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计算机网络编码技术在无线传感器网络中的应用

职称驿站所属分类:计算机应用论文发布时间:2019-06-15 10:12:11浏览:1

  近年来,随着科学技术的不断发展,无线传感器由于其自身的易部署性和多功能性被广泛应用于各种领域,但另一方面,传感器节点能量的有限性和无线链路的不可靠性也是我们需要完善的地方。

   近年来,随着科学技术的不断发展,无线传感器由于其自身的易部署性和多功能性被广泛应用于各种领域,但另一方面,传感器节点能量的有限性和无线链路的不可靠性也是我们需要完善的地方。

自动化与信息工程

  《自动化与信息工程》(月刊)创刊于1980年,由国家新闻出版总署批准,广东省科学院主管,广东省科学院自动化工程研制中心、广州市自动化学会联合主办。本刊国内外公开发行,面向全国工矿企业、大专院校及广大从事自动化技术、信息技术的工程技术人员、工人及院校师生,尤其面向珠江三角洲广大企业。

  无线传感器网络的发展离不开路由技术的支撑,在无线传感器网络路由的发展过程中,网络特点、业务特点和应用需求都显现出了与传统网络不同的地方,所以我们必须要积极应对无线传感器网络路由设计变化带来的挑战。

  1无线传感器网络的概述

  无线传感器网络,简称WSN,随着微机电系统(MEMS)的出现,有效推动了智能传感器的发展,尤其是在发展的过程中,传感器节点降低了制造成本,与传统的传感器相比,不但能够从环境中感知、测量和收集信息,且它的体积相对较小,还能够快速传递收集到的信息,所以得到了人们的广泛关注,且被应用于自然灾害的紧急救援、军事目标的监督及跟踪、生物的健康监控等方面。由于无线传感器网络可以帮助人们在恶劣或者人们无法接近的特殊环境下工作,所以各个国家对无线传感器网络技术投入了大量的财力物力进行研究。而我国也认识到无线传感器网络技术对人们的生活及科学产生的巨大影响,也加入到无线传感器网络技术的理论和应用研究,并且在微型传感器、无线智能传感网络通信技术、应用系统及传感器节点等方面取得了一定的研究成果,且一部分研究理论已经被应用于实际的工程系统中。我们知道,无线传感器网络在发展过程中,最具重要性的三要素是传感器、感知对象和观察者,对无线传感器网络技术进行研究,不但可以让信息感知和信息采集完成一次巨大的飞跃,更能够对我们人类的发展产生巨大影响。在无线传感器网络技术的发展过程中,由于其在各个环境的应用不同,从而演化出了一系列的无线传感器网络。

  1.1地面无线传感器网络

  其一般是由自组织方式组网或者是预先规划的方式组网,这是由于地面无线传感器网络通常由许许多多的廉价的部署在一个预先指定好的区域的传感器节点决定的。在陆地无线传感器网络中,由于所处的环境较为密集,因此需要采取有效措施来确保其通信的可靠性,同时还需要确保陆地传感器节点能够将数据信息快速、高效地传递到基站,这就决定了陆地无线传感器网络的运作需要消耗大量的电力,但是在这个过程中电池的能力是有限的,并且可能不能被充电,即使我们可以借助太阳能电源或者是其他第二能量,我们仍然需要注意保存能量。为了让陆地传感器节点可以更好地运作,我们可以通过提高网内数据聚合、缩短运输范围、降低延迟等方法来实现能量的有效保存。

  1.2地下无线传感器网络

  与地面无线传感器网络相比,地下无线传感器网络具有更高的造价成本,这是因为大部分地下无线传感器网络都是部署于山洞中的节点,或埋于地下的传感器节点,或矿下以实现对地下条件监控的节点,在部署节点时,由于操作地点处于地下或者是矿下,较于地面节点的部署难度更大,在维护时需要付出的也更多。在进行节点的材料選择时,我们为了保证通信的可靠性,一般要使选择的节点能够有效的穿过岩石、油、水及其他物质,所以在制造地下传感器节点时,我们就必须投入更多的财力,且要仔细考虑能量开销投入并详细部署规划,这样才能保证地下无线传感器在高强度的信号衰减的地下环境下可以让无线通信顺利传达。在地下无线传感器网络中,我们必须给地下传感器节点配备相应的电池能量,并且利用高效的通讯协议来达到增加网络可靠性的目的。

  1.3水下无线传感器网络

  与地面无线传感器网络不同的是,虽然水下无线传感器网络涉及大量的传感节点,但是水下传感器节点更贵,但是需要部署的节点却较少。在水下通信网络中,比较具有代表性的是声波通信。但是声音通信处于水下,这样的环境很容易引起节点失效,而且在有限的宽带中,需要进行长距离的信息传输,所以在传输过程中会出现传输延迟和信号衰退等问题。水下传感器节点一般需要依靠有限的电池来进行运作,但是无法进行重新充电或被替换,但是我们可以通过开发高效率的水下通信和网络技术来提高水下传感器网络的能量效率。

