无线传感器网络的应用

无线传感器网络的应用

无线传感器网络能够实时监控和收集网络分布区域中不同监控对象的信息，并将信息发送到网络相关点。它具有快速发展和较高的抗破坏性，并且具有广阔的应用前景。该网络可应用于布线和电源供给困难的区域、人员不能到达的区域(如受到污染、环境不能被破坏或敌对区域)和一些临时场合(如发生自然灾害时,固定通信网络被破坏)。它是一种特殊的Ad-hoc网络,具有快速展开,抗毁性强等特点。无线传感器网络的协议栈从底层到高层依次为物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。无线传感器网络中节点的能量资源、计算能力、通信带宽、存储容量都非常有限,而且无线传感器网络通常由大量密集的传感节点构成,这就决定了无线传感器网络协议栈各层的设计都必须以能源有效性为首要的设计要素。其中,在网络层,提高网络通信连接性、降低能量损耗、延长网络的生命周期是无线传感器网络中设计有效路由算法的核心目标。无线传感器网络的路由算法作为一项关键技术已成为目前研究热点。本文的主要内容安排如下:第1节主要描述了无线传感器网络路由算法的性能评价指标;无线传感器网络典型路由算法及其分析在第2节中进行详尽地说明;第3节中提出了一种适合于大规模网络的路由算法设计,并指明研究进展及未来研究方向;全文总结在第4节中给出。1传感系统性能无线传感器网络中路由算法的设计目标是,能够建立能源有效性路径,提高路由的容错能力,形成可靠数据转发机制,延长最大网络生命周期。评价一个无线传感器网络路由算法的性能,一般包含网络生命周期、传输延迟、路径容错性、可扩展性等指标。(1)网络生命周期,是指网络从开始正常运行到第一个节点由于能量耗尽而消亡所经历的时间。(2)传输延迟,是指从网关节点(Sink)发出数据请求到接收返回数据的时间延迟。(3)路径容错性,是指传感节点容易因为能源耗尽或环境干扰而失效,部分传感节点的失效不应影响整个网络的任务。(4)可扩展性,是指针对特定的应用场合,网络中可能需要成百上千个传感节点,路由设计应能满足大量节点协作,适合于不同规模的无线传感器网络。2无线传感器网络路由无线传感器网络具有无全局标识、节点较少移动、多对一通信、数据冗余大和资源受限强等特点,包括无线AdHoc网络路由协议在内的传统网络路由协议已经无法直接应用到无线传感器网络中。目前,已经提出了许多新的适合无线传感器网络的路由算法,见文献。按照现有无线传感器网络路由算法实现方法的特点,可以将它们分为洪泛式路由、以数据为中心的路由、层次式路由、基于位置信息的路由等四种类型。2.1flooding算法洪泛式路由是一种传统的路由算法。它不要求维护网络的拓扑结构,也无需进行路由计算。接收到消息的节点以广播形式转发数据分组,直到目标节点接收到数据分组为止,或者达到为该数据分组所设定的最大跳数,或者所有节点都拥有此数据副本为止。其中,典型的路由算法有泛洪算法(Flooding)、闲聊算法(Gossiping)。Flooding算法是一种较直接的实现方法,它不需要维护网络的拓扑结构和路由计算,接收到消息的节点以广播形式转发数据包给所有的邻节点,这个过程重复执行,直到数据包到达目的地或者预先设定的最大跳数已经达到。但消息的“内爆”(Implosion)、“重叠”(Overlap),以及“盲目使用资源”(ResourceBlindness)是其固有的缺陷。Gossiping算法,是Flooding的改进版本,克服了Flooding的“内爆”和“重叠”的缺陷。为节约能量,Gossiping使用随机性原则,节点随机选取一个相邻节点转发它接收到的数据分组,而不是采用广播形式。尽管这种方法避免了消息的“内爆”现象,但是仍然无法解决部分重叠现象和盲目使用资源问题,同时经常产生数据重发现象,可能增加端到端的数据平均传输延时。