异构无线传感器网络（精选12篇）
异构无线传感器网络 篇1
0 引言
随着信息技术、网络技术、电子技术的发展，无线传感器网络(WSN)在环境、医疗、军事侦查、海洋探测及一些环境恶劣的特殊领域得到了广泛应用。近年来，对无线传感器网络的研究方兴未艾，特别针对路由协议的研究更是热火朝天，因为它是WSN研究领域的关键技术之一。
在无线传感器网络中有限的节点能量是制约网络发展的主要因素之一，它对网络生存周期以及网络质量有着重要的影响。目前，LEACH协议是一个能量利用率较高的分层路由协议。SEP协议假设部份节点拥有更高的能量初始值，并且尽可能均衡能量的消耗，以此达到延长稳定期的目的。本文在此基础上，提出了基于分簇的、异构的、有效降低能耗的路由改进策略，通过仿真实验，找到最佳的参数值，以实现最佳的能量分配策略。
1 相关工作
LEACH[1]是基于低能量自适应分簇路由协议，由H einzelman于2000年提出。该协议是将整个传感器网络周期性地分为若干簇，每个簇都有一个簇头，簇中所有节点都将所收集到的数据传给簇头，由簇头负责对数据进行融合、整理，传给基站。由此可知，簇头所耗能量是最大的，因此，为了保证网络正常通信，延长网络生存周期，簇头节点在能量低于某个门限值时，将重新进行簇头选举，以此达到均衡能耗的目的。总的来说，LEACH协议相比静态聚类算法以及平面多跳路由协议较好的延长了网络生命周期。但是，由于该协议采用了动态选举簇头的方式，在每轮选举簇头节点后划分簇的过程中，簇头节点能耗较大。同时根据LEACH簇头选举策略，簇头节点的选举无法达到最优，因为某些簇头节点可能位于网络的边缘，某些簇头节点在物理上相邻，使簇内节点与簇头的通信距离较远，这必然导致大量的能量消耗。而且簇头节点采用了连续数据发送和单跳路径选择模式直接与基站通信，使每轮中簇头节点能耗巨大，因此对于大规模的无线传感器网络，LEACH分层路由协议并不适用。
SEP协议[2]于2004年提出，它很好地弥补了LEACH路由协议的缺陷。SEP是一个异构感知的协议，而传统的聚类算法协议都假设所有传感器节点具备相同的能量值。SEP协议能够推迟第一个节点死亡的时间，即增加了节点稳定期。在该协议中，节点根据初始能量的大小分为高级节点和普通节点，直观地说，高级节点(初始能量高的节点)比普通节点成为簇头的概率更高，这在一定程度上限制了能耗。但是，SEP协议仅仅是两层分层协议，只适用于规模较小的无线传感器网络。
在我们的工作中，使用了基于链状的分簇路由协议来解决SEP的问题，在簇头选举阶段依然采用LEACH路由协议的选举方式。
2 改进的策略
目前，大多数分层路由协议以延长网络生存周期为目的。然而，在无线传感器网络中即使延长了网络生命周期，如果稳定期不够，对传感器节点收集和传送数据也是无益的[3]。因此延长稳定期，对于许多传感器网络应用领域是至关重要的。我们知道分簇策略对降低网络延时是有用的，链状路由算法对延长稳定期是有益的[4]。在本策略中，为了延长稳定期，我们将在二者之间做平衡，先做如下假定:
1．每个传感器节点位置是固定不变的。
2．网络模型是异构的，网内节点初始参数值不同。即在高级节点和普通节点之间，具有因子m和额外能量因子α。
3．针对不同类型的节点使用不同的门限值，因此高级节点比普通节点成为簇头的概率更高。
假设E0是每个普通节点的初始能量，高级节点的能量为普通节点初始能量的α倍，则高级节点的初始能量为(1+α)E0,m(%)为高级节点在总节点中所占的比例。考虑整个网络的能量消耗，整个异构无线传感器网络的初始总能量如式(1)所示。
