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計算機網絡編碼技術在無線傳感器網絡中的應用

職稱驛站所屬分類:計算機應用論文發布時間:2019-06-15 10:12:11瀏覽:1

  近年來,隨著科學技術的不斷發展,無線傳感器由于其自身的易部署性和多功能性被廣泛應用于各種領域,但另一方面,傳感器節點能量的有限性和無線鏈路的不可靠性也是我們需要完善的地方。

   近年來,隨著科學技術的不斷發展,無線傳感器由于其自身的易部署性和多功能性被廣泛應用于各種領域,但另一方面,傳感器節點能量的有限性和無線鏈路的不可靠性也是我們需要完善的地方。

自動化與信息工程

  《自動化與信息工程》(月刊)創刊于1980年,由國家新聞出版總署批準,廣東省科學院主管,廣東省科學院自動化工程研制中心、廣州市自動化學會聯合主辦。本刊國內外公開發行,面向全國工礦企業、大專院校及廣大從事自動化技術、信息技術的工程技術人員、工人及院校師生,尤其面向珠江三角洲廣大企業。

  無線傳感器網絡的發展離不開路由技術的支撐,在無線傳感器網絡路由的發展過程中,網絡特點、業務特點和應用需求都顯現出了與傳統網絡不同的地方,所以我們必須要積極應對無線傳感器網絡路由設計變化帶來的挑戰。

  1無線傳感器網絡的概述

  無線傳感器網絡,簡稱WSN,隨著微機電系統(MEMS)的出現,有效推動了智能傳感器的發展,尤其是在發展的過程中,傳感器節點降低了制造成本,與傳統的傳感器相比,不但能夠從環境中感知、測量和收集信息,且它的體積相對較小,還能夠快速傳遞收集到的信息,所以得到了人們的廣泛關注,且被應用于自然災害的緊急救援、軍事目標的監督及跟蹤、生物的健康監控等方面。由于無線傳感器網絡可以幫助人們在惡劣或者人們無法接近的特殊環境下工作,所以各個國家對無線傳感器網絡技術投入了大量的財力物力進行研究。而我國也認識到無線傳感器網絡技術對人們的生活及科學產生的巨大影響,也加入到無線傳感器網絡技術的理論和應用研究,并且在微型傳感器、無線智能傳感網絡通信技術、應用系統及傳感器節點等方面取得了一定的研究成果,且一部分研究理論已經被應用于實際的工程系統中。我們知道,無線傳感器網絡在發展過程中,最具重要性的三要素是傳感器、感知對象和觀察者,對無線傳感器網絡技術進行研究,不但可以讓信息感知和信息采集完成一次巨大的飛躍,更能夠對我們人類的發展產生巨大影響。在無線傳感器網絡技術的發展過程中,由于其在各個環境的應用不同,從而演化出了一系列的無線傳感器網絡。

  1.1地面無線傳感器網絡

  其一般是由自組織方式組網或者是預先規劃的方式組網,這是由于地面無線傳感器網絡通常由許許多多的廉價的部署在一個預先指定好的區域的傳感器節點決定的。在陸地無線傳感器網絡中,由于所處的環境較為密集,因此需要采取有效措施來確保其通信的可靠性,同時還需要確保陸地傳感器節點能夠將數據信息快速、高效地傳遞到基站,這就決定了陸地無線傳感器網絡的運作需要消耗大量的電力,但是在這個過程中電池的能力是有限的,并且可能不能被充電,即使我們可以借助太陽能電源或者是其他第二能量,我們仍然需要注意保存能量。為了讓陸地傳感器節點可以更好地運作,我們可以通過提高網內數據聚合、縮短運輸范圍、降低延遲等方法來實現能量的有效保存。