2.2网络路由自组织路由层次式路由的基本思想是将网络节点分簇,节点将数据发往“簇首”节点,通过簇首节点进行必要的数据融合,再将数据发送出去,从而减少了网络传输的数据量。其中,典型的路由算法主要有:低能自适应聚类路由算法(LEACH,LowEnergyAdaptiveClusteringHierarchy)、门限敏感的高效能耗传感器网络算法(TEEN,ThresholdSensitiveEnergyEfficientSensorNetworkProtocol)。LEACH算法是一种有效的自组织路由算法,它通过动态的方式来选择簇,并随机选择“簇首”,从而能够使网络节点平均分担通信业务,同时,数据融合技术的采用,可以减少大量冗余信息的传输。TEEN算法被设计为适用于响应型应用环境下的网络路由算法,监测数据通过与软、硬门限值进行比较,来决定是否发送数据。该算法通过合理的设置硬门限和软门限,仅仅传输用户感兴趣的信息,从而可以有效地降低系统的通信流量以降低系统的功耗。2.3基于局部转发的视频监控算法基于位置信息的路由主要利用节点的位置信息来建立有效的传输路径,因而需要定位技术的支持。这种类型的路由算法都假设各节点的位置信息已知,每个节点仅仅需要了解其邻节点的位置信息,而不需要了解整个网络的拓扑信息。节点通过判断邻节点与网关节点的相对位置,从而决定其下一跳节点。其中,典型的路由算法主要有:无状态的贪婪周边路由(GPSR,GreedyPerimeterStatelessRoutingforWirelessNetworks)、传感器网络中基于位置的能效路由(GPER,GeographicPowerEfficientRoutingInSensorNetworks)。GPSR算法的主要思想是节点从其邻节点集中,选择距网关节点最近的节点作为下一跳节点;对于网络“空洞”问题,采用周边转发模式进行迂回选路。不断进行此过程,从而最终将数据发送到网关节点。GPER算法的主要思想是将向网关节点发送数据的传输过程,看成是由许多向子目标节点发送数据的传输过程组成,通过子目标节点的逐步建立,最终将数据发送到网关节点。该算法从能效方面作了简单考虑,根据距离远近,合理的选择下一跳节点来传送数据。2.4传感器路由算法以数据为中心的路由,提出对无线传感器网络中的数据用特定的描述方式来命名,采用查询驱动数据传输模式将所有的数据通信都限制在局部范围内。这种方式的通信不再依赖于特定的节点,而是依赖于网络中的数据,从而减少了网络中传送的大量冗余数据,降低了不必要的开销,从而延长网络生命周期。其中,典型的路由算法主要有:通过协商的传感器路由算法(SPIN,SensorProtocolsForInformationViaNegotiation)、定向扩散路由算法(DirectedDiffusion)。SPIN算法通过协商机制来解决泛洪算法中的“内爆”和“重叠”问题。传感器节点仅广播采集数据的描述信息,当有相应的请求时,才有目的地发送数据信息。然而,由于SPIN算法每次发送数据包前都需要发送检测数据包,因而数据传输延迟较大。在需要发送较多数据时,延迟显著加大,同时带来一些不必要的能量消耗。DirectedDiffusion算法是以数据为中心的路由算法发展过程中的一个里程碑,是以数据为中心的路由算法中的典范。该算法的主要思想是对网络中的数据用一组属性对命名,数据的传输路径由节点同其相邻节点交互决定,同时引入梯度变量的概念来处理对传感器网络的查询。它采用邻节点间通信的方式来避免维护全局网络拓扑,通过查询驱动数据传送模式和局部数据融合而减少网络数据流,因此是一种高能源有效性的算法。2.5跳节点集及网络数据融合上文对典型路由算法的主要设计思想进行了描述,可以看出,不同的路由算法设计有其各自的特点及适用性。