无线传感器网络的建模分析.docx

无线传感器网络的建模分析1引言近年来随着微机电系统(MEMS)、无线通信和数字电子技术等方面的进步，使得人们能够生产和开发出低成本、低能耗、多功能、小尺寸以及短距离通信的传感器节点。无线传感器网络(WSN)是由大量具有传感、计算和通讯能力的节点组成。人们将传感器网络任意部署在被关注的区域中去自主监控重要事件，并且将收集和处理后的结果传输到汇聚节点(基站)并完成指定的任务。这些网络被广泛地应用于交通和定位系统、环境监测、侦测核、化学和生物武器的攻击等。为了有效地规划网络的应用和延长传感器网络的寿命，在进行传感器网络的设计和部署之前，进行传感器网络的建模分析是至关重要的。通过分析现有的传感器网络，本文提出了传感器网络建模的基本结构，目的是能够更好地进行传感器网络的建模，本文讨论的重点是网络路由协议和相关的数据融合的技术，但也适用于其他协议的设计和建模。2传感器网络建模的结构2.1网络拓扑在无线传感器网络中，维持良好的拓扑结构能够提高路由协议和MAC协议的效率，为网内数据处理、时间同步和定位等很多方面提供技术支持，有利于延长整个网络的寿命。网络拓扑主要影响网络的能量消耗、寿命和路由机制等。网络拓扑结构由网络物理形状、逻辑结构、传感器部署密度、汇聚节点特征以及网络节点移动性等构成。2.1.1物理形状网络拓扑的物理形状反映了，节点的精确地理空间位置、方位以及所有节点构成网络的具体形状。基于不同物理构造和应用环境的协议包括GAF(geographicaladaptivefidelity)、TTDD(two-tierdatadissemination)协议等。GAF是依据节点的地理位置的协议。该协议将物理位置相邻且路由作用基本相同的等价冗余节点划归到同一个虚拟网格。每个网格内只有一个节点处于活动期并负责数据的转发，其余节点进入休眠状态。协议能够较好地延长那些节点移动和节点密集的传感器网络的寿命，但由于其独立于具体的路由协议容易关闭处于活动状态的节点，结果会导致通信定期中断、引入高的传输延迟和数据包的丢失，这对于某些对时间要求严格的应用环境是不适用的。另外该协议没有考虑到网内数据融合技术对网络的综合影响。TTDD协议假没传感器节点是静止的并知道自己的位置信息，整个过程包括虚拟方格的构造和查询路径的建立阶段。协议在能量消耗和传输时延性能方面均优于定向扩散路由DD(directeddiffu-sion)，路由协议对以较低速度移动的汇聚节点的网络具备良好的适应性。该协议在源节点采用了数据融合和在中间的转发节点使用了查询融合。但随着源节点的改变，协议需要频繁构造和维护单元格，这导致了路由包裹增加；如何采用合理的机制选择优化的单元格的尺寸也是该协议必须要解决的问题。2.1.2逻辑结构网络的逻辑结构与传感器网络的部署有关，也影响着网络的能耗、路由协议、数据处理方法的设计。通常包括平面分布式结构和分层结构，网络的节点通过网络的逻辑结构来选择和决定通信的邻居节点和数据融合处理节点。基于平面分布式结构网络的协议包括DD和SPIN(sensorprotocolsforin-formationvianegotiation)等；基于分层的结构以簇、树或链形式将网络中的数据包通过多个层次的通信传输到汇聚节点，数据分别在簇头和中间节点进行融合处理减小了传输的数据包的数量和尺寸，降低了能量的消耗，并最终延长了网络的有效寿命。成簇的协议包括LEACH(lowenergyadap-tiveclusteringhierarchy)和HEED(hybridener-gy-efficientdistributedclustering)等；基于链的协议有PEGASIS(power-efficientgatheringinSen-sorinformationsystems)，构造融合树的协议有EADAT(energyawaredistributedaggregationtree)等。DD是以数据为中心的路由协议，协议首先基于属性值对的方式对任务进行描述，对相应兴趣反馈回的数据采用相似的命名机制。整个过程包括路径建立、数据发送和路径加强三个阶段。该协议采用了兴趣融合和路由数据融合技术，前者对类型相同、监测区域完全覆盖的兴趣融合成一个；后者采用的是抑制副本的方法，两种融合技术与路由相结合有效地减少了网络中的数据量。协议的路由策略具备很好的可靠性和扩展性，不需要维护整个网络的全局拓扑，适合应用于有多个信源和很少汇聚节点的传感器网络。由于该协议是基于按需查询驱动的数据采集模型，不适用于环境监控这类要求连续传输数据的监控系统。SPIN是一组以数据为中心的路由协议，其主要特点包括节点间谈判和根据本地资源相应调整节点的工作模式延长网络的有效运行时间。每个节点用元数据来描述自身获得的数据，并将接收到的数据与自己的数据进行融合，这两种方式消除了冗余的数据传输。协议能够很好地解决传统协议所带来的信息爆炸、重叠和资源盲目使用导致的浪费问题。数据的传输决策基于当地的邻居信息，因此协议非常适合应用于节点移动的传感器网络。