从式(1)可以得知，总初始能量增强了1+α·m倍。因此相对于增加的能量，“轮”(用以表示生命周期)的数量也成比例增加。由于系统总能量增加了α·m倍，事实上就如同多了α·m个节点。新的总轮数期待的数量要维持不变，可以通过在每轮中增加高级节点当选为簇头的概率来实现。在这里，“轮”指所有传感器当选一次簇头所需要经过的总轮数。在文献[2]中，Pout为节点当选为簇头的概率，轮次对于普通节点，当选为簇头所需经过的轮次为对于高级节点，当选为簇头所需经过的轮次为显然增加了高级节点当选为簇头的概率。我们的策略是假定Pout等于节点的平均初始能量除以普通节点的初始能量。即Pout=2+(α-1)m%，该值为实验结果，如果将节点位置改为随机的，则Pout有进一点优化的空间。为每个不同类型节点分配权重之后，选举簇头和簇内节点的方法与LEACH路由协议方法相同。并且使用贪心算法在被选簇头间建立一条链。簇头节点组成的链中链首的选择是随机的。使用TDMA时分复用方式，所有非簇头节点发送各自所收集到的数据给各自的簇头节点。每个簇的簇头节点融合整理数据，最后传给基站。
为了验证改进策略的效果，使用Matlab[5]仿真实现算法以及LEACH协议和SEP协议，下节我们将比较这些仿真结果。
3 仿真结果和分析
3.1 仿真模型
本文采用的网络模型如下:传感器节点随机分布在一个100×100的正方形区域内，给每个节点分配全网唯一的I号[6,7]。Sink节点固定，节点能够通过单跳或多跳的方式与Sink节点通信，具体实验参数如表1所示。
3.2 结果及分析
网络节点分布如图1所示。带+的节点表示拥有额外能量的高级节点，其余为普通节点。
为了评价我们的策略，在仿真实验中，通过改变异构参数(α，m)的值寻找延长网络生存周期和稳定期的最优值。同时我们也分析了整个网络总能量的利用情况。
图2显示了当m=0.2，α=3的情况下，相对LEACH协议和SEP协议节点生存情况。从仿真结果看出，我们改进的策略相比LEACH协议稳定期延长了大约13%，相比SEP协议，延长了大约6%。
图3和图4显示了在稳定期及非稳定期间三种协议的对比。从中可以看出，稳定期与非稳定期的轮次与异构参数密切相关。
图4显示了根据轮次不同协议非稳定期的长度。从图上可以看出我们的策略非稳定期的长度明显比其他协议短。这是因为高级节点当选为簇头的概率增加，这个概率与节点的初始参量是成比例的。同时根据仿真结果也可以知道由于高级节点拥有比普通节点更多的额外能量，因此整个稳定期的时间也延长了。
由于是使用第一个节点死亡时间来描述稳定期，因此我们用FND(First of the Nodes Dies)值来定义特定网络配置的估计值。更进一步，我们将能量相近的传感器放置在一起。这样相邻节点能够记录相关的或相同的数据。因此，单个或多个节点的死亡并不能降低网络的服务质量。在我们的策略中，使用HND(Half of the Nodes Dies)作为传感器网络半生存期的估计值，LND(Last Node Dies)作为整个网络最后一个传感器节点死亡的估计值。
对于LEACH,SEP这样的分簇协议，LND值毫无意义，因为需要多个节点来完成分簇算法。因此在仿真实验中，我们只讨论与网络生存周期相关的FND和HND，并与LEACH协议和SEP协议作比较。图4显示了不同协议在特定网络中FND和HND的表现，使用轮次来衡量生存时间。
由于节点的能量有限，参与整个网络的工作过程。当节点发送或接收数据，进行数据融合时，都会消耗能量。一旦节点能量耗尽，它将被认为死亡并且不能再传送或接收数据。当网络中所有节点耗尽能量之后，仿真实验结束。有效的能量使用策略意味着低能耗和长的稳定期。从以上仿真结果图可以看出在改进的策略中网络轮次数明显增强。同时稳定期的增长与α值密切相关。图5比较了当m=0.2时，LEACH、SEP协议的能量消耗。根据表1提供的初始数据。如果假设每个节点的初始能量为0.1焦，则在异构环境下，节点总能量为16焦。能量消耗最多的是在稳定期，因为稳定期所有节点都需要传送或接收数据。