洪泛式路由的最大特点是实现简单,在节点数较少的情况下,是一个不错的选择。“内爆”和“重叠”问题是其固有的缺陷,但是如果只是通过发送查询广播数据包进行寻路过程,并不进行采集数据的传输,那么“内爆”和“重叠”问题就不复存在。这时,原先所谓的“内爆”问题恰恰为我们提供了多个下一跳节点供选路策略进行优化选择,冗余的下一跳节点作为路径备份,增强了路由的容错能力。与采集数据的传输能量相比,由于查询数据包一般都很小,因此消耗能量很少。只要保证下一跳节点集中的节点数不要过多,那么在每个节点有限的存储空间内保存其对应的下一跳节点集完全可以接受。在选路的过程中,若能针对节点的能量进行适当考虑,那么“盲目使用资源”问题可以得到解决。层次式路由可以降低节点协作复杂性、减少数据传输冗余度。这种路由设计逻辑上将网络分成不同的簇,可以将网络视为由簇组成,因此,网络由对大量节点的管理转化为对较少量簇的管理,整个网络大量节点间的协作转化为簇内少量节点的协作。同时,在无线传感器网络的应用环境下,人们通常关心的并非特定节点的采集信息,而是某区域的综合信息;在相同区域内,各节点的采集信息中存在大量冗余。采用簇结构符合无线传感器的应用需要,也更加便于使用数据融合技术。基于位置信息的路由实现了点到点的寻路过程。根据位置信息来选择下一跳节点能够避免寻路的盲目性。在遇到“空洞”问题时,尽管采用周边转发机制选择的路径能效不高,但是这种机制的存在可以为点到点数据传输提供良好的路径容错性。然而,这种路由设计缺乏数据冗余方面的考虑,不能有效的进行数据融合。以数据为中心的路由可以使网络仅传输用户关心的数据信息,避免其它无用信息的传输造成网络能量的多余损耗,能够有效的延长网络的生命周期。查询驱动模式、软硬门限设定等方法均可以保证网络仅传输符合一定要求的采集数据。这种路由设计针对无线传感器网络的应用领域进行考虑,主要用于不需要持续监测各个区域方面的工程应用,应用领域受到一定限制。同时,不难看出,无线传感器网络中路由算法的设计需要相关技术的支持。比如,LEACH、TEEN、DirectedDiffusion这些路由算法均采用数据融合技术,有效的减少了通信业务量,延长了网络生命周期。GPER、GPER要求每个节点在网络初始化时,都能了解到其邻节点的位置信息,这就需要网络初始化时采用定位技术。而且,文中所述的各种路由算法都是基于特定应用环境设计的。在不同的应用环境下,不同的算法会表现出不同的性能,因此,不能绝对地说哪种算法最优。当我们需要持续采集网络中所有区域的信息时,可以采用Flooding、Gossiping、LEACH路由算法;当只需要采集特定区域的特定数据信息时,可以采用SPIN、TEEN、DirectedDiffusion、GPSR、GPER算法。3种新型路由算法无线传感器网络通常在覆盖面积较广的区域进行应用,上文中较典型的路由算法还无法较好的满足这样的应用,设计一种能够适合于大规模网络条件下的路由算法有其非常必要的现实意义。基于上文对各类路由算法的描述和分析,不难看出,这四种类型的路由算法各有其自身的设计优势。针对大规模的无线传感器网络应用,一种路由算法如果能综合各类算法设计的优点于一身,那么这种路由算法必将表现出优良的性能。目前,结合上文对各类路由设计思想的分析,笔者正拟提出一种无线传感器网络中的能量启发式分簇路由算法(EACR,Energy-awareCluster-basedRoutingAlgorithmforWirelessSensorNetwork)。EACR算法采用分簇的结构组织网络,通过泛洪进行簇首寻路过程,根据节点的位置进行簇首选路过程。考虑到簇首节点在网络中能量消耗大,该算法依据网络的平均剩余能量动态调整簇首节点,保证了网络节点不会因过度使用而消亡。