無線傳感器網絡的應用

無線傳感器網絡的應用

無線傳感器網絡能夠實時監(jiān)控和收集網絡分布區(qū)域中不同監(jiān)控對象的信息，并將信息發(fā)送到網絡相關點。它具有快速發(fā)展和較高的抗破壞性，并且具有廣闊的應用前景。該網絡可應用于布線和電源供給困難的區(qū)域、人員不能到達的區(qū)域(如受到污染、環(huán)境不能被破壞或敵對區(qū)域)和一些臨時場合(如發(fā)生自然災害時,固定通信網絡被破壞)。它是一種特殊的Ad-hoc網絡,具有快速展開,抗毀性強等特點。無線傳感器網絡的協(xié)議棧從底層到高層依次為物理層、數(shù)據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層。無線傳感器網絡中節(jié)點的能量資源、計算能力、通信帶寬、存儲容量都非常有限,而且無線傳感器網絡通常由大量密集的傳感節(jié)點構成,這就決定了無線傳感器網絡協(xié)議棧各層的設計都必須以能源有效性為首要的設計要素。其中,在網絡層,提高網絡通信連接性、降低能量損耗、延長網絡的生命周期是無線傳感器網絡中設計有效路由算法的核心目標。無線傳感器網絡的路由算法作為一項關鍵技術已成為目前研究熱點。本文的主要內容安排如下:第1節(jié)主要描述了無線傳感器網絡路由算法的性能評價指標;無線傳感器網絡典型路由算法及其分析在第2節(jié)中進行詳盡地說明;第3節(jié)中提出了一種適合于大規(guī)模網絡的路由算法設計,并指明研究進展及未來研究方向;全文總結在第4節(jié)中給出。1傳感系統(tǒng)性能無線傳感器網絡中路由算法的設計目標是,能夠建立能源有效性路徑,提高路由的容錯能力,形成可靠數(shù)據轉發(fā)機制,延長最大網絡生命周期。評價一個無線傳感器網絡路由算法的性能,一般包含網絡生命周期、傳輸延遲、路徑容錯性、可擴展性等指標。(1)網絡生命周期,是指網絡從開始正常運行到第一個節(jié)點由于能量耗盡而消亡所經歷的時間。(2)傳輸延遲,是指從網關節(jié)點(Sink)發(fā)出數(shù)據請求到接收返回數(shù)據的時間延遲。(3)路徑容錯性,是指傳感節(jié)點容易因為能源耗盡或環(huán)境干擾而失效,部分傳感節(jié)點的失效不應影響整個網絡的任務。(4)可擴展性,是指針對特定的應用場合,網絡中可能需要成百上千個傳感節(jié)點,路由設計應能滿足大量節(jié)點協(xié)作,適合于不同規(guī)模的無線傳感器網絡。2無線傳感器網絡路由無線傳感器網絡具有無全局標識、節(jié)點較少移動、多對一通信、數(shù)據冗余大和資源受限強等特點,包括無線AdHoc網絡路由協(xié)議在內的傳統(tǒng)網絡路由協(xié)議已經無法直接應用到無線傳感器網絡中。目前,已經提出了許多新的適合無線傳感器網絡的路由算法,見文獻。按照現(xiàn)有無線傳感器網絡路由算法實現(xiàn)方法的特點,可以將它們分為洪泛式路由、以數(shù)據為中心的路由、層次式路由、基于位置信息的路由等四種類型。2.1flooding算法洪泛式路由是一種傳統(tǒng)的路由算法。它不要求維護網絡的拓撲結構,也無需進行路由計算。接收到消息的節(jié)點以廣播形式轉發(fā)數(shù)據分組,直到目標節(jié)點接收到數(shù)據分組為止,或者達到為該數(shù)據分組所設定的最大跳數(shù),或者所有節(jié)點都擁有此數(shù)據副本為止。其中,典型的路由算法有泛洪算法(Flooding)、閑聊算法(Gossiping)。Flooding算法是一種較直接的實現(xiàn)方法,它不需要維護網絡的拓撲結構和路由計算,接收到消息的節(jié)點以廣播形式轉發(fā)數(shù)據包給所有的鄰節(jié)點,這個過程重復執(zhí)行,直到數(shù)據包到達目的地或者預先設定的最大跳數(shù)已經達到。