从图6可以看出，利用改进的策略，稳定期能量利用率达86.3%，而LEACH协议约为50%,SEP协议约为63.25%。
4 结语
我们的策略相比LEACH协议和SEP协议明显延长了稳定期时间，这在某些应用中是至关重要的。在仿真实验中，通过不同的异构参数设置，找到最优的能量分配策略。该策略依然是基于分簇的多层路由协议，由于簇头直接与Sink节点通信，网络能量消耗较大，加之没有考虑无线网络通信的安全问题[8,9,10]，因此下一步的研究重点将是实现多跳路由[11]以及簇头选举的安全性[12,13]问题。
摘要：提出使用异构无线传感器网络提高网络稳定通信期的路由协议改进策略。该策略采用链状路由算法的分簇策略既延长了无线传感器在异构环境下的生存周期,也延长了传感器网络稳定期。仿真结果显示相对于分层路由协议LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)和SEP(Stable Energy Protocol)来说,该改进策略在延长网络生存期及稳定期方面表现较好。同时,从仿真结果也可以看出较长的稳定期依赖于异构网络中高级节点的设置,部份传感器节点需要拥有更多的额外能量。
关键词：异构无线传感器网络,路由协议,生存周期
异构无线传感器网络 篇2
实验报告
2015 5--2016 6 学年第 一 学期
开 课 单 位
海洋信息工程学院
适用年级、专业
课 程 名 称
无线传感器网络
主 讲 教 师
王晓莹
课 程 序 号
1510344
课 程 代 码
BS1620009X0
实 验 名 称
ns2 实验环境配置及应用
实 验 学 时学时
学
号
姓
名
一、
实验目的1)掌握虚拟机的安装方法。
2)熟悉 Ubuntu 系统的基本操作方法。
3)掌握 ns2 环境配置。
4)掌握 tcl 语言的基本语句及编程规则。
5)了解使用 ns2 进行网络仿真的过程。
二、
实验环境
1)系统：Windows 10 专业版 64 位 2)内存：8G 3)软件：VMware Workstation 12 Pro 三、实验内容
((一 一))安装虚拟机（简述安装步骤）
a)在 VMware 官网（https://#allinone 复制到根目录，解压到当前位置 tar xvfz ns-allinone-2.35.tar.gz
在根目录下打开 ns-allinone-2.35 文件夹，在里面找到 ns-2.35 打开找 linkstate文 件 夹，打 开 里 面 的 ls.h 文 件，将 第 137 行 的 void eraseAll(){ erase(baseMap::begin(), baseMap::end());} 改成 void eraseAll(){ this->erase(baseMap::begin(), baseMap::end());}
运行 cd./ns-allinone-2.35 运行./install #进行安装
d)设置环 境变量：
终端中输入 cd，返回根目录，然后
sudo gedit.bashrc 在文件末尾加入：
export PATH=“$PATH:/home/kevin/ns-allinone-2.35/bin:/home/kevin/ns-allinone-2.35/tcl8.5.10/unix:/home/kevin/ns-allinone-2.35/tk8.5.10/unix” export LD_LIBRARY_PATH=“$LD_LIBRARY_PATH:/home/kevin/ns-allinone-2.35ns-allinone-2.35/otcl-1.14:/home/kevin/ns-allinone-2.35/lib” export TCL_LIBRARY=“$TCL_LIBRARY:/home/kevin/ns-allinone-2.35/tcl8.5.10/library” 保存退出
