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无线传感器网络概述 郑巍 1 无线传感器网络简介无线传感器网络的拓扑控制无线传感器网络的路由算法介绍 2 无线传感器网络的概念无线传感器网络 wirelesssensornetwork WSN 就是由部署在检测区域内的大量的廉价微型传感器节点组成 通过无线通信方式形成一个多跳的自组织的网络系统 其目的是协作的感知 采集和处理网络覆盖区域中对象的信息 并发送给观察者 传统网络 人人无线传感器网络 人自然界 3 4 与现有网络的区别无线自组网 mobilead hocnetwork 1 几十到上百个节点2 无线通信 各个节点的关系是对等的3 首要目标是保证高质量的传输服务和高带宽利用无线传感器网络 WSN 1 节点更为庞大 成千上万 节点分布更为密集2 环境影响和干扰很大 本身能量不足 因此节点很容易出现故障 影响网络拓扑结构3 首要目标是能源的高效使用 5 传感器节点的限制1 电源能量有限因此多采用睡眠机制2 通信能力有限能耗和通信距离的关系因此宜采用多跳而尽量少用单跳无线通信受干扰很大 甚至可能出现频繁的通信中断因此如何设计网络通信机制以满足传感器网络的通信需求成为传感器网络的关键问题 3 计算和存储能力有限合理的利用资源成为重要目标 6 传感器网络的特点1 大规模网络2 自组织网络3 动态性网络4 可靠的网络传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域 要求传感器网络的软硬件有很强的鲁棒性和容错性 5 应用相关的网络不同的传感器网络有不同的设计目标 和Internet不一样他们互相之间没有统一的通信协议 开发时更关心之间的差异 6 以数据为中心的网络 传感器网络关心的只是整个网络获得的信息 而并不关心某一个节点获得了什么信息 是以事件为中心的 所以说是以数据为中心的网络 7 军事应用通过飞机或炮弹直接将传感器节点撒播到指定区域 从而能非常隐蔽和近距离准确的收集战场信息 为火控和制导系统提供精确制导 利用生物和化学传感器探测生化武器的成分 除了探测之外还可以鉴别身份和追踪目标 8 环境和生态监测这是中科院对雪豹进行监测拍摄的照片 9 10 医疗护理包括监测人体的各种生理数据 跟踪和监控医院内医生和患者的行动 医院的药物管理 值得一提的是应用在人工视网膜中 替代视网膜的芯片有100个微型的传感器组成并置入人眼 可以使得失明者或视力极差者能够恢复到一个可以接受的视力水平 11 建筑物状态监测这是利用传感器网络来监控建筑物的安全状态 12 13 无线传感器网络的关键技术1 网络拓扑控制2 网络协议3 网络安全4 时间同步5 定位技术6 数据融合7 数据管理8 无线通信技术9 嵌入式操作系统10 应用层技术 14 无线传感器网络拓扑控制网络的拓扑结构控制与优化有重要的意义 1 影响整个网络的生存时间2 减少节点间通信干扰也就是节点传输半径控制 即功率控制3 为路由协议提供基础 15 功率控制1 基于节点度的算法 1 本地平均算法事先知道每个节点所需邻居节点的上限和下限 调整节点的发射半径 当在发射半径内的节点数在上限和下限之间则停止 2 本地邻居平均算法 16 2 基于邻近图的算法 1 邻近图将无线传感器网络用图G V E 表示 再根据一个给定的邻居的判别规则 来确定其邻居节点 如RNG等 2 DRNG算法和DLMST算法 17 18 层次型拓扑结构控制也就是将无线传感器网络分割为一些子网络 也叫分簇 在这些子网络中选取一个簇头 他的作用是与其他簇头和sink节点通信 而子网内的其他节点就只与网内节点通信不与网外节点通信 1 LEACH算法 将相邻的节点动态地形成簇 并随机产生簇头 2 GAF geographicaladaptivefidelity 算法 以节点的地理位置为依据的分簇算法 主要思想是将监测区域分成虚拟单元格 19 3 TopDisc Topologydiscovery 算法源于图论的思想 利用颜色区分节点状态 解决骨干网络拓扑结构的形成问题 骨干网络节点也就是簇节点 三色算法四色算法 20 2020 3 20 21 路由协议 能量感知路由协议基于查询的路由协议地理位置路由协议可靠的路由协议分簇路由协议 22 能量感知路由协议 23 能力感知路由协议的几种策略 1 最大PA路由 从数据源到汇聚节点的所有路径中选取PA之和最大的路径 如图中的C B A 但此路径包含了路径B