但消息的“內爆”(Implosion)、“重疊”(Overlap),以及“盲目使用資源”(ResourceBlindness)是其固有的缺陷。Gossiping算法,是Flooding的改進版本,克服了Flooding的“內爆”和“重疊”的缺陷。為節(jié)約能量,Gossiping使用隨機性原則,節(jié)點隨機選取一個相鄰節(jié)點轉發(fā)它接收到的數(shù)據分組,而不是采用廣播形式。盡管這種方法避免了消息的“內爆”現(xiàn)象,但是仍然無法解決部分重疊現(xiàn)象和盲目使用資源問題,同時經常產生數(shù)據重發(fā)現(xiàn)象,可能增加端到端的數(shù)據平均傳輸延時。2.2網絡路由自組織路由層次式路由的基本思想是將網絡節(jié)點分簇,節(jié)點將數(shù)據發(fā)往“簇首”節(jié)點,通過簇首節(jié)點進行必要的數(shù)據融合,再將數(shù)據發(fā)送出去,從而減少了網絡傳輸?shù)臄?shù)據量。其中,典型的路由算法主要有:低能自適應聚類路由算法(LEACH,LowEnergyAdaptiveClusteringHierarchy)、門限敏感的高效能耗傳感器網絡算法(TEEN,ThresholdSensitiveEnergyEfficientSensorNetworkProtocol)。LEACH算法是一種有效的自組織路由算法,它通過動態(tài)的方式來選擇簇,并隨機選擇“簇首”,從而能夠使網絡節(jié)點平均分擔通信業(yè)務,同時,數(shù)據融合技術的采用,可以減少大量冗余信息的傳輸。TEEN算法被設計為適用于響應型應用環(huán)境下的網絡路由算法,監(jiān)測數(shù)據通過與軟、硬門限值進行比較,來決定是否發(fā)送數(shù)據。該算法通過合理的設置硬門限和軟門限,僅僅傳輸用戶感興趣的信息,從而可以有效地降低系統(tǒng)的通信流量以降低系統(tǒng)的功耗。2.3基于局部轉發(fā)的視頻監(jiān)控算法基于位置信息的路由主要利用節(jié)點的位置信息來建立有效的傳輸路徑,因而需要定位技術的支持。這種類型的路由算法都假設各節(jié)點的位置信息已知,每個節(jié)點僅僅需要了解其鄰節(jié)點的位置信息,而不需要了解整個網絡的拓撲信息。節(jié)點通過判斷鄰節(jié)點與網關節(jié)點的相對位置,從而決定其下一跳節(jié)點。其中,典型的路由算法主要有:無狀態(tài)的貪婪周邊路由(GPSR,GreedyPerimeterStatelessRoutingforWirelessNetworks)、傳感器網絡中基于位置的能效路由(GPER,GeographicPowerEfficientRoutingInSensorNetworks)。GPSR算法的主要思想是節(jié)點從其鄰節(jié)點集中,選擇距網關節(jié)點最近的節(jié)點作為下一跳節(jié)點;對于網絡“空洞”問題,采用周邊轉發(fā)模式進行迂回選路。不斷進行此過程,從而最終將數(shù)據發(fā)送到網關節(jié)點。GPER算法的主要思想是將向網關節(jié)點發(fā)送數(shù)據的傳輸過程,看成是由許多向子目標節(jié)點發(fā)送數(shù)據的傳輸過程組成,通過子目標節(jié)點的逐步建立,最終將數(shù)據發(fā)送到網關節(jié)點。該算法從能效方面作了簡單考慮,根據距離遠近,合理的選擇下一跳節(jié)點來傳送數(shù)據。