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無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述 鄭巍 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂茻o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由算法介紹 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（ wireless sensor network， WSN）：就是由部署在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作的感知，采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。 傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)： 人 人 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)：人 自然界 與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別 無線自組網(wǎng)(mobile ad-hoc network） 1.幾十到上百個(gè)節(jié)點(diǎn) 2.無線通信，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的關(guān)系是對(duì)等的 3.首要目標(biāo)是保證高質(zhì)量的傳輸服務(wù)和高帶寬利用 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN) 1.節(jié)點(diǎn)更為龐大，成千上萬，節(jié)點(diǎn)分布更為密集 2.環(huán)境影響和干擾很大，本身能量不足，因此節(jié)點(diǎn)很容易出現(xiàn)故障，影響網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 3.首要目標(biāo)是能源的高效使用。 傳感器節(jié)點(diǎn)的限制 1.電源能量有限 因此多采用睡眠機(jī)制 2.通信能力有限 能耗和通信距離的關(guān)系 因此宜采用多跳而盡量少用單跳 無線通信受干擾很大，甚至可能出現(xiàn)頻繁的通信中斷 因此如何設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)制以滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信需求成為傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵問題。 3.計(jì)算和存儲(chǔ)能力有限 合理的利用資源成為重要目標(biāo) 傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn) 1.大規(guī)模網(wǎng)絡(luò) 2.自組織網(wǎng)絡(luò) 3.動(dòng)態(tài)性網(wǎng)絡(luò) 4.可靠的網(wǎng)絡(luò) 傳感器網(wǎng)絡(luò)特別適合部署在惡劣環(huán)境或人類不宜到達(dá)的區(qū)域，要求傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟硬件有很強(qiáng)的魯棒性和容錯(cuò)性。 5.應(yīng)用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò) 不同的傳感器網(wǎng)絡(luò)有不同的設(shè)計(jì)目標(biāo)，和Internet不一樣他們互相之間沒有統(tǒng)一的通信協(xié)議，開發(fā)時(shí)更關(guān)心之間的差異。 6.以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。 傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)心的只是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)獲得的信息，而并不關(guān)心某一個(gè)節(jié)點(diǎn)獲得了什么信息，是以事件為中心的。所以說是以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。 軍事應(yīng)用 通過飛機(jī)或炮彈直接將傳感器節(jié)點(diǎn)撒播到指定區(qū)域，從而能非常隱蔽和近距離準(zhǔn)確的收集戰(zhàn)場(chǎng)信息。為火控和制導(dǎo)系統(tǒng)提供精確制導(dǎo)，利用生物和化學(xué)傳感器探測(cè)生化武器的成分。除了探測(cè)之外還可以鑒別身份和追蹤目標(biāo)。 環(huán)境和生態(tài)監(jiān)測(cè)這是中科院對(duì)雪豹進(jìn)行監(jiān)測(cè)拍攝的照片。 醫(yī)療護(hù)理 包括監(jiān)測(cè)人體的各種生理數(shù)據(jù)，跟蹤和監(jiān)控醫(yī)院內(nèi)醫(yī)生和患者的行動(dòng)，醫(yī)院的藥物管理。值得一提的是應(yīng)用在人工視網(wǎng)膜中，替代視網(wǎng)膜的芯片有100個(gè)微型的傳感器組成并置入人眼，可以使得失明者或視力極差者能夠恢復(fù)到一個(gè)可以接受的視力水平。 建筑物狀態(tài)監(jiān)測(cè) 這是利用傳感器網(wǎng)絡(luò)來監(jiān)控建筑物的安全狀態(tài)。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù) 1.網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂?2.網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 3.網(wǎng)絡(luò)安全 4.時(shí)間同步 5.定位技術(shù) 6.數(shù)據(jù)融合 7.數(shù)據(jù)管理 8.無線通信技術(shù) 9.嵌入式操作系統(tǒng) 10.應(yīng)用層技術(shù) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂?網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制與優(yōu)化有重要的意義： 1.影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間 2.減少節(jié)點(diǎn)間通信干擾 也就是節(jié)點(diǎn)傳輸半徑控制，即功率控制 3.