A所以排除 选择路径F E2 最小消耗路由 从数据源到汇聚节点的所有路径中选取节点耗能之和最少的路径 如图中B A3 最少跳数路由 选取从数据源到汇聚节点跳数最少的路径 如图中 D 4 最大最小PA节点路由 每条路径上有多个节点 且节点的可用能量不同 从中选取每条路径中可用能量最小的节点来表示这条路径的可用能量 再在其中选最大的 如图中的 D 24 基于查询的路由协议 1 定向扩散路由兴趣扩散阶段汇聚节点采用洪泛的方式传播兴趣消息到整个区域或部分区域内地所有传感器节点 数据传播阶段建立源点和汇聚节点之间的路径路径加强阶段以某一标准在多个路径之中选一个路径 成为加强路径 25 定向扩散路由协议演示图 26 基于查询的路由协议 2 谣传路由其基本思想是 事件区域中的传感器节点产生代理消息 代理消息沿随机路径向外扩散传播 同时汇聚节点发送的查询消息也沿随机路径在网络中传播 当代理消息和查询消息的传输路径交叉在一起时 就会形成一条汇聚节点到事件区域的完整路径 27 谣传路由演示图 28 地理位置路由 1 GEAR geographicalandenergyawarerouting 路由根据时间区域的地理位置信息 建立汇聚节点到时间区域的优化路径 避免了洪泛传播方式 从而减少了路由建立的开销 GEAR路由假设已知事件区域的位置信息 每个节点知道自己的位置信息和剩余能量信息 并通过一个简单的Hello消息知道所有邻居的位置信息和剩余能量信息 其主要思想为首先汇聚节点发出查询命令 并根据事件区域的地理位置将查询命令传送到区域内距汇聚节点最近的节点 然后从该节点将查询命令传播到区域内的其他所有节点 再建立路径 29 地理位置路由 30 地理位置路由 2 GEM graphembedding 路由这是一种适用于数据中心存储方式的地理路由 其基本思想时建立一个虚拟极坐标系统 用来表示世纪的网络拓扑结构 网络中的节点形成一个以汇聚节点为根的带环树 每个节点用到树根的跳数距离和角度范围来表示 节点间的数据路由通过这个带环树实现 31 地理位置路由 3 边界定位的地理路由利用信标节点 即知道自己位置信息的节点 来确定全局坐标系以及确定其他节点在坐标系中的位置 当所有节点的坐标位置信息确定后 协议使用贪婪算法选择路由 有三种方式 1 边界节点均为信标节点2 使用两个信标节点3 使用一个信标节点 32 可靠路由协议 某些传感器网络应用对于数据传输的可靠性提出了比较高的要求 因此传感器网络路由中的一个重要方面师研究可靠路由协议 传感器节点由于有限能量供应和工作环境恶劣经常面临失效问题 这也为研究适合于传感器网络的可靠路由协议增加了困难 目前 可靠路由协议主要从两个方面考虑 一是利用节点的冗余性提供多条路径一保证通过性的可靠性 二是建立对传输可靠性的估计机制 从而保证每跳传输的可靠性 33 可靠路由协议 1 基于不相交路径的多路径路由机制在传感器网络中 引入多路径路由是为了提高数据传输的可靠性和实现网络负载的平衡 本算法的基本思想是 首先建立从数据源节点到汇聚节点的主路径 然后在建立多条备用路径 数据通过主路径进行传输 同时利用备用路径低俗传输数据来维护路径的有效性 当主路径失败时 从备用路径中选择次优路径作为新的主路径 34 基于不相交路径的多路径路由机制演示图 35 可靠路由协议 2 ReInForM路由ReInForM ReliableInformationForwardingMultiplepaths 路由时从数据源节点开始 考虑可靠性需求 信道质量以及传感器节点到汇聚节点的跳数 决定需要的传输路径数目 以及下一跳节点数目和相应的节点 其基本过程是 首先 数据源节点根据传输的可靠性要求计算需要的传输路径数目 然后 在邻居节点中选择若干节点作为下一跳转发节点 并给每个节点按照一定比例分配路径数目 最后 数据源节点将分配的路径数作为数据报头中的一个字段发给邻居节点 邻居节点在接受到数据源节点的数据后 将自己视作数据源节点 重复上述数据源节点的选路过程 36 可靠路由协议 3 SPEED协议在有些传感器网络应用中 汇聚节点需要根据采集数据实时作出反应 因此传感器网络记诶但到汇聚节点的数据通道要保持一定的传输速率 SPEED协议是一个实时路由协议 在一定程度上实现了端到端的传输速率保证 网络拥塞控制以及负载平衡机制 为实现上述目标 SPEED协议首先交换节点的传输延迟 一得到网络负载情况 然后节点利用局部地理信息和传输速率信息作出路由决定 同时通过邻居反馈机制保证网络传输速率在一个全局定义的传输