无线传感器网络的要害技能

 产品系列     |      2021-11-02 23:59

  无线传感器网络的根基技能问题包罗数据处理惩罚、通信和传感器打点,由于情况的不不变性和不确定性,再加上能量和带宽的限制,给无线传感器网络的应用带来了庞大挑战,下面就罗列研究中的一些要害技能。

  1、网络拓扑节制
  无线传感器网络是自组织的,网络拓扑具有重要的意义,假如有一个很好的网络拓扑节制打点机制,对付提高路由协议和MAC协议效率是很有辅佐的,还可以或许耽误网络寿命。

  今朝传感器网络拓扑节制主要的研究偏向是在满意网络包围度和连通度的环境下,通过选择路由路径,生成一个能高效转发数据的网络拓扑布局。拓扑节制又分为两种,别离是节点功率节制和条理型拓扑节制。功率节制是节制每个节点的发射功率,在满意网络连通度的环境下,淘汰节点发射功率,平衡节点单跳可达的邻人数目。而条理型拓扑节制回收分簇机制,有一些节点作为簇头,它将作为一个簇的中心,簇内每个节点的数据都要通过它来转发。

  2、网络协议
  因为传感器节点的计较本领、存储本领、通信本领、携带的能量有限,每个节点都只能得到局部网络拓扑信息,在节点上运行的网络协议也要尽大概的简朴。传感器拓扑布局的变革和网络资源的不绝变革,对网络协议提出了更高要求,今朝研究的重点主要会合在网络层和数据链路层上。

  网络层的路由协议抉择监测信息的传输路径,好的路由协议不单能思量到每个节点的能耗,还可以或许体贴整个网络的能耗平衡,可以或许耽误网络的保留期。今朝已经提出了一些较量好的路由机制,譬喻基于地理位置的路由协议和基于查询的路由协议。

  数据链路层的介质会见节制即MAC协议用来节制传感器节点的通信进程和事情模式,确保数据包能正确发送和吸收。设计无线传感器网络的MAC协议首先要思量的是节减能量和可扩展性,公正性和带宽操作率是其次才要思量的。MAC层能量耗损主要产生在空闲侦听、碰撞重传和吸收不需要的数据等方面。为了淘汰能量耗损,MAC协议凡是回收侦听/睡眠瓜代的侦听机制,按照需要选择侦听可能睡眠。MAC协议的研究也主要在如何淘汰上述3种环境,从而低落能量耗损以耽误网络和节点寿命。

  近期提出了SMAC、TMAC和Sift等基于竞争的MAC层协议,DEANA、TRAMA和DMAC等时分复用MAC协议,以及CSMA/CA与CDMA相团结,TDMA和FDMA相团结的协议。无线传感器网络的网络协议往往按照应用的特征而定,没有一个可以或许高效合用于所有应用的协议。

  3、网络安详机制
  与其他无线网络一样,安详问题是无线传感器网络思量的重点问题。传感器网络存在窃听、恶意路由、动静改动等安详问题,出格是在一些无线安防网络、军事上对地域举办监督等陈设无线传感器网等应用,安详问题尤为突出。安详问题可以总结为:信息被犯科用户截获、一个节点遭粉碎、识别伪节点、如何向已有传感器网络添加正当的节点等4个方面。

  无线传感器网络面对的安详问题在各个协议层都应充实思量,每个条理研究的偏重点差异,为了担保数据和任务的安详通报和融合,无线传感器网络需要实现一些根基的安详机制,主要从两个方面思量:

  一方面是从维护路由安详的角度出发,寻找尽大概安详的路由以担保网络的安详。假如路由协议被粉碎导致传送的动静被改动,那么对付应用层上的数据包来说没有任何安详性可言。譬喻,一种叫做“有安详意识的路由”的要领被提出,其根基思想是找出真实值和节点之间的干系,然后操作这些真实值来生成安详的路由。

  另一方面是把重点放在安详协议方面,譬喻假定传感器网络的任务是为高级政要人员提供安详掩护,提供一个安详办理方案将为办理这类安详问题带来一个普适的模子。在详细的技能实现上,先假定基站老是正常事情的,而且老是安详的,满意须要的计较速度、存储器容量,基站功率满意加密和路由的要求,通信模式是点到点,通过端到端的加密担保了数据传输的安详性。

  4、时间同步
  在漫衍式无线传感器网络应用中,每个传感器节点都有本身的当地时钟,差异节点的晶振频率存在着毛病,各类滋扰也会导致节点间的运行时间毛病,而无线传感器网络作为一个漫衍式协同事情的网络系统,各个节点需要彼此共同,要求节点间的时钟必需保持同步。

  首先,传感器节点需要互相并行操纵和协作,以完成巨大的监测任务。譬喻,在车辆跟踪系统中,传感器节点记录车辆位置和时间,通报给网关汇聚节点,以这些信息判定车辆位置和速度,假如缺少时间同步,则会呈现判定错误。

  其次,很多节能方案需要时间同步来实现。譬喻,传感器可以按照实际环境举办休眠,在需要时再叫醒,在这种模式下,网络节点应在同时休眠或叫醒,即节点吸收器不能在数据到来时封锁。