  1.4多媒体无线传感器网络

  多媒体网络主要是用来对音频、视频或图像等多媒体信息进行有效的监控和跟踪,在多媒体无线传感器网络中,它包含了大量的高开销的传感器节点,且配备了照相机和麦克风。这样在进行数据的获取、处理、协作时就可以让传感器节点与其他节点进行无线连接,而多媒体传感器节点的保障覆盖主要通过预先规划好的方式进行。与其他无线传感器网络相比,多媒体无线传感器网络的挑战是能量消耗高、数据处理、服务质量保障、跨层设计和压缩技术,多媒体的内容则依靠高宽带来进行数据传递。

  1.5移动无线传感器网络

  移动无线传感器网络同样包括多个传感器节点,而且每一个节点之间可以实现独立移动,同时也可以实现与物理环境的有效相交。移动节点与其他无线传感器网络相比,它具有在网络中自组织和重新定位的能力,同时在数据的分发方面也具有一定的差异,在移动无线传感器网络中,一般选择动态路由;而在静态无线传感器网络中,一般选择固定路由或者洪泛。

  而动态路由所需要面临的挑战则是部署、定位、自组织、维护及数据处理等。

  据以上分析,我们用表格来直观地表现无线传感器网络的种类

  1.6无线传感器网络的特点

  随着信息技术的不断发展,有效推动了无线网络传感器的发展。在无线网络传感器技术中,形成了没有全局标识、多对一通信、节点高密度部署、资源局限性强、数据冗余大、节点不可靠以及网络拓扑变化快等特点,在这其中,资源的局限性是发展无线传感器网络最大的阻碍,因为传感器节点资源存在较大的限制性,因此在进行信息发送的过程中,使处理能力、发送的功耗、通信宽带、板上能量和存储容量受到一定的限制,为了改善资源限制带来的影响,我们选择设计能力高效的数据传输和存储方法就很有必要了。

  2无线传感器网络的技术

  无线传感器网络的发展离不开技术的支撑,在应用于各种环境中无线传感器网络的发展规划越来越明确的现在,适用于各种不同无线传感器网络的技术也不断发展,从而出现了无线传感器路由技术、无线传感器网络关键技术以及无线传感器网络中的数据存储和修复技术。

  2.1无线传感器网络的关键技术

  通常情况下,无线传感器网络关键技术主要是由能量收集技术、嵌入式操作系统技术、无线通信技术、传感器技术、低功耗技术、多跳自组织网络的路由协议、数据融合和数据管理技术以及信息安全技术。在无线通信技术中,常见的种类有红外、蓝牙等,使人们对无线通信有了更大的需求[3],涌现出了一系列的短距离无线通信技术,并且在家庭信息化领域占据着不可替代的位置;能量收集技术是针对节点能量问题而提出的,为了让传感器节点可以长期、稳定且可靠地进行工作,我们通常会对太阳能、风能、声能、电磁场能等环境能量进行搜集,从而为传感节点器持续供应能量;传感器技术发展成为自动控制和测试的主要技术手段,主要用于对某一种形态信息的有效传递和检测,并借助一定的手段将其转化为其他形态的信息,从而有效实现信息的传输;嵌入式操作系统技术是用途较为广泛的系统软件,硬件资源的分配、嵌入式系统的软、协调并发活动、任务调度和控制都由嵌入式操作系统负责,而我们所熟悉的传感器网络节点一般是在嵌入式操作系统技术的基础上实现对数据的有效采集、融合、整理及传输等任务;多跳自组织网络的路由协议是在无线信道质量的不规则变化、网络拓扑结构的动态变化环境下,对交换路由信息、网络拓扑结构的变更、定位目的节点位置等进行有效的监控,从而达到网络连通性的目的;对于低功耗技术的使用主要是为了缓解网络节点的能量消耗,从而使网络的生存时间得到延伸;数据融合和数据管理技术一般是借助计算机技术来获取观测信息,并对信息进行自动分析和处理;信息安全技术是在保障数据运输基本任务,对收集到的数据按规则进行聚合、并对任务进行系统控制的过程中能够保障无线传感器网络数据传输的保密性、可靠性、高效性、安全性。