e)验证 完成后在新终端窗口 输入 ns 出现%
测试：
ns./ns-allinone-2.35/ns-2.35/tcl/ex/simple.tcl
输入 exit 退出 ns2
((四 四))l tcl 语言基本使用（举例说明）
a)创建 test01.tcl 文件，编辑 test01.tcl 文件,在终端输入 touch test01.tcl #创建文件 gedit test01.tcl #编辑文件 b)在 test01.tcl 中输入“九九乘法表”TCL 语言
c)运行 test01.tcl，结果如图：
((五 五))网络仿真（可以选示例，也可以自己参考资料设计仿真）
((六 六))遇到的问题及解决方法
1.Ns2 验证：安装完成后在新终端窗口 输入 ns 不出现 %
使用 sudo apt-get install ns2 安装后新窗口输入 ns 出现 %
2.TCL 语言测试：找不到 tk.tcl
ns./ns-allinone-2.35/ns-2.35/tcl/ex/simple.tcl 提示找不到 tk.tcl，因为没安装 nam，输入命令 sudo apt-get install nam 安装成功，再验证就可以了。
四、
实验总结
无线传感器网络覆盖算法研究 篇3
摘要：立足于无线传感器网络中的覆盖问题，分类总结近年来提出的覆盖算法，详细讨论了一些典型的无线传感器网络覆盖算法。
关键词：无线传感器网络覆盖
中图法分类：TP393
文献标识码：A
0引言
节点调度和密度控制是节约网络能量、延长网络生存时间的一种有效办法。本文立足于无线传感器网络中的覆盖问题，分类总结了近年来提出的覆盖算法，并详细讨论了一些典型的无线传感器网络覆盖算法。
1覆盖算法的分类
1.1确保完全覆盖的覆盖算法和不能确保完全覆盖的覆盖算法。假设部署在目标区域的传感节点组成的传感器网络能够完全覆盖目标区域。根据执行了算法之后处于活动状态的节点能否完全覆盖目标区域，把节点调度覆盖算法分为：确保完全覆盖的覆盖算法和不能确保完全覆盖的覆盖算法。前者适用于灾难救助、军事监测等对安全程度要求较高的应用领域，后者适用于环境感知、森林火灾监测等对安全程度要求较低的应用领域。前者又可分为1－覆盖和K－覆盖(K≥2)，属于K－覆盖的覆盖算法确保所有的监测目标或监测点同时都被K个不同的传感器节点所覆盖。
1.2集中式的覆盖算法和分布式的覆盖算法。根据算法实施策略来分，把覆盖算法分为：集中式的覆盖算法和分布式的覆盖算法。前者需要将整个网络的全局信息发送给一个处理节点，由处理节点单独执行完算法之后，将控制信息发送给网络中的每一个节点，因此仅适用于小型的传感器网络，不具备良好的扩展性。而后者通过利用局部信息，由邻近区域内节点之间的协作共同完成，可适用于大型的传感器网络。
1.3确保网络连通性的覆盖算法和不考虑网络连通性的覆盖算法。根据网络连通性来分，把覆盖算法分为：确保网络连通性的覆盖算法和不考虑网络连通性的覆盖算。文献已经证明，如果网络中的所有节点同构，且节点的感知模型为圆形区域感知模型，当通信半径大于或者等于2倍的传感半径时，完全覆盖目标区域的节点集构成的传感器网络一定是连通网络。然而，当通信半径小于2倍的传感半径时，不能保证网络的连通性。在不考虑通信半径与传感半径之间的关系时，确保网络连通性的覆盖算法能够保证在任意时刻，处于活动状态下的节点构成的网络是连通网络，因此收集到的传感数据能够发送到汇聚节点。
