计算机网络编码技术在无线传感器网络中的应用

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 计算机网络编码技术在无线传感器 网络中的应用 摘要；近年来，随着科学技术的 不断发展，无线传感器由于其自身的易 部署性和多功能性被广泛应用于各种领 域，但另一方面，传感器节点能量的有 限性和无线链路的不可靠性也是我们需 要完善的地方。 中国论文网 /8/view-12937993.htm 关键词：计算机网络编码；无线 传感器网络；应用方面 中图分类号：TP393 文献标识码： A 文章编号： 1009-3044（2017）07- 0023-03 无线传感器网络的发展离不开路 由技术的支撑，在无线传感器网络路由 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 的发展过程中，网络特点、业务特点和 应用需求都显现出了与传统网络不同的 地方，所以我们必须要积极应对无线传 感器网络路由设计变化带来的挑战。 1 无线传感器网络的概述 无线传感器网络，简称 WSN， 随着微机电系统（MEMS）的出现，有 效推动了智能传感器的发展，尤其是在 发展的过程中，传感器节点降低了制造 成本，与传统的传感器相比，不但能够 从环境中感知、测量和收集信息，且它 的体积相对较小，还能够快速传递收集 到的信息，所以得到了人们的广泛关注， 且被应用于自然灾害的紧急救援、军事 目标的监督及跟踪、生物的健康监控等 方面。由于无线传感器网络可以帮助人 们在恶劣或者人们无法接近的特殊环境 下工作，所以各个国家对无线传感器网 络技术投入了大量的财力物力进行研究。 而我国也认识到无线传感器网络技术对 人们的生活及科学产生的巨大影响，也 加入到无线传感器网络技术的理论和应 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 用研究，并且在微型传感器、无线智能 传感网络通信技术、应用系统及传感器 节点等方面取得了一定的研究成果，且 一部分研究理论已经被应用于实际的工 程系统中。我们知道，无线传感器网络 在发展过程中，最具重要性的三要素是 传感器、感知对象和观察者，对无线传 感器网络技术进行研究，不但可以让信 息感知和信息采集完成一次巨大的飞跃， 更能够对我们人类的发展产生巨大影响。 在无线传感器网络技术的发展过程中， 由于其在各个环境的应用不同，从而演 化出了一系列的无线传感器网络。 1.1 地面无线传感器网络 其一般是由自组织方式组网或者 是预先规划的方式组网，这是由于地面 无线传感器网络通常由许许多多的廉价 的部署在一个预先指定好的区域的传感 器节点决定的。在陆地无线传感器网络 中，由于所处的环境较为密集，因此需 要采取有效措施来确保其通信的可靠性， 同时还需要确保陆地传感器节点能够将 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 数据信息快速、高效地传递到基站，这 就决定了陆地无线传感器网络的运作需 要消耗大量的电力，但是在这个过程中 电池的能力是有限的，并且可能不能被 充电，即使我们可以借助太阳能电源或 者是其他第二能量，我们仍然需要注意 保存能量。为了让陆地传感器节点可以 更好地运作，我们可以通过提高网内数 据聚合、缩短运输范围、降低延迟等方 法来实现能量的有效保存。 1.2 地下无线传感器网络 与地面无线传感器网络相比，地 下无线传感器网络具有更高的造价成本， 这是因为大部分地下无线传感器网络都 是部署于山洞中的节点，或埋于地下的 传感器节点，或矿下以实现对地下条件 监控的节点，在部署节点时，由于操作 地点处于地下或者是矿下，较于地面节 点的部署难度更大，在维护时需要付出 的也更多。在进行节点的材料x 择时， 我们为了保证通信的可靠性，一般要使 选择的节点能够有效的穿过岩石、油、 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 水及其他物质，所以在制造地下传感器 节点时，我们就必须投入更多的财力， 且要仔细考虑能量开销投入并详细部署 规划，这样才能保证地下无线传感器在 高强度的信号衰减的地下环境下可以让 无线通信顺利传达。在地下无线传感器 网络中，我们必须给地下传感器节点配 备相应的电池能量，并且利用高效的通 讯协议来达到增加网络可靠性的目的。 1.3 水下无线传感器网络 与地面无线传感器网络不同的是， 虽然水下无线传感器网络涉及大量的传 感节点，但是水下传感器节点更贵，但 是需要部署的节点却较少。在水下通信 网络中，比较具有代表性的是声波通信。 