【《无线传感网络的体系结构及其拓扑控制介绍分析》4800字】

无线传感网络的体系结构及其拓扑控制介绍分析目录TOC\o"1-3"\h\u4629无线传感网络的体系结构及其拓扑控制介绍分析 173031.1无线传感网络定义 1241311.1.1无线传感网络组成 1111461.1.2无线传感网络特点 2110601.1.3无线传感网络性能指标 3227601.1.3.1网络生存周期 3246131.1.3.2覆盖率 356551.1.3.3时延 3233461.1.3.4鲁棒性 3146491.1.4无线传感网络应用领域 3124291.2无线传感器网络拓扑控制技术 425661.1.1拓扑控制技术的概念 492631.1.2拓扑控制的特点 4294841.1.3拓扑控制结构 5149061.3本章小结 7本章首先介绍了WSN的基本内容包含了WSN的构成、WSN所具有的特点、WSN中节点的性能指标以及对WSN适用的领域进行了介绍。其次，对何为WSN的拓扑控制技术进行了简单明了的说明与介绍。之后又介绍了拓扑控制算法的基本概念和几个特点，并为下一章介绍几种拓扑控制算法做一些铺垫。1.1无线传感网络定义1.1.1无线传感网络组成无线传感器网络的组成包含了三个模块。它们分别是传感器节点、传输网络和终端用户这3个模块。在这其中，传感器节点又是由供应能量的单元、采集数据的单元、处理数据的单元以及传输数据的单元这四种单元一同构成。采集数据的单元的目的就是为了采集那些在监测范围内部的物体所包含的信息并将这些信息转变成为信号；传输数据的单元的作用是进行信息的交流、发送或者接收那些被数据采集单元所采集到的数据信息；处理数据的单元的作用是管理所有节点在工作过程中所要用到的网络路由协议并根据目标给某些重要节点分配管理方面的任务以及对节点进行定位等等；供应能量的单元的作用就是给传感器节点补充消耗的能量，同时因为要缩减传感器节点的面积，通常情况下我们选择提供能量的方式是使用微型电池来补给能量。无线传感器网络当中的所有节点都可以被区分成两类节点，一类节点被称为汇聚节点而另一类节点被称为传感器节点。汇聚节点的作用类似于网关的作用，它们可以将传感器节点当中那些并不正确的数据删除并通过参考已知的相关数据来对将要发生的事件进行一个大致的判断。汇聚节点可以借助网络对用户节点发起通信，或是借助卫星直接对用户进行通信并且对接受到的数据进行分析和处理。传感网络是无线传感器网络中的重中之重，传感网络的作用是把从所有节点那里接收到的信息通过某一种特殊的方式收集起来，收集之后对这些信息进行一定量的计算与分析并且在分析过后将分析出来的结果汇聚到一个基站里，而基站内的结果会从卫星发送到用户端。1.1.2无线传感网络特点对比无线传感器网络与传统的传感器网络，我们可以发现无线传感器网络具有如下几种特点：无线传感器网络拥有相当自由的组合构建方法。没有任何一种外界的附加因素可以对无线网络传感器的构建起到限制作用。并且无论在什么时候什么地点，一个具有所有功能的无线网络传感器都可以被迅速地建成。而且在完成了无线网络传感器的建设工作之后，在无线传感器网络的内部会进行各种各样的维护修理与管理的工作。无线传感器网络的拓扑结构是具有着很强烈的不确定性的。无线传感器网络的拓扑结构在任何时候都是可以进行调整与改变的。传感器节点的数量在构成的网络拓扑结构中可以随时变大也可以随时变小，网络拓扑结构的分支可以随时增加和减少。无线传感器网络所使用的控制方式并不是由某一个点进行集中控制的。虽然整体上来讲，无线传感器网络确实是集中控制了基站节点与传感器节点。但是不同的传感器节点所使用的却并不是同一种的控制方法。不同的路由协议都是通过不同的网络终端内的主机分散开来运行，各个主机之间不会进行任何干涉行为。所以无线传感器网络很不容易被破坏殆尽。（4）无线传感器网络的安全保障却并不高。无线传感器网络是通过无线的方式进行信息的传递。