但是SPIN协议的数据广告机制不能保证数据的可靠传输。LEACH是一种低能耗自适应基于簇的分布式路由算法，传感器节点按照一定的算法组成簇，由簇头节点收集簇内其他节点的数据并进行融合和压缩后将数据直接传输到汇聚节点。协议将整个网络的能量负载平均分配到每个节点，同时采用了基于簇头的数据融合和压缩技术，降低了整个网络能源消耗进而提高了网络生存时间。这种集中和周期性处理的数据收集方式使得该协议适合于要求连续监控的应用系统。但是由于协议假设所有的节点都可能成为簇头和具备直接(单跳)与汇聚节点进行通信的能力，这限制了网络的规模。另外协议没有说明簇头如何分布才能保证均匀分布到整个网络。在LEACH的基础上，Lindsey等人提出了一种基于链的数据融合路由协议PEGASIS，其主要思想是通过贪婪算法，在所有传感器节点间形成线性数据传输链，节点通过链只和自己距离最近的邻居进行数据包交换。收集到的数据从一个节点到另一个节点传输、融合，并最终由指定的领头节点将数据传输到基站。与LEACH相比，协议减少了其在簇重构过程中的能耗，同时节点每次都与自己距离最近的邻居通信，最终延长了整个网络的寿命。由于协议假设每个节点都能与基站直接进行通信，这也限制了网络的规模。此协议在每个中间节点都进行数据融合，一方面降低了融合的效率，另一方面也引入了过多的数据传输的时延，使得协议不适合用于对紧急事件的监控。2.1.3传感器的部署密度传感器的部署密度主要影响网络数据收集的时延、网络寿命、数据传输可靠性、数据精确度等属性。密集的传感器网络再加上合适的节点睡眠调度机制有利于延长网络寿命和提高数据传输可靠性。但是过于密集的网络会带来数据收集的过多时延，并引起数据传输中的阻塞、数据包的碰撞、不必要的能量消耗等问题。尤其对于物体位置估计的传感器网络应用，传感器的密度直接影响估计值精度，需要选择优化的密度以获得最高精度位置估计值。2.1.4汇聚节点特征汇聚节点的特征包括汇聚节点的位置和数量。合适的汇聚节点的位置和数量使得数据从源节点传输到汇聚节点的平均距离减少，并且使得网络内节点的能量获得较为均衡的消耗，从而有利于延长网络的寿命。2.1.5网络节点的移动性普通传感器节点的移动性和汇聚节点的移动性是影响传感器网络建模的关键因素，网络节点间的移动会引起它们之间距离的变化。对网络节点位置变化的网络进行建模，需要用统计技术去精确表达它们的移动模式，才能获得较为准确的节点间的距离和网络的物理拓扑形状。2.2网络工作环境2.2.1网络的通信环境传感器网络由于应用的差异会被部署在不同的环境中，比如空气、水、土壤、建筑物、丛林或者生物体内等。针对不同的通信介质，选择合适的高效通信技术成为关键，例如部署在水中的网络节点采用的是声波通信的技术；在结构体内或者丛林中使用超宽带(UWB)无线通信技术。由于不同的通信介质会引起环境噪声、通信干涉等差异，所以设计的路由和数据融合技术应该保证数据在不同环境中准确可靠的传输。2.2.2网络的运行环境传感器网络可能在敌对的、恶劣的和良好的环境中运行。在容易受到攻击的环境中运行的网络通过采用安全的路由和数据融合等技术来保证其正常工作。恶劣环境中的节点容易被毁损，这时的网络路由需要考虑替代路径和多路径的方法去完成数据传输。2.3网络数据收集特征根据网络获取和传输数据的方式，传感器网络一般分为时驱、事驱、要求驱动的网络，某些传感器网络也可以是以上几种方式的组合。在时驱网络中，传感器节点周期性地收集数据并将数据传输到汇聚节点；事驱的网络中的数据获取和传输行为是不可预知的；要求驱动的网络中，监控人员或者软件发送查询命令，符合查询要求的数据被传回查询点。3建模分析本文作者通过对无线传感器网络的应用城市空气严重污染的监控，进行了传感器网络的建模分析，其目的是研究如何选择和设计适合传感器网络应用的路由协议及其相关数据融合的方法。本传感器网络是用于监测污染物的浓度和污染的区域。由于城市的人口比较密集，该种污染可能会导致严重后果，传感器网络数据的及时获取和传输是基于事件驱动，一旦事件发生，网络节点就开始将数据迅速传输到汇聚节点直至监控者。为减少数据传输的时延，选择了成簇分层的逻辑结构，网络中的源节点将数据处理压缩后传到簇头节点并进行数据融合，簇头节点将融合后的数据压缩经多跳路由传输到汇聚节点。经过比较分析，HEED协议最为接近本网络的应用，这是一种分布式基于成簇的协议，其采用最大剩余能量和平均最小可达能量作为选择簇头的参数，使网络的能量均衡消耗，簇头的分布更趋均匀。因为HEED假设所有节点不知道自己的地理位置，而实际的应用需要这项参数确定污染的区域，同时其没有给出具体的簇头间的路由方式，所以需要对该协议进行更改以符合应用。具体内容包括加入相应的定位算法和在簇头问采用DD的路由方式。4结论无线传感器网络与应用环境有很紧密的关系，进行传感器网络的建模需要综合研究传感器网络的基本要素。本文基于现有的传感器网络的路由和数据融合的详尽分析，提出了进行传感器建模的基本结构。依据本结构，人们能够方便地设计出适合自己传感器网络应用环境的协议。1