  1.2地下無線傳感器網絡

  與地面無線傳感器網絡相比,地下無線傳感器網絡具有更高的造價成本,這是因為大部分地下無線傳感器網絡都是部署于山洞中的節點,或埋于地下的傳感器節點,或礦下以實現對地下條件監控的節點,在部署節點時,由于操作地點處于地下或者是礦下,較于地面節點的部署難度更大,在維護時需要付出的也更多。在進行節點的材料選擇時,我們為了保證通信的可靠性,一般要使選擇的節點能夠有效的穿過巖石、油、水及其他物質,所以在制造地下傳感器節點時,我們就必須投入更多的財力,且要仔細考慮能量開銷投入并詳細部署規劃,這樣才能保證地下無線傳感器在高強度的信號衰減的地下環境下可以讓無線通信順利傳達。在地下無線傳感器網絡中,我們必須給地下傳感器節點配備相應的電池能量,并且利用高效的通訊協議來達到增加網絡可靠性的目的。

  1.3水下無線傳感器網絡

  與地面無線傳感器網絡不同的是,雖然水下無線傳感器網絡涉及大量的傳感節點,但是水下傳感器節點更貴,但是需要部署的節點卻較少。在水下通信網絡中,比較具有代表性的是聲波通信。但是聲音通信處于水下,這樣的環境很容易引起節點失效,而且在有限的寬帶中,需要進行長距離的信息傳輸,所以在傳輸過程中會出現傳輸延遲和信號衰退等問題。水下傳感器節點一般需要依靠有限的電池來進行運作,但是無法進行重新充電或被替換,但是我們可以通過開發高效率的水下通信和網絡技術來提高水下傳感器網絡的能量效率。

  1.4多媒體無線傳感器網絡

  多媒體網絡主要是用來對音頻、視頻或圖像等多媒體信息進行有效的監控和跟蹤,在多媒體無線傳感器網絡中,它包含了大量的高開銷的傳感器節點,且配備了照相機和麥克風。這樣在進行數據的獲取、處理、協作時就可以讓傳感器節點與其他節點進行無線連接,而多媒體傳感器節點的保障覆蓋主要通過預先規劃好的方式進行。與其他無線傳感器網絡相比,多媒體無線傳感器網絡的挑戰是能量消耗高、數據處理、服務質量保障、跨層設計和壓縮技術,多媒體的內容則依靠高寬帶來進行數據傳遞。

  1.5移動無線傳感器網絡

  移動無線傳感器網絡同樣包括多個傳感器節點,而且每一個節點之間可以實現獨立移動,同時也可以實現與物理環境的有效相交。移動節點與其他無線傳感器網絡相比,它具有在網絡中自組織和重新定位的能力,同時在數據的分發方面也具有一定的差異,在移動無線傳感器網絡中,一般選擇動態路由;而在靜態無線傳感器網絡中,一般選擇固定路由或者洪泛。

  而動態路由所需要面臨的挑戰則是部署、定位、自組織、維護及數據處理等。

  據以上分析,我們用表格來直觀地表現無線傳感器網絡的種類

  1.6無線傳感器網絡的特點

  隨著信息技術的不斷發展,有效推動了無線網絡傳感器的發展。在無線網絡傳感器技術中,形成了沒有全局標識、多對一通信、節點高密度部署、資源局限性強、數據冗余大、節點不可靠以及網絡拓撲變化快等特點,在這其中,資源的局限性是發展無線傳感器網絡最大的阻礙,因為傳感器節點資源存在較大的限制性,因此在進行信息發送的過程中,使處理能力、發送的功耗、通信寬帶、板上能量和存儲容量受到一定的限制,為了改善資源限制帶來的影響,我們選擇設計能力高效的數據傳輸和存儲方法就很有必要了。

  2無線傳感器網絡的技術

  無線傳感器網絡的發展離不開技術的支撐,在應用于各種環境中無線傳感器網絡的發展規劃越來越明確的現在,適用于各種不同無線傳感器網絡的技術也不斷發展,從而出現了無線傳感器路由技術、無線傳感器網絡關鍵技術以及無線傳感器網絡中的數據存儲和修復技術。