2.4傳感器路由算法以數(shù)據為中心的路由,提出對無線傳感器網絡中的數(shù)據用特定的描述方式來命名,采用查詢驅動數(shù)據傳輸模式將所有的數(shù)據通信都限制在局部范圍內。這種方式的通信不再依賴于特定的節(jié)點,而是依賴于網絡中的數(shù)據,從而減少了網絡中傳送的大量冗余數(shù)據,降低了不必要的開銷,從而延長網絡生命周期。其中,典型的路由算法主要有:通過協(xié)商的傳感器路由算法(SPIN,SensorProtocolsForInformationViaNegotiation)、定向擴散路由算法(DirectedDiffusion)。SPIN算法通過協(xié)商機制來解決泛洪算法中的“內爆”和“重疊”問題。傳感器節(jié)點僅廣播采集數(shù)據的描述信息,當有相應的請求時,才有目的地發(fā)送數(shù)據信息。然而,由于SPIN算法每次發(fā)送數(shù)據包前都需要發(fā)送檢測數(shù)據包,因而數(shù)據傳輸延遲較大。在需要發(fā)送較多數(shù)據時,延遲顯著加大,同時帶來一些不必要的能量消耗。DirectedDiffusion算法是以數(shù)據為中心的路由算法發(fā)展過程中的一個里程碑,是以數(shù)據為中心的路由算法中的典范。該算法的主要思想是對網絡中的數(shù)據用一組屬性對命名,數(shù)據的傳輸路徑由節(jié)點同其相鄰節(jié)點交互決定,同時引入梯度變量的概念來處理對傳感器網絡的查詢。它采用鄰節(jié)點間通信的方式來避免維護全局網絡拓撲,通過查詢驅動數(shù)據傳送模式和局部數(shù)據融合而減少網絡數(shù)據流,因此是一種高能源有效性的算法。2.5跳節(jié)點集及網絡數(shù)據融合上文對典型路由算法的主要設計思想進行了描述,可以看出,不同的路由算法設計有其各自的特點及適用性。洪泛式路由的最大特點是實現(xiàn)簡單,在節(jié)點數(shù)較少的情況下,是一個不錯的選擇?！皟缺焙汀爸丿B”問題是其固有的缺陷,但是如果只是通過發(fā)送查詢廣播數(shù)據包進行尋路過程,并不進行采集數(shù)據的傳輸,那么“內爆”和“重疊”問題就不復存在。這時,原先所謂的“內爆”問題恰恰為我們提供了多個下一跳節(jié)點供選路策略進行優(yōu)化選擇,冗余的下一跳節(jié)點作為路徑備份,增強了路由的容錯能力。與采集數(shù)據的傳輸能量相比,由于查詢數(shù)據包一般都很小,因此消耗能量很少。只要保證下一跳節(jié)點集中的節(jié)點數(shù)不要過多,那么在每個節(jié)點有限的存儲空間內保存其對應的下一跳節(jié)點集完全可以接受。在選路的過程中,若能針對節(jié)點的能量進行適當考慮,那么“盲目使用資源”問題可以得到解決。層次式路由可以降低節(jié)點協(xié)作復雜性、減少數(shù)據傳輸冗余度。這種路由設計邏輯上將網絡分成不同的簇,可以將網絡視為由簇組成,因此,網絡由對大量節(jié)點的管理轉化為對較少量簇的管理,整個網絡大量節(jié)點間的協(xié)作轉化為簇內少量節(jié)點的協(xié)作。同時,在無線傳感器網絡的應用環(huán)境下,人們通常關心的并非特定節(jié)點的采集信息,而是某區(qū)域的綜合信息;在相同區(qū)域內,各節(jié)點的采集信息中存在大量冗余。采用簇結構符合無線傳感器的應用需要,也更加便于使用數(shù)據融合技術。基于位置信息的路由實現(xiàn)了點到點的尋路過程。根據位置信息來選擇下一跳節(jié)點能夠避免尋路的盲目性。在遇到“空洞”問題時,盡管采用周邊轉發(fā)機制選擇的路徑能效不高,但是這種機制的存在可以為點到點數(shù)據傳輸提供良好的路徑容錯性。然而,這種路由設計缺乏數(shù)據冗余方面的考慮,不能有效的進行數(shù)據融合。