  2.2无线传感器网络中的路由技术

  无线传感器网络技术中的路由技术通常是指九大协议,他们分别是:Flooding协议、Gossiping协议、SPIN协议、DD协议、Rumor协议、GPSR协议、TBF协议、LEACH协议以及TEEN协议。在Flooding协议中,它的运行不必依赖全局的网络拓扑结构,而是当一个节点收到数据后就用广播的方式进行传输,这样一级一级地传输下去,直到所有的数据包到达各自的最大跳数。在这样的数据传输过程中,我们可以看到,虽然这样的路由协议设计理念比较简单,而且使用比较方便,但是也存在一些弊端,即消息重叠和资源盲点。Gossiping路由是在Flooding路由的基础上来运行的,即它不像Flooding路由那样收到信息后一级一级进行传递,而是对产生的数据或收到的数据选择一个与之对应的临近节点进行转发,这样就可以避免消息内爆,但是却仍然不能从根本上解决信息重叠和盲目使用资源的问题;SPIN是一种以数据为中心的路由协议,它可以用较小的消息量来有效缓解内爆问题,从而保证资源的有效利用。但是其中所存在的缺点就是接收节点无法产生数据时,将会阻碍数据的有效传输,同时对于一些远距离的节点却在停止数据转发后无法收到数据,导致信息的不完整;DD是以数据为中心的基于查询驱动的路由协议,它具有采用健壮性好、多路径的特点,借助数据聚合,可以有效降低数据的通信量,并且可以保存全网信息,但是却不适用于环境监测等方面的应用;GPSR直接依赖领节点来进行路由选择,所以就不用在节点中建立、维护和存储路由表,所以它具有数据传输时延小,并且保证只要网络连通性正常就可以发现可达路由,但是它的缺点却是需要借助GPS定位系统来对节点的位置信息进行有效的计算;除我们以上提到的较为经典的无线传感器网络路由协议,还有一些以数据为中心的路由协议,例如EMRS、Mobicast等,这些路由协议为无线传感器网络路由协议的发展提供了理论基础,以确保无线传感器网络路由协议更加的安全、高效、可靠。

  2.3无线传感器网络中的数据存储和修复技术

  我们知道,传感器的节点的信息收集需要不间断地进行,但是传感器节点的能量却是有限的,为了让信息收集工作能够持续进行,我们必须让有限的存储空间更好地发挥其存储价值。通常情况下,可以根据存储位置的不同将无线传感器网络中的存储技术分为外部存储、以数据为中心的存储和本地存储。其中,外部存储一般是把数据存储于Sink节点,而且对于相关数据的查询也是在此节点上执行的,从而在一定程度上增加了路由的开销;本地存储则是采用在产生数据的节点上保存数据,所以存储数据需要消耗的能量较小,但是这种存储方式无法实现对数据的有效查询,因此本地存储只被应用于数据的产生频率高于数据的查询频率时才会被广泛应用;采取以数据为中心的存儲完全是分布式的,网络的连通性也较好,所以它们并不需要维护任何的路由表。

  在对以上无线传感器网络的技术进行分析后,我们对其进行一个简要的归纳:

  3网络编码的研究现状

  在进行无线传感器网络能量的提高中,我们都是在网络编码技术的基础上进行的。在传统的通信网络中,负责中继数据的是网络的中间节点,但是它们却不会对数据进行额外的操作。所以网络编码的主要作用是在网络的中间节点进行再编码操作,这样就可以提高吞吐量、降低能源耗用,达到提升网络性能的目的。

  3.1对网络编码的认知

  通常情况下,可以将网络编码方案划分为非线性网络编码和线性网络编码。其中,后者由于其具有较稳固的代数结构和编码方案,因此大部分人都会选择线性网络编码。借助网络中的源节点,可以将数据点发送到目的节点中,可以使汇聚信息节点可以借助组播的容量给予快速接受,从而实现了对源节点的编码。而中间的节点在接收到数据时,则要进行再编码操作,所以在我们较为常见的网络编码方案中,都是线性网络编码,源节点和中间的节点在进行编码时也是采用线性编码。随机线性网络编码一般需要在中间节点上先随机然后再编码,并且可以从有限的领域中随机选择编码系数来进行数据的编码,编码完成之后就可以将数据发送出去。这种随机线性网络编码的优点是,这种方案让网络中的节点在运行时不需要知道网络的全局拓扑结构,而且还可以在动态的网络环境中被广泛应用,中间节点和源节点只需要根据已经选择好的传输方案进行数据传输,所以随机线性网络编码的这种优势可以被广泛应用于后续研究,且在实施过程中可以节省不少的资源。但是随即线性网络编码也有它的缺陷存在,即只有在较大的域尺寸上工作才可以保证良好的解码率,从而弥补了算法设计中存在的缺陷。但是要想确定编码方法,一般需要了解全局的网络拓扑结构,所以工作量较大,只有在网络的数据量达到一定的程度时,采用确定性算法才较为划算。

  4总结

  无线传感器网络技术是当前信息发展的一大进步,在网络特点和业务特点上突破了传统网络的局限性,为了让无线传感器网络得到进一步的提升和发展,我们必须把它与计算机网络编码技术相结合,以此在能量高效的数据传输方面、数据存储方面以及组播技术方面得到发展。

《计算机网络编码技术在无线传感器网络中的应用》

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