所以在传送信息的过程当中，传感器网络的众多节点是很容易被入侵的，进而导致了原本安全的信息发生了泄露以及无线传感器网络会发生损坏。由于许多无线传感器网络的节点所处在的环境都是一些公开外放的环境当中，因此无线传感器网络的安全性并没有那么高。1.1.3无线传感网络性能指标1.1.3.1网络生存周期WSN网络停止工作的其中一个原因就是当死亡的节点数目超过了一个特定的个数。而这一段网络能够正常工作的时间长度就被定义为网络的生存周期。此外我们对WSN网络生存周期还有另外一种定义，那就是只有在网络被一定的覆盖率覆盖并且服务质量达到某一程度的时间才算有效。这一段有效时间就被称作是网络生存周期。[3]1.1.3.2覆盖率覆盖面积是指在WSN正常服务的前提下，WSN所覆盖的能够准确提供各项服务的最大面积。合理选择覆盖面积有助于分配无线网络资源并且增加无线网络资源的使用效率来完成所分配的任务。[3]1.1.3.3时延在发送端开始进行发送数据的操作到接收端接收完数据为止的这一段时间里，时延越短则系统约精确。1.1.3.4鲁棒性鲁棒性是由于WSN的环境并不稳定，经常会因为各种各样的理由导致节点发生死亡现象，所以在发生意外时重新建造拓扑结构使网络正常工作的性能。鲁棒性包括品质鲁棒性和稳定鲁棒性。一个控制系统能否在实际应用中起到作用的关键就是这个系统是否具有鲁棒性。1.1.4无线传感网络应用领域无线传感器网络拥有许多种类的传感器，这些传感器可以探测环境中的各种现象例如光强、噪声分贝、温度等等。随着科技的发展，无线传感器网络有着非常宽广的应用领域例如：军事领域、农业领域、建筑领域等等。军事领域：由于大规模构建无线传感器网络的成本低且部署的速度十分快，无线传感器网络在军事领域的应用在未来预防战争甚至是在战争当中都能起到巨大的作用。可以通过大量廉价的传感器来测量周边的湿度、声音、红外线等等参数，以此来实现对于敌军武器装备的监控以及定位，对于战场形势的评估等等功能。农业领域：可以利用大规模的传感器组网来监视植物的灌溉、土壤以及空气等因素的情况。我国做为一个农业大国，农作物的高产对于国民经济起到了至关重要的作用，因此在农业领域应用无线传感器网络是十分重要而且有意义的。建筑领域：无线传感器网络可以通过监视建筑物的修建环境、建筑物达到的高度、宽度等数值是否达标以及进行修建时对地震的提前预警等内容确保建筑顺利建成。[6]1.2无线传感器网络拓扑控制技术1.1.1拓扑控制技术的概念在确保无线传感网网络能够有效地运行的前提之下，根据无线传感器网络的各种特点，分析实际应用环境，拓扑控制可以控制节点的发射功率和其对于相邻的节点的选择，以此来形成更加高效、稳定的网络结构，使要完成的任务能够被顺利地完成。更加优秀的网络拓扑控制算法不单单可以提高无线传感网络的效率，更可以广大用户更加优质的体验。拓扑控制可以做到延长网络的生存时间，这是由于其能够有效地节省节点当中剩余的能量。所以拓扑控制技术是一项非常有现实意义的技术。1.1.2拓扑控制的特点1.连通和覆盖是拓扑结构至少应该要满足的最基本的两项要求。首先，最基本的需求是连通性。若只是一堆没有相互连接而只是一个个彼此孤立的传感器节点，那么显然无线传感器网络也无法存在，因此也没有办法达成目标。但是在某些特殊的情况下，连通并不需要达到百分之百的连通。若是在连通性这方面进行适当的让步，那么就可以节约能量来延长网络生存周期。其次，另一项基本要求就是要对所监测的区域进行完美地覆盖。这完美的覆盖便是进行监测、采集数据的基础。覆盖所能达到的程度代表了无线传感器网络在其监测区域内发生事件的概率。1.在设计拓扑控制算法时应当考虑到无线传感器网络的各种特点。例如长距离进行通信的能力并不是一般情况下节点所具备的能力。并且在节点分布范围大的情况下，相应的算法必须要让节点能够独自完成局部的拓扑构建，再通过组合各种局部拓扑来形成全局的连通的拓扑结构。3.