為路由協(xié)議提供基礎(chǔ) 功率控制 1.基于節(jié)點(diǎn)度的算法 (1)本地平均算法 事先知道每個(gè)節(jié)點(diǎn)所需鄰居節(jié)點(diǎn)的上限和下限。調(diào)整節(jié)點(diǎn)的發(fā)射半徑，當(dāng)在發(fā)射半徑內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)在上限和下限之間則停止。 (2)本地鄰居平均算法 2.基于鄰近圖的算法 (1)鄰近圖 將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)用圖G=(V，E)表示，再根據(jù)一個(gè)給定的鄰居的判別規(guī)則，來確定其鄰居節(jié)點(diǎn)。如RNG等 (2) DRNG算法和DLMST算法 層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制 也就是將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分割為一些子網(wǎng)絡(luò)，也叫分簇，在這些子網(wǎng)絡(luò)中選取一個(gè)簇頭，他的作用是與其他簇頭和sink節(jié)點(diǎn)通信，而子網(wǎng)內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)就只與網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)通信不與網(wǎng)外節(jié)點(diǎn)通信。 (1)LEACH算法 ：將相鄰的節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)地形成簇，并隨機(jī)產(chǎn)生簇頭。 (2)GAF(geographical adaptive fidelity)算法： 以節(jié)點(diǎn)的地理位置為依據(jù)的分簇算法。主要思想是將監(jiān)測(cè)區(qū)域分成虛擬單元格。 (3)TopDisc(Topology discovery)算法 源于圖論的思想，利用顏色區(qū)分節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，解決骨干網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的形成問題(骨干網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)也就是簇節(jié)點(diǎn)) 三色算法 四色算法路由協(xié)議能量感知路由協(xié)議基于查詢的路由協(xié)議地理位置路由協(xié)議可靠的路由協(xié)議分簇路由協(xié)議能量感知路由協(xié)議能力感知路由協(xié)議的幾種策略 1.最大PA路由：從數(shù)據(jù)源到匯聚節(jié)點(diǎn)的所有路徑中選取PA之和最大的路徑。如圖中的C－B－A，但此路徑包含了路徑B－A所以排除，選擇路徑F－E 2.最小消耗路由：從數(shù)據(jù)源到匯聚節(jié)點(diǎn)的所有路徑中選取節(jié)點(diǎn)耗能之和最少的路徑。如圖中B－A 3.最少跳數(shù)路由：選取從數(shù)據(jù)源到匯聚節(jié)點(diǎn)跳數(shù)最少的路徑。如圖中－D－ 4.最大最小PA節(jié)點(diǎn)路由：每條路徑上有多個(gè)節(jié)點(diǎn)，且節(jié)點(diǎn)的可用能量不同，從中選取每條路徑中可用能量最小的節(jié)點(diǎn)來表示這條路徑的可用能量。再在其中選最大的。如圖中的－D－基于查詢的路由協(xié)議 1.定向擴(kuò)散路由 興趣擴(kuò)散階段 匯聚節(jié)點(diǎn)采用洪泛的方式傳播興趣消息到整個(gè)區(qū)域或部分區(qū)域內(nèi)地所有傳感器節(jié)點(diǎn)。 數(shù)據(jù)傳播階段 建立源點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)之間的路徑 路徑加強(qiáng)階段 以某一標(biāo)準(zhǔn)在多個(gè)路徑之中選一個(gè)路徑，成為加強(qiáng)路徑。 定向擴(kuò)散路由協(xié)議演示圖基于查詢的路由協(xié)議 2.謠傳路由 其基本思想是：事件區(qū)域中的傳感器節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生代理消息，代理消息沿隨機(jī)路徑向外擴(kuò)散傳播，同時(shí)匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送的查詢消息也沿隨機(jī)路徑在網(wǎng)絡(luò)中傳播。當(dāng)代理消息和查詢消息的傳輸路徑交叉在一起時(shí)，就會(huì)形成一條匯聚節(jié)點(diǎn)到事件區(qū)域的完整路徑謠傳路由演示圖地理位置路由 1.GEAR（geographical and energy aware routing)路由 根據(jù)時(shí)間區(qū)域的地理位置信息，建立匯聚節(jié)點(diǎn)到時(shí)間區(qū)域的優(yōu)化路徑，避免了洪泛傳播方式，從而減少了路由建立的開銷。GEAR路由假設(shè)已知事件區(qū)域的位置信息，每個(gè)節(jié)點(diǎn)知道自己的位置信息和剩余能量信息，并通過一個(gè)簡(jiǎn)單的Hello消息知道所有鄰居的位置信息和剩余能量信息。其主要思想為首先匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)出查詢命令，并根據(jù)事件區(qū)域的地理位置將查詢命令傳送到區(qū)域內(nèi)距匯聚節(jié)點(diǎn)最近的節(jié)點(diǎn)，然后從該節(jié)點(diǎn)將查詢命令傳播到區(qū)域內(nèi)的其他所有節(jié)點(diǎn)，再建立路徑。 地理位置路由地理位置路由 2.GEM（graph embedding）路由 這是一種適用于數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)方式的地理路由。其基本思想時(shí)建立一個(gè)虛擬極坐標(biāo)系統(tǒng)，用來表示世紀(jì)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)以匯聚節(jié)點(diǎn)為根的帶環(huán)樹，每個(gè)節(jié)點(diǎn)用到樹根的跳數(shù)距離和角度范圍來表示，節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)路由通過這個(gè)帶環(huán)樹實(shí)現(xiàn)。地理位置路由 3.