EACR算法执行前,作如下假设:节点在播撒完毕后,位置不再变化,网关节点通过节点定位技术可以获知各节点的位置信息;网关节点能量无限,并能够与网络中的所有节点单向直接通信;各节点初始能量相同,且能够获知自身的剩余能量。该算法的实现主要由初始化阶段和数据传输阶段组成。3.1数据传输阶段在初始化阶段,主要完成网络的初始化配置,以簇的形式将网络组织起来,并为簇间多跳选择较优路径,从而为数据传输阶段作好准备。初始化阶段主要包含两个步骤:静态分簇与绑定簇首,簇间连接与多跳选择。3.1.1当前节点的定序假设n个节点随机均匀分布在方形区域A=M×N内,则网关节点根据簇半径的大小R计算出区域A中所需分簇的数量Cnum以及各簇内簇首节点的参考坐标Ck=REFER(XK,YK),0<k<Cnum,k∈N。在静态分簇过程中,网关节点以Ck为簇首参考坐标,结合网络中节点的位置,在簇k中选择距参考节点最近的且具有最大剩余能量Er(k)的节点作为簇首节点,然后将选择的簇首节点信息直接发送给网络中相应的节点。为了保证分簇后,各相邻簇首理论上可以相互进行能量损耗较少的通信,要求簇半径R<do2R<do2,其中do为节点的有效传输半径。随后,在绑定簇首过程中,被选为簇首的节点向其有效传输半径do范围内的节点发送广播消息,要求其它节点加入以该节点为簇首的簇群中。其它收到簇首广播消息的节点,根据接收消息信号强度来选择加入信号较强的簇群。若该节点到网关节点的距离比到簇首节点的距离近,则该节点不选择加入簇群,而是直接绑定到网关节点上。由于数据融合有效性因素的影响,存在一个距离常数ddata,要求当节点到达网关的距离小于ddata时,节点都直接绑定到网关节点上,不加入任何簇群。根据文献中的能量传输模型,经过计算,ddata=EDA+Eelecεfriss−amp−−−−−−−√ddata=EDA+Eelecεfriss-amp,其中,EDA表示每比特数据进行融合的耗能,Eelec表示每比特数据在发射电路或接收电路中的耗能,εfriss-amp为能量传输模型中的功率放大系数。3.1.2簇间连接的信号强度分析在簇间连接过程中,网关节点以发射半径do向外广播Hop=0消息。接收到该消息的簇首节点,将自身的Hop数置为1,将其下一跳节点设为网关节点,并向外广播Hop消息。其它还未接收过Hop消息的簇首节点,将接收到的Hop值加1置为其新的Hop值,并将发送该Hop消息的节点加入到其下一跳节点集中,然后再次向外广播Hop消息。若已接收过Hop消息的节点监听到来自相同Hop值节点的广播数据包,则也将发送该Hop数据包的节点加入到其下一跳的节点集中。从而,建立了簇间的连接,簇首可以从其下一跳节点集中选择一个节点作为其下一跳节点,最终将数据发送到网关节点。簇间连接过程实际上为簇到网关节点的数据传输建立了多条通信路径,多跳选择过程在此基础上为各簇选择一条到达网关节点的较合理路径。各簇首节点在它的下一跳节点集中,选择距其最近的簇首节点作为下一跳。距离的远近可以根据该节点加入到下一跳节点集时接收信号的强弱来判断,信号强度越强,可以认为两节点距离越近。下一跳节点集中的其它节点作为路径备份,从而为路由提供一定的容错能力,增强网络的健壮性。3.2eacr算法数据的上传在数据传输阶段,各节点开始采集数据信息。簇群中的非簇首节点将采集的数据直接发往簇首节点,簇首节点将接收到的数据与自身采集数据经过融合处理后,再沿着已经建立好的传输路径将数据发送到网关节点;没有绑定簇首的节点直接将数据发送到网关节点。从而完成了数据采集及传输的任务。EACR算法中,各节点可以将自身当前的剩余能量信息与采集数据一起发送。网关节点根据接收到的剩余能量信息,计算出当前网络的平均剩余能量。若簇首节点的剩余能量低于平均剩余能量,则重新选择簇首,再