  2.1無線傳感器網絡的關鍵技術

  通常情況下,無線傳感器網絡關鍵技術主要是由能量收集技術、嵌入式操作系統技術、無線通信技術、傳感器技術、低功耗技術、多跳自組織網絡的路由協議、數據融合和數據管理技術以及信息安全技術。在無線通信技術中,常見的種類有紅外、藍牙等,使人們對無線通信有了更大的需求[3],涌現出了一系列的短距離無線通信技術,并且在家庭信息化領域占據著不可替代的位置;能量收集技術是針對節點能量問題而提出的,為了讓傳感器節點可以長期、穩定且可靠地進行工作,我們通常會對太陽能、風能、聲能、電磁場能等環境能量進行搜集,從而為傳感節點器持續供應能量;傳感器技術發展成為自動控制和測試的主要技術手段,主要用于對某一種形態信息的有效傳遞和檢測,并借助一定的手段將其轉化為其他形態的信息,從而有效實現信息的傳輸;嵌入式操作系統技術是用途較為廣泛的系統軟件,硬件資源的分配、嵌入式系統的軟、協調并發活動、任務調度和控制都由嵌入式操作系統負責,而我們所熟悉的傳感器網絡節點一般是在嵌入式操作系統技術的基礎上實現對數據的有效采集、融合、整理及傳輸等任務;多跳自組織網絡的路由協議是在無線信道質量的不規則變化、網絡拓撲結構的動態變化環境下,對交換路由信息、網絡拓撲結構的變更、定位目的節點位置等進行有效的監控,從而達到網絡連通性的目的;對于低功耗技術的使用主要是為了緩解網絡節點的能量消耗,從而使網絡的生存時間得到延伸;數據融合和數據管理技術一般是借助計算機技術來獲取觀測信息,并對信息進行自動分析和處理;信息安全技術是在保障數據運輸基本任務,對收集到的數據按規則進行聚合、并對任務進行系統控制的過程中能夠保障無線傳感器網絡數據傳輸的保密性、可靠性、高效性、安全性。

  2.2無線傳感器網絡中的路由技術

  無線傳感器網絡技術中的路由技術通常是指九大協議,他們分別是:Flooding協議、Gossiping協議、SPIN協議、DD協議、Rumor協議、GPSR協議、TBF協議、LEACH協議以及TEEN協議。在Flooding協議中,它的運行不必依賴全局的網絡拓撲結構,而是當一個節點收到數據后就用廣播的方式進行傳輸,這樣一級一級地傳輸下去,直到所有的數據包到達各自的最大跳數。在這樣的數據傳輸過程中,我們可以看到,雖然這樣的路由協議設計理念比較簡單,而且使用比較方便,但是也存在一些弊端,即消息重疊和資源盲點。Gossiping路由是在Flooding路由的基礎上來運行的,即它不像Flooding路由那樣收到信息后一級一級進行傳遞,而是對產生的數據或收到的數據選擇一個與之對應的臨近節點進行轉發,這樣就可以避免消息內爆,但是卻仍然不能從根本上解決信息重疊和盲目使用資源的問題;SPIN是一種以數據為中心的路由協議,它可以用較小的消息量來有效緩解內爆問題,從而保證資源的有效利用。但是其中所存在的缺點就是接收節點無法產生數據時,將會阻礙數據的有效傳輸,同時對于一些遠距離的節點卻在停止數據轉發后無法收到數據,導致信息的不完整;DD是以數據為中心的基于查詢驅動的路由協議,它具有采用健壯性好、多路徑的特點,借助數據聚合,可以有效降低數據的通信量,并且可以保存全網信息,但是卻不適用于環境監測等方面的應用;GPSR直接依賴領節點來進行路由選擇,所以就不用在節點中建立、維護和存儲路由表,所以它具有數據傳輸時延小,并且保證只要網絡連通性正常就可以發現可達路由,但是它的缺點卻是需要借助GPS定位系統來對節點的位置信息進行有效的計算;除我們以上提到的較為經典的無線傳感器網絡路由協議,還有一些以數據為中心的路由協議,例如EMRS、Mobicast等,這些路由協議為無線傳感器網絡路由協議的發展提供了理論基礎,以確保無線傳感器網絡路由協議更加的安全、高效、可靠。