  NTP(Network Time Protocol)协议是互联网中普遍回收的同步协议,可是它只适合布局不变、链路很少失败的有线网络系统。另外,GPS和无线测距技能也可以提供网络的全局时钟同步。可是基于无线传感器网络的特点,节点体积、造价本钱、能耗等城市约束时间同步机制。

  今朝已经提出了多个时间同步机制,RBS、TINY/MINI-SYNC和TPSN是3个根基的同步机制,RBS协议是基于吸收者和吸收者的时钟同步,节点以本身的时钟记录事件,随后用第三方广播的基准时间加以校正,精度依赖于对这段隔断时间的丈量。TNY/MINI-SYNC协议是简朴的同步机制,它假设时钟漂移遵循线性变革,则两个节点的时间偏移也是线性的,可以通过互换时标分组来预计两个节点间的最优匹配偏移量。TPSN协议回收条理布局实现整个网络的节点时间同步,所以节点凭据条理布局举办逻辑分级,基于发送者和发送者的节点对方法,每个节点可以或许与上一级节点的某个节点同步,最终实现与根节点的时间同步,明升官网,这种同步机制应用在确定来自差异节点的监测事件的先后干系时有足够的精度。设计高精度的时钟同步机制是无线传感网络设计和应用中的一个技能难点,精简NTP协议的实现巨大度,将其移植到无线传感器网络中来也是一个有代价的研究课题。

  5、定位技能
  在无线传感器网络应用中,位置信息是传感器节点收罗数据中不行或缺的一部门,不然收罗到数据大概不具有任何意义。节点定位是确定传感器的每个节点的相对位置或绝对位置,在军事侦察、情况检测、告抢救助等应用中尤其重要。节点定位分为会合定位方法和漫衍定位方法。定位机制也必需要满意自组织性、鲁棒性、能量高效和漫衍式计较等要求。

  定位技能也主要有两种方法:基于间隔的定位和间隔无关的定位。个中基于间隔的定位对硬件要求较量高,凡是精度也较量高。间隔无关的定位对硬件要求较小,受情况因素的影响也较小,固然误差较大,可是其精度已经足够满意大大都传感器网络应用的要求。

  今朝最常用的定位技能是全球定位系统GPS(Global Position System),它通过卫星的授时和测距来对用户节点举办定位,具有较高的精度和及时性,并且其抗滋扰本领也较量强,可是其用户节点能耗高、体积大、本钱也较量高。

  6、数据融合
  在无线传感器网络应用中,由于收罗到了大量的冗余数据,又由于能量和带宽的限制,各个节点单独把数据传输给汇聚节点并不符合,因此提出了“数据融合”技能,该技能在传感器节点收集数据的进程中,操作当地计较和存储本领将数据举办融合,对收集到的多余数据举办处理惩罚,去除出冗余信息,生成更切合需求的数据,从而到达节减能量的目标。

  总的来说,数据融合技能具有以下浸染:

  (1)节减能量:为担保整个网络的靠得住性,设置节点是思量了必然冗余的,假如把数据全部传输,只会耗损更多的能量,而不会获得更多的信息,因此需要数据融合消除冗余数据。

  (2)获取更精确信息:由于受到情况变革影响,来自单个节点的数据有着不行靠性,通过对同一区域节点的数据举办融合,可以有效的得到更高的信息精度和可信度。

  (3)提高信息收集效率:通过数据融合,可以淘汰数据传输量,低就逮络传输的拥塞大概性,也可以或许低落传输延时,淘汰数据碰撞等,可以有效的提高网络收集信息效率。

  数据融合可以在多个条理中举办。在应用层中,可以应用漫衍式数据库技能,对数据举办慢慢筛选,到达融合结果。在网络层中,许多路由协议团结了数据融合技能来淘汰数据传输量。MAC层也能淘汰发送斗嘴和头部开销来到达节减能量的目标,同时也不能损失时间机能和信息完整性。虽然,数据融合是以牺牲延时等价钱来调换能量的节省。

  7、数据打点
  从数据存储的角度来看,无线传感器网络可以看作漫衍式的数据库,以数据库的方法在传感器网络中举办数据打点,可以利用户只体贴数据查询和逻辑布局,尽量在某种水平上影响了执行效率,可是也可以显著的加强了无线传感器网络的易用性。

  传感器网络的数据打点系统的布局主要有会合式、半漫衍式、漫衍式和条理式布局,今朝大大都研究会合于半漫衍式布局,无线传感器网络中的数据存储回收网络外部存储、当地存储和以数据为中心的存储3种方法,个中以数据为中心的存储在通信效率和能耗方面取得精采折中。

  8、相关硬件技能
  计较机应用系统的输入硬件主要是各类传感器,传感器技能的成长可以或许使计较机成果发挥出越发充实的浸染,只有传感器与计较机技能配合成长,才气设计出真正实用的系统。

  跟着大局限集成电路技能的成长,把中央处理惩罚器(CPU)、随机存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、按时器/计数器以及各类输入输出节制器都会合到同一芯片上,组成不变而靠得住,价值低廉的嵌入式计较机系统,为无线传感器网络技能的成长提供了须要基本。