以數(shù)據為中心的路由可以使網絡僅傳輸用戶關心的數(shù)據信息,避免其它無用信息的傳輸造成網絡能量的多余損耗,能夠有效的延長網絡的生命周期。查詢驅動模式、軟硬門限設定等方法均可以保證網絡僅傳輸符合一定要求的采集數(shù)據。這種路由設計針對無線傳感器網絡的應用領域進行考慮,主要用于不需要持續(xù)監(jiān)測各個區(qū)域方面的工程應用,應用領域受到一定限制。同時,不難看出,無線傳感器網絡中路由算法的設計需要相關技術的支持。比如,LEACH、TEEN、DirectedDiffusion這些路由算法均采用數(shù)據融合技術,有效的減少了通信業(yè)務量,延長了網絡生命周期。GPER、GPER要求每個節(jié)點在網絡初始化時,都能了解到其鄰節(jié)點的位置信息,這就需要網絡初始化時采用定位技術。而且,文中所述的各種路由算法都是基于特定應用環(huán)境設計的。在不同的應用環(huán)境下,不同的算法會表現(xiàn)出不同的性能,因此,不能絕對地說哪種算法最優(yōu)。當我們需要持續(xù)采集網絡中所有區(qū)域的信息時,可以采用Flooding、Gossiping、LEACH路由算法;當只需要采集特定區(qū)域的特定數(shù)據信息時,可以采用SPIN、TEEN、DirectedDiffusion、GPSR、GPER算法。3種新型路由算法無線傳感器網絡通常在覆蓋面積較廣的區(qū)域進行應用,上文中較典型的路由算法還無法較好的滿足這樣的應用,設計一種能夠適合于大規(guī)模網絡條件下的路由算法有其非常必要的現(xiàn)實意義。基于上文對各類路由算法的描述和分析,不難看出,這四種類型的路由算法各有其自身的設計優(yōu)勢。針對大規(guī)模的無線傳感器網絡應用,一種路由算法如果能綜合各類算法設計的優(yōu)點于一身,那么這種路由算法必將表現(xiàn)出優(yōu)良的性能。目前,結合上文對各類路由設計思想的分析,筆者正擬提出一種無線傳感器網絡中的能量啟發(fā)式分簇路由算法(EACR,Energy-awareCluster-basedRoutingAlgorithmforWirelessSensorNetwork)。EACR算法采用分簇的結構組織網絡,通過泛洪進行簇首尋路過程,根據節(jié)點的位置進行簇首選路過程?？紤]到簇首節(jié)點在網絡中能量消耗大,該算法依據網絡的平均剩余能量動態(tài)調整簇首節(jié)點,保證了網絡節(jié)點不會因過度使用而消亡。EACR算法執(zhí)行前,作如下假設:節(jié)點在播撒完畢后,位置不再變化,網關節(jié)點通過節(jié)點定位技術可以獲知各節(jié)點的位置信息;網關節(jié)點能量無限,并能夠與網絡中的所有節(jié)點單向直接通信;各節(jié)點初始能量相同,且能夠獲知自身的剩余能量。該算法的實現(xiàn)主要由初始化階段和數(shù)據傳輸階段組成。3.1數(shù)據傳輸階段在初始化階段,主要完成網絡的初始化配置,以簇的形式將網絡組織起來,并為簇間多跳選擇較優(yōu)路徑,從而為數(shù)據傳輸階段作好準備。初始化階段主要包含兩個步驟:靜態(tài)分簇與綁定簇首,簇間連接與多跳選擇。3.1.1當前節(jié)點的定序假設n個節(jié)點隨機均勻分布在方形區(qū)域A=M×N內,則網關節(jié)點根據簇半徑的大小R計算出區(qū)域A中所需分簇的數(shù)量Cnum以及各簇內簇首節(jié)點的參考坐標Ck=REFER(XK,YK),0<k<Cnum,k∈N。在靜態(tài)分簇過程中,網關節(jié)點以Ck為簇首參考坐標,結合網絡中節(jié)點的位置,在簇k中選擇距參考節(jié)點最近的且具有最大剩余能量Er(k)的節(jié)點作為簇首節(jié)點,然后將選擇的簇首節(jié)點信息直接發(fā)送給網絡中相應的節(jié)點。