在此类框架中，无法保证ROI中移动接收器的一致存在，利用移动接收器有助于减少数据在接收器靠近发送方节点时将数据传播到接收器的跃点数。

尽管基于移动接收器的解决方案可以从远程位置收集数据，但在此类应用中，如果没有静态基础设施的帮助，就不可能进行连续监测。

其实无人机（UAV）等空中机器人，也可以在基于移动接收器的WSN数据收集场景中发挥重要作用，与地面移动水槽不同，空中移动水槽由于其三维移动能力，可以在更短的时间内沿着引导路线飞行、

这些框架能够在没有任何基础设施帮助的情况下执行，这使得从难以进入的地形甚至海面收集数据成为可能。

当空中接收器充当数据骡子时，网络拥塞会减少，每次从传感器收集数据并将其传送到基站（BS）时，空中移动机器人都可以充电，考虑到这些优势。

许多研究人员在WSN中提出了类似空中机器人、基于无人机的数据收集优化，还报道了混合方法，该方法假定除了移动接收器之外还存在静态基础结构。

不是空中水槽向所有传感器节点移动以收集数据，而是利用聚类或链构建技术选择一个领导节点，空中接收器可以直接飞到WSN部署区域，并从集群头（CH）或领导节点收集数据。

取决于接收器类型的数据收集框架

除了上述所描写的数据收集油画，我们还主要讨论了选择协议的基本原理，然后介绍了工作方法，以及不同类型的基于接收器的WSN数据收集框架的优缺点，以下小节将介绍这三个类别。

我们研究考察了三类WSN数据收集技术，首先，选择总共十个数据收集协议进行定性比较，如前所述，协议是根据接收器类型（即静态、地面移动和空中移动接收器）选择的。

基于静态接收器的数据收集部分中讨论的协议是根据文献中的受欢迎程度和引用来选择的，为了选择基于地面和空中移动汇的数据收集技术，我们专注于期刊文章。

地面移动水槽的移动模式在很大程度上取决于地形类型，在选择地面移动水槽和空中移动水槽的协议时，我们还采用了移动模式，除了上述标准外，我们还专注于在配置和工作原理方面最大化每个部分的协议差异。

基于静态接收器的解决方案是所调查类别中最受欢迎的WSN数据收集解决方案，在这些框架中，假定静态接收器位于ROI内部或外部，具体取决于应用程序方案。

假设静态接收器具有无限的电源，并连接到控制中心。

当然也有人提出了一种阈值敏感的节能数据收集和传输协议，用于反应性WSN，而在反应式网络中，节点会立即响应网络环境属性的突然变化。

其次在TEEN中，数据收集是使用分层聚类机制执行的，簇形成与低能耗自适应聚类层次结构（LEACH）协议（一种主动网络协议）一样执行。

与LEACH不同，TEEN专为反应式网络而设计，非常适合时间关键型应用，由于节点只需传输到其直接CH，并且额外的计算仅由CH执行，因此降低了能耗。

此外，CH由每个节点轮换，作为CH进行集群周期T的，以均匀分配能耗，在每个集群周期，CH广播一个硬阈值（HT）和软阈值（ST）值及其成员以及属性。

传感器节点始终感知环境，当属性集中的参数等于其HT值，则感测数据存储在称为感测值（SV）的变量中。

而且当前值高于HT并且与SV的区别大于ST值，节点传输数据，随后，SV更改为感测属性的当前值，在每个聚类分析期间，这些属性在广播期间设置为新值，的价值ST可以根据要求进行调整，在数据的准确性和网络的能耗之间进行权衡。

除了我们其实还有人提出了这是一种用于基于静态汇的WSN的节能数据收集机制，PEGASIS是众所周知的LIVEC聚类算法的扩展。

在浸出中，CH中的汇总数据以方向传输方式发送到汇，PEGASIS采用多跳方法将数据传送到接收器，主要目的是减少每个传感器节点的传输距离，从而实现节能的数据传输，在这种情况下，假定节点部署是随机的。

传感器之间的链形成由传感器本身或接收器节点执行，在汇节点形成链的情况下，汇节点计算链信息并将其广播到节点。

此算法的主要假设是接收器节点远离ROI，链形成算法是一种贪婪算法，PEGASIS的另一个主要假设是数据融合能力属于网络中的每个节点。

当节点从任何其他节点接收数据时，它会将数据与自己的数据融合，然后将数据传输到下一个节点。

将数据传输到接收器的节点是从WSN中随机选择的，这样做是为了确保节点从链的不同位置死亡，下图还显示了PEGASIS协议的工作机制，如图所示，原PEGASIS算法形成一条链，每轮传输选择一个领导者/CH节点。

定性比较

其实这项技术的研发，最重要的便是每个数据收集框架都有独特的属性，这些属性是该方案的主要性能控制功能，如下表所示。

所研究的方案旨在从不同角度优化WSN的数据收集过程然而，为了对WSN高效，数据收集协议的最关键特征是最小化能耗。

从而延长网络寿命，传感器节点主要由不可充电电池供电，能量通过传感、内部计算（如聚合）和信号传输来消耗。

因此，已经尝试了不同的方案，以不同的方式最小化能源消耗，TEEN和PEGASIS技术分别考虑CH和领导节点的旋转，这意味着所有参与成为CH或领导节点的传感器节点。

在网络中均匀分配能耗，除了从CH到接收器节点的通信成本外，HEED协议还考虑了集群内通信成本，这是网络中能耗的原因。

CPDC协议限制在最大权重条件下网络中的重新集群，使用IoJHR协议，从传感器节点到移动接收器的数据收集仅由每个虚拟网格中的两个跃点执行。

一个跃点用于传感器节点到通道，另一个跃点用于传感器节点到移动接收器，从而降低了传输能耗。

对于EPMS协议中的能量平衡，CH的选择将进行到下一轮数据传输，NDCMC使用一个VH和一个CH（当一个CH断电时使用）。

而不是选择另一个CH，UEWDC通过最小化节点唤醒计划（其中每个传输时间只有一个节点唤醒）来最大限度地降低能耗，UAVCDG的目标是缩短无人机的轨迹，以尽量减少无人机的通信能量。

结论

在本文中，我们讨论了基于接收器类型的WSN中的三类数据收集框架，正在研究的不同类型的水槽是静态水槽、地面移动水槽和空中移动水槽。

而且我们的主要目的是通过讨论和查找WSN中数据收集框架的相对性能（取决于接收器类型）来找出合适的应用场景。

为此，我们讨论并比较了分为三类的十种不同的数据收集框架。

这些框架已根据其工作原则、优势和局限性进行了定性分析，两个表格比较以及详细的分析提供了所研究协议的深入概述，这些表格是根据主要思想、优化标准和性能评估参数生成的。

此外，我们从所研究的框架中选择了三个具有代表性的框架进行定量比较，其中它们的性能在能量、死节点数量、延迟、丢包率和交换的控制数据包数量方面进行了评估。

作为我们比较研究的结果，已经提供了经验教训和建议，这将有助于未来的研究人员制定更合适和通用的WSN数据收集框架。

经过所有分析，我们可以得出结论，根据应用领域的不同，所有水槽类型都有自己的优点和缺点，对于延迟受限的应用方案，静态接收器是更合适的选择。

地面机器人水槽适用于可进入的地形，WSN的使用寿命也可以延长，然而，对于难以到达和没有基础设施的环境，空中水槽是唯一的解决方案。

最后，可以推断，通过在单个解决方案中引入不同类型的接收器，在QoS和容错方面可以得到更鲁棒的解决方案。