但是声音通信处于水下，这样的环境很 容易引起节点失效，而且在有限的宽带 中，需要进行长距离的信息传输，所以 在传输过程中会出现传输延迟和信号衰 退等问题。水下传感器节点一般需要依 靠有限的电池来进行运作，但是无法进 行重新充电或被替换，但是我们可以通 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 过开发高效率的水下通信和网络技术来 提高水下传感器网络的能量效率。 1.4 多媒体无线传感器网络 多媒体网络主要是用来对音频、 视频或图像等多媒体信息进行有效的监 控和跟踪，在多媒体无线传感器网络中， 它包含了大量的高开销的传感器节点， 且配备了照相机和麦克风。这样在进行 数据的获取、处理、协作时就可以让传 感器节点与其他节点进行无线连接，而 多媒体传感器节点的保障覆盖主要通过 预先规划好的方式进行。与其他无线传 感器网络相比，多媒体无线传感器网络 的挑战是能量消耗高、数据处理、服务 质量保障、跨层设计和压缩技术，多媒 体的内容则依靠高宽带来进行数据传递。 1.5 移动无线传感器网络 移动无线传感器网络同样包括多 个传感器节点，而且每一个节点之间可 以实现独立移动，同时也可以实现与物 理环境的有效相交。移动节点与其他无 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 线传感器网络相比，它具有在网络中自 组织和重新定位的能力，同时在数据的 分发方面也具有一定的差异，在移动无 线传感器网络中，一般选择动态路由； 而在静态无线传感器网络中，一般选择 固定路由或者洪泛。 而动态路由所需要面临的挑战则 是部署、定位、自组织、维护及数据处 理等。 据以上分析，我们用表格来直观 地表现无线传感器网络的种类 1.6 无线传感器网络的特点 随着信息技术的不断发展，有效 推动了无线网络传感器的发展。在无线 网络传感器技术中，形成了没有全局标 识、多对一通信、节点高密度部署、资 源局限性强、数据冗余大、节点不可靠 以及网络拓扑变化快等特点，在这其中， 资源的局限性是发展无线传感器网络最 大的阻碍，因为传感器节点资源存在较 大的限制性，因此在进行信息发送的过 程中，使处理能力、发送的功耗、通信 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 宽带、板上能量和存储容量受到一定的 限制，为了改善资源限制带来的影响， 我们选择设计能力高效的数据传输和存 储方法就很有必要了。 2 无线传 感器网络的技术 无线传感器网络的发展离不开技 术的支撑，在应用于各种环境中无线传 感器网络的发展规划越来越明确的现在， 适用于各种不同无线传感器网络的技术 也不断发展，从而出现了无线传感器路 由技术、无线传感器网络关键技术以及 无线传感器网络中的数据存储和修复技 术。 2.1 无线传感器网络的关键技术 通常情况下，无线传感器网络关 键技术主要是由能量收集技术、嵌入式 操作系统技术、无线通信技术、传感器 技术、低功耗技术、多跳自组织网络的 路由协议、数据融合和数据管理技术以 及信息安全技术。在无线通信技术中， 常见的种类有红外、蓝牙等，使人们对 无线通信有了更大的需求3，涌现出了 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 一系列的短距离无线通信技术，并且在 家庭信息化领域占据着不可替代的位置； 能量收集技术是针对节点能量问题而提 出的，为了让传感器节点可以长期、稳 定且可靠地进行工作，我们通常会对太 阳能、风能、声能、电磁场能等环境能 量进行搜集，从而为传感节点器持续供 应能量；传感器技术发展成为自动控制 和测试的主要技术手段，主要用于对某 一种形态信息的有效传递和检测，并借 助一定的手段将其转化为其他形态的信 息，从而有效实现信息的传输；嵌入式 操作系统技术是用途较为广泛的系统软 件，硬件资源的分配、嵌入式系统的软、 协调并发活动、任务调度和控制都由嵌 入式操作系统负责，而我们所熟悉的传 感器网络节点一般是在嵌入式操作系统 技术的基础上实现对数据的有效采集、 融合、整理及传输等任务；多跳自组织 网络的路由协议是在无线信道质量的不 规则变化、网络拓扑结构的动态变化环 境下，对交换路由信息、网络拓扑结构 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 的变更、定位目的节点位置等进行有效 的监控，从而达到网络连通性的目的； 对于低功耗技术的使用主要是为了缓解 网络节点的能量消耗，从而使网络的生 存时间得到延伸；数据融合和数据管理 技术一般是借助计算机技术来获取观测 信息，并对信息进行自动分析和处理； 信息安全技术是在保障数据运输基本任 务，对收集到的数据按规则进行聚合、 并对任务进行系统控制的过程中能够保 障无线传感器网络数据传输的保密性、 可靠性、高效性、安全性。 