  2.3無線傳感器網絡中的數據存儲和修復技術

  我們知道,傳感器的節點的信息收集需要不間斷地進行,但是傳感器節點的能量卻是有限的,為了讓信息收集工作能夠持續進行,我們必須讓有限的存儲空間更好地發揮其存儲價值。通常情況下,可以根據存儲位置的不同將無線傳感器網絡中的存儲技術分為外部存儲、以數據為中心的存儲和本地存儲。其中,外部存儲一般是把數據存儲于Sink節點,而且對于相關數據的查詢也是在此節點上執行的,從而在一定程度上增加了路由的開銷;本地存儲則是采用在產生數據的節點上保存數據,所以存儲數據需要消耗的能量較小,但是這種存儲方式無法實現對數據的有效查詢,因此本地存儲只被應用于數據的產生頻率高于數據的查詢頻率時才會被廣泛應用;采取以數據為中心的存儲完全是分布式的,網絡的連通性也較好,所以它們并不需要維護任何的路由表。

  在對以上無線傳感器網絡的技術進行分析后,我們對其進行一個簡要的歸納:

  3網絡編碼的研究現狀

  在進行無線傳感器網絡能量的提高中,我們都是在網絡編碼技術的基礎上進行的。在傳統的通信網絡中,負責中繼數據的是網絡的中間節點,但是它們卻不會對數據進行額外的操作。所以網絡編碼的主要作用是在網絡的中間節點進行再編碼操作,這樣就可以提高吞吐量、降低能源耗用,達到提升網絡性能的目的。

  3.1對網絡編碼的認知

  通常情況下,可以將網絡編碼方案劃分為非線性網絡編碼和線性網絡編碼。其中,后者由于其具有較穩固的代數結構和編碼方案,因此大部分人都會選擇線性網絡編碼。借助網絡中的源節點,可以將數據點發送到目的節點中,可以使匯聚信息節點可以借助組播的容量給予快速接受,從而實現了對源節點的編碼。而中間的節點在接收到數據時,則要進行再編碼操作,所以在我們較為常見的網絡編碼方案中,都是線性網絡編碼,源節點和中間的節點在進行編碼時也是采用線性編碼。隨機線性網絡編碼一般需要在中間節點上先隨機然后再編碼,并且可以從有限的領域中隨機選擇編碼系數來進行數據的編碼,編碼完成之后就可以將數據發送出去。這種隨機線性網絡編碼的優點是,這種方案讓網絡中的節點在運行時不需要知道網絡的全局拓撲結構,而且還可以在動態的網絡環境中被廣泛應用,中間節點和源節點只需要根據已經選擇好的傳輸方案進行數據傳輸,所以隨機線性網絡編碼的這種優勢可以被廣泛應用于后續研究,且在實施過程中可以節省不少的資源。但是隨即線性網絡編碼也有它的缺陷存在,即只有在較大的域尺寸上工作才可以保證良好的解碼率,從而彌補了算法設計中存在的缺陷。但是要想確定編碼方法,一般需要了解全局的網絡拓撲結構,所以工作量較大,只有在網絡的數據量達到一定的程度時,采用確定性算法才較為劃算。

  4總結

  無線傳感器網絡技術是當前信息發展的一大進步,在網絡特點和業務特點上突破了傳統網絡的局限性,為了讓無線傳感器網絡得到進一步的提升和發展,我們必須把它與計算機網絡編碼技術相結合,以此在能量高效的數據傳輸方面、數據存儲方面以及組播技術方面得到發展。

《計算機網絡編碼技術在無線傳感器網絡中的應用》
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