為了保證分簇后,各相鄰簇首理論上可以相互進行能量損耗較少的通信,要求簇半徑R<do2R<do2,其中do為節(jié)點的有效傳輸半徑。隨后,在綁定簇首過程中,被選為簇首的節(jié)點向其有效傳輸半徑do范圍內的節(jié)點發(fā)送廣播消息,要求其它節(jié)點加入以該節(jié)點為簇首的簇群中。其它收到簇首廣播消息的節(jié)點,根據接收消息信號強度來選擇加入信號較強的簇群。若該節(jié)點到網關節(jié)點的距離比到簇首節(jié)點的距離近,則該節(jié)點不選擇加入簇群,而是直接綁定到網關節(jié)點上。由于數(shù)據融合有效性因素的影響,存在一個距離常數(shù)ddata,要求當節(jié)點到達網關的距離小于ddata時,節(jié)點都直接綁定到網關節(jié)點上,不加入任何簇群。根據文獻中的能量傳輸模型,經過計算,ddata=EDA+Eelecεfriss?amp???????√ddata=EDA+Eelecεfriss-amp,其中,EDA表示每比特數(shù)據進行融合的耗能,Eelec表示每比特數(shù)據在發(fā)射電路或接收電路中的耗能,εfriss-amp為能量傳輸模型中的功率放大系數(shù)。3.1.2簇間連接的信號強度分析在簇間連接過程中,網關節(jié)點以發(fā)射半徑do向外廣播Hop=0消息。接收到該消息的簇首節(jié)點,將自身的Hop數(shù)置為1,將其下一跳節(jié)點設為網關節(jié)點,并向外廣播Hop消息。其它還未接收過Hop消息的簇首節(jié)點,將接收到的Hop值加1置為其新的Hop值,并將發(fā)送該Hop消息的節(jié)點加入到其下一跳節(jié)點集中,然后再次向外廣播Hop消息。若已接收過Hop消息的節(jié)點監(jiān)聽到來自相同Hop值節(jié)點的廣播數(shù)據包,則也將發(fā)送該Hop數(shù)據包的節(jié)點加入到其下一跳的節(jié)點集中。從而,建立了簇間的連接,簇首可以從其下一跳節(jié)點集中選擇一個節(jié)點作為其下一跳節(jié)點,最終將數(shù)據發(fā)送到網關節(jié)點。簇間連接過程實際上為簇到網關節(jié)點的數(shù)據傳輸建立了多條通信路徑,多跳選擇過程在此基礎上為各簇選擇一條到達網關節(jié)點的較合理路徑。各簇首節(jié)點在它的下一跳節(jié)點集中,選擇距其最近的簇首節(jié)點作為下一跳。距離的遠近可以根據該節(jié)點加入到下一跳節(jié)點集時接收信號的強弱來判斷,信號強度越強,可以認為兩節(jié)點距離越近。下一跳節(jié)點集中的其它節(jié)點作為路徑備份,從而為路由提供一定的容錯能力,增強網絡的健壯性。3.2eacr算法數(shù)據的上傳在數(shù)據傳輸階段,各節(jié)點開始采集數(shù)據信息。簇群中的非簇首節(jié)點將采集的數(shù)據直接發(fā)往簇首節(jié)點,簇首節(jié)點將接收到的數(shù)據與自身采集數(shù)據經過融合處理后,再沿著已經建立好的傳輸路徑將數(shù)據發(fā)送到網關節(jié)點;沒有綁定簇首的節(jié)點直接將數(shù)據發(fā)送到網關節(jié)點。從而完成了數(shù)據采集及傳輸?shù)娜蝿铡ACR算法中,各節(jié)點可以將自身當前的剩余能量信息與采集數(shù)據一起發(fā)送。網關節(jié)點根據接收到的剩余能量信息,計算出當前網絡的平均剩余能量。若簇首節(jié)點的剩余能量低于平均剩余能量,則重新選擇簇首,再