2.2 无线传感器网络中的路由技 术 无线传感器网络技术中的路由技 术通常是指九大协议，他们分别是： Flooding 协议、 Gossiping 协议、SPIN 协议、DD 协议、Rumor 协议、GPSR 协议、TBF 协议、 LEACH 协议以及 TEEN 协议。在 Flooding 协议中，它的 运行不必依赖全局的网络拓扑结构，而 是当一个节点收到数据后就用广播的方 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 式进行传输，这样一级一级地传输下去， 直到所有的数据包到达各自的最大跳数。 在这样的数据传输过程中，我们可以看 到，虽然这样的路由协议设计理念比较 简单，而且使用比较方便，但是也存在 一些弊端，即消息重叠和资源盲点。 Gossiping 路由是在 Flooding 路由的基 础上来运行的，即它不像 Flooding 路由 那样收到信息后一级一级进行传递，而 是对产生的数据或收到的数据选择一个 与之对应的临近节点进行转发，这样就 可以避免消息内爆，但是却仍然不能从 根本上解决信息重叠和盲目使用资源的 问题；SPIN 是一种以数据为中心的路 由协议，它可以用较小的消息量来有效 缓解内爆问题，从而保证资源的有效利 用。但是其中所存在的缺点就是接收节 点无法产生数据时，将会阻碍数据的有 效传输，同时对于一些远距离的节点却 在停止数据转发后无法收到数据，导致 信息的不完整；DD 是以数据为中心的 基于查询驱动的路由协议，它具有采用 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 健壮性好、多路径的特点，借助数据聚 合，可以有效降低数据的通信量，并且 可以保存全网信息，但是却不适用于环 境监测等方面的应用；GPSR 直接依赖 领节点来进行路由选择，所以就不用在 节点中建立、维护和存储路由表，所以 它具有数据传输时延小，并且保证只要 网络连通性正常就可以发现可达路由， 但是它的缺点却是需要借助 GPS 定位 系统来对节点的位置信息进行有效的计 算；除我们以上提到的较为经典的无线 传感器网络路由协议，还有一些以数据 为中心的路由协议，例如 EMRS、Mobicast 等，这些路由协议为 无线传感器网络路由协议的发展提供了 理论基础，以确保无线传感器网络路由 协议更加的安全、高效、可靠。 2.3 无线传感器网络中的数据存 储和修复技术 我们知道，传感器的节点的信息 收集需要不间断地进行，但是传感器节 点的能量却是有限的，为了让信息收集 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 13 工作能够持续进行，我们必须让有限的 存储空间更好地发挥其存储价值。通常 情况下，可以根据存储位置的不同将无 线传感器网络中的存储技术分为外部存 储、以数据为中心的存储和本地存储。 其中，外部存储一般是把数据存储于 Sink 节点，而且对于相关数据的查询也 是在此节点上执行的，从而在一定程度 上增加了路由的开销；本地存储则是采 用在产生数据的节点上保存数据，所以 存储数据需要消耗的能量较小，但是这 种存储方式无法实现对数据的有效查询， 因此本地存储只被应用于数据的产生频 率高于数据的查询频率时才会被广泛应 用；采取以数据为中心的存 耆是 分布式的，网络的连通性也较好，所以 它们并不需要维护任何的路由表。 在对以上无线传感器网络的技术 进行分析后，我们对其进行一个简要的 归纳： 3 网络编码的研究现状 在进行无线传感器网络能量的提 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 14 高中，我们都是在网络编码技术的基础 上进行的。在传统的通信网络中，负责 中继数据的是网络的中间节点，但是它 们却不会对数据进行额外的操作。所以 网络编码的主要作用是在网络的中间节 点进行再编码操作，这样就可以提高吞 吐量、降低能源耗用，达到提升网络性 能的目的。 3.1 对网络编码的认知 通常情况下，可以将网络编码方 案划分为非线性网络编码和线性网络编 码。其中，后者由于其具有较稳固的代 数结构和编码方案，因此大部分人都会 选择线性网络编码。借助网络中的源节 点，可以将数据点发送到目的节点中， 可以使汇聚信息节点可以借助组播的容 量给予快速接受，从而实现了对源节点 的编码。而中间的节点在接收到数据