不同应用场景的情况下应当有不同的拓扑控制算法来构建适合的网络拓扑结构不同的应用场景必然有着不同的要求，所以众多不同种类的拓扑控制算法就需要去应对这些形形色色的需求，因此在进行设计之时，拓扑控制技术就需要有多种多样的假设与目标。4.功率控制与邻居节点的选择是拓扑控制最基本的手段功率控制跟网络连通性的关系是非常紧密的。随着节点的发射功率不断增大，通信的半径也在逐渐增大，那么可以选择的邻居节点的数量也就越多，而连通性也就更加容易保证，但是这同时也意味着传感器网络有了更多能量的消耗，和更加强烈的通信干扰。反之，则节点的发射功率减小，通信的半径也就变小，同时可以选择的邻居节点的数量也在变少，想要保证连通性也就更加困难，但是相对来说也会降低节点的能量消耗与各个节点之间的干扰。当然，节点并没有要求一定要和所有的邻居节点全部建立起通信链路，所以对众多邻居节点我们可以适当选择舍弃一些邻居节点，以此来降低路由协议的开销。1.1.3拓扑控制结构WSN一般都包含了以下几类拓扑结构，它们分别是：星状拓扑结构(Startopology)、网状拓扑结构(Meshtopology)、混合状拓扑结构(Hybrid_networktopology)和簇树状拓扑结构(Cluster_treetopology)。下面介绍这几类拓扑结构的特点：1）星型拓扑星型结构包含了一个基站（BS）和许多传感器节点。基站与节点之间是通过单跳的形式进行信息的交换，显然这是WSN所有拓扑结构中最为简单的拓扑结构。在星型拓扑结构中基站与节点是可以交换信息的但是普通节点之间是不可以进行信息交换的。星型拓扑结构对于基站的要求较高，若是基站的可靠性高那么整个网络发生瘫痪的几率就低，但是若是基站的可靠性并不高那么网络就容易发生瘫痪，这也是星型拓扑结构的缺点所在。虽然星型结构的结构简单但是它形成的节点间距短，因此能耗就很低。所以，显然，星型拓扑结构可以用来监测范围不大的环境。2）网状拓扑在网状拓扑结构当中，所有的节点都具备数据交换传输的性能，它们可以通过单跳或是多跳的方式来传输数据。这就意味着即使是距离非常远的节点间也可以进行数据交换。所以在那些覆盖范围非常大的区域内，网状拓扑结构被广泛地应用了。因为节点可以通过多跳的方式进行数据通信，那么在多跳路径上的所有节点都需要有足够的能量维持多跳的持续进行，因此网状拓扑结构需要具有鲁棒性。在一些节点因为能量耗尽死亡时就需要别的节点立刻进行补救措施，这样才能让网络继续运行。而要让所有节点能够感知整个网络的情况并维持着收发信息的状态，这对于节点来说能量的消耗是非常大的。所以如果要监视的环境不是非常大范围且十分重要的环境那么高成本的网状拓扑显然不是你最好的选择。3）混合网络拓扑混合网络拓扑结构顾名思义是几种拓扑结构混合而成，集合了星型拓扑网络与网状托盘网络的优点，混合网络拓扑结构不仅仅能耗低、性能高、结构简单，同时覆盖的范围大、允许传输的节点之间的间隔距离也很远同时网络结构也较稳定。这样子的混合网络拓扑结构主体通常是以星型拓扑结构来分布传感器节点而路由器和中继器则是通过网状结构混合在星型结构之中。这样的网络结构当中若是有某个路由器或是中继器亦或是链路出现了问题那么其它的传感器节点依旧可以通过拓扑结构组成新的网络结构，从而继续工作而不会因为某个节点的问题使整个网络遇到麻烦。4）簇树网络拓扑与混合型网络结构不同的是，在簇树网络拓扑结构当中的节点并不能直接进行数据的交换和传输。在簇树网络拓扑结构当中，消息的传输是要经过协调器节点的，这个协调器节点起着中介的作用。在簇树网络拓扑中，占据主导地位的是全功能设备而次要地位类似于树上的叶子一般接入网络当中的是精简功能设备。通常情况下，网络与协调器节点是一对一的关系，而这个协调器节点通常是由全功能设备来担任，但是对于传感器节点来说，全功能设备与精简功能设备都可以担任。在簇树网络拓扑结构当中，整个网络的簇首是由网络的协调器节点来担任的，在所有节点都接受到簇首广播以后，所