邊界定位的地理路由 利用信標(biāo)節(jié)點(diǎn)（即知道自己位置信息的節(jié)點(diǎn)）來確定全局坐標(biāo)系以及確定其他節(jié)點(diǎn)在坐標(biāo)系中的位置。當(dāng)所有節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置信息確定后，協(xié)議使用貪婪算法選擇路由。 有三種方式： 1.邊界節(jié)點(diǎn)均為信標(biāo)節(jié)點(diǎn) 2.使用兩個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn) 3.使用一個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)可靠路由協(xié)議某些傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃蕴岢隽吮容^高的要求，因此傳感器網(wǎng)絡(luò)路由中的一個(gè)重要方面師研究可靠路由協(xié)議。傳感器節(jié)點(diǎn)由于有限能量供應(yīng)和工作環(huán)境惡劣經(jīng)常面臨失效問題，這也為研究適合于傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠路由協(xié)議增加了困難。目前，可靠路由協(xié)議主要從兩個(gè)方面考慮：一是利用節(jié)點(diǎn)的冗余性提供多條路徑一保證通過性的可靠性；二是建立對(duì)傳輸可靠性的估計(jì)機(jī)制，從而保證每跳傳輸?shù)目煽啃浴？煽柯酚蓞f(xié)議 1.基于不相交路徑的多路徑路由機(jī)制 在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，引入多路徑路由是為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的平衡。本算法的基本思想是：首先建立從數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的主路徑，然后在建立多條備用路徑；數(shù)據(jù)通過主路徑進(jìn)行傳輸，同時(shí)利用備用路徑低俗傳輸數(shù)據(jù)來維護(hù)路徑的有效性；當(dāng)主路徑失敗時(shí)，從備用路徑中選擇次優(yōu)路徑作為新的主路徑�；�于不相交路徑的多路徑路由機(jī)制演示圖可靠路由協(xié)議 2.ReInForM路由 ReInForM( Reliable Information Forwarding Multiple paths) 路由時(shí)從數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)開始，考慮可靠性需求，信道質(zhì)量以及傳感器節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)，決定需要的傳輸路徑數(shù)目，以及下一跳節(jié)點(diǎn)數(shù)目和相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)。其基本過程是：首先，數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)根據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸�求�?jì)算需要的傳輸路徑數(shù)目；然后，在鄰居節(jié)點(diǎn)中選擇若干節(jié)點(diǎn)作為下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，并給每個(gè)節(jié)點(diǎn)按照一定比例分配路徑數(shù)目；最后，數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)將分配的路徑數(shù)作為數(shù)據(jù)報(bào)頭中的一個(gè)字段發(fā)給鄰居節(jié)點(diǎn)。鄰居節(jié)點(diǎn)在接受到數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，將自己視作數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)，重復(fù)上述數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)的選路過程。可靠路由協(xié)議 3.SPEED協(xié)議 在有些傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，匯聚節(jié)點(diǎn)需要根據(jù)采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)作出反應(yīng)，因此傳感器網(wǎng)絡(luò)記誒但到匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通道要保持一定的傳輸速率。SPEED協(xié)議是一個(gè)實(shí)時(shí)路由協(xié)議，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了端到端的傳輸速率保證，網(wǎng)絡(luò)擁塞控制以及負(fù)載平衡機(jī)制。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，SPEED協(xié)議首先交換節(jié)點(diǎn)的傳輸延遲，一得到網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況；然后節(jié)點(diǎn)利用局部地理信息和傳輸速率信息作出路由決定，同時(shí)通過鄰居反饋機(jī)制保證網(wǎng)絡(luò)傳輸速率在一個(gè)全局定義的傳輸速率閾值之上。分簇路由協(xié)議路由協(xié)議自主切換傳感器網(wǎng)絡(luò)中的路由協(xié)議和具體應(yīng)用緊密相關(guān)，沒有一個(gè)能適用于所有應(yīng)用的路由協(xié)議。而傳感器網(wǎng)絡(luò)可能需要在相同監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)完成不同的任務(wù)，此時(shí)如果為每種任務(wù)部署專門的傳感器網(wǎng)絡(luò)將增加傳感器網(wǎng)絡(luò)的成本。未來能夠適用于多種任務(wù)，傳感器網(wǎng)絡(luò)需要根據(jù)應(yīng)用環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)條件自主選擇適用的路由協(xié)議，并在各個(gè)路由協(xié)議之間自主切換。hNt紅軟基地

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