1.4依赖于节点位置信息的覆盖算法和不依赖于节点位置信息的覆盖算法。根据是否利用位置信息，把覆盖算法分为：依赖于节点位置信息的节点调度覆盖算法和不依赖于节点位置信息的覆盖算法。现有的定位技术由于硬件成本、能耗以及误差范围的限制，难以保证每个节点获得自身精确的物理位置，因此，倚赖于节点位置信息的覆盖算法可能会因为节点不能获取到准确的位置信息，导致难以达到预定的覆盖效果。
1.5基于轮次的覆盖算法和基于分组的覆盖算法。根据算法在网络生存时间内的执行次数来分，把覆盖算法分为：基于轮次的覆盖算法和基于分组的覆盖算法。基于轮次的覆盖算法要求传感器节点在每一轮的开始执行一次算法，按照某种竞争机制从所有节点中选择若干个节点作为活动节点，这种算法在传感器网络的生存时间内执行了多次。而基于分组的覆盖算法在传感器节点部署后仅执行一次，通过分组将所有传感器节点划分到若干个组内，在算法完成之后，依次调度每一组的传感器节点作为活动节点。
2典型的覆盖算法分析
2.1位置无关的覆盖算法算法属于不依赖于节点位置信息的分布式覆盖算法。该算法仅适用于圆形区域感知模型，且节点的传感半径与通信半径相等的情况。各个节点根据如下信息判断自身的传感任务是否可由邻居节点完成：1－Hop内的邻居节点，以及这些邻居节点的1－Hop邻居节点。当节点判断自身为冗佘节点，就可以关闭自身节点的传感单元进入休眠状态。
优点：①不依赖于节点的位置信息；②关闭冗余节点之后，不降低原有的覆盖率。
缺点：①只适用于圆形区域感知模型，不适用于不规则的节点感知模型：②只适用于节点的传感半径与通信半径相等的情况；③绝大部分的冗余节点都不能满足上述判断条件，因此不能进入休眠状态；④没有考虑网络的连通性。
2.2连通的随机调度覆盖算法算法属于一种不依赖于节点位置信息的基于分组的分布式覆盖算法。算法分4步完成。第1步，将所有的传感器节点分为K组，每个传感器节点随机取1到K中的某个值i，并将自身分配到第i组。第2步，每个节点获取到汇聚节点的最小跳数。汇聚节点首先向邻居节点广播包含了到汇聚节点最小跳数的消息，最小跳数的初始值为0。所有节点将记录到汇聚节点的最小跳数，同时忽略具有较大跳数的消息。然后将跳数值加1，并转发给邻居节点。通过这种方法，传感器网络中的所有节点能够记录下到汇聚节点的最小跳数。第3步，各个节点向邻居节点广播消息，其中包括自身的ID，到汇聚节点的最小跳数以及组号等信息。第四步，通过分配一些必要节点到某些组内，使每个节点能够在所属的分组内建立一条到汇聚节点的最短路径来构造连通网络。分组i内的各个节点(不妨假设为A，它的最小跳数为n)首先判断在自身邻近区域内的下游节点(下游节点是最小跳数为n-1的节点)是否有节点属于分组i，如果没有，则节点A从这些节点中任选一个，并将它同时划分到分组i，以确保节点A从第n跳到第n-1跳是连通的，依此类推，从而建立一条A到汇聚节点的最短路径。在执行完第4步之后，显然分组i构成的子网络是连通的。在算法完成之后，依次调度每一组的传感器节点作为活动节点。
优点：①不依赖于节点的位置信息；②适用于不规则感知模型：③确保了在任意时刻网络的连通性；(4)算法在节点的生命周期内仅执行了一次，节约了能量。
缺点：①各个分组内的节点分布不均匀，覆盖效果较差；②维持分组连通时额外加入到分组内的节点较多。
3总结
异构无线传感器网络 篇4
无线传感器网络(WSN)[1]已经成为一种无处不在的技术,它应用于各种工业和生活环境中,如监控和家庭自动化[2]。在一个典型的无线传感器网络的应用中,如家庭自动化系统,我们能够使用各种命令来控制网络设备,甚至可以远程打开一盏灯,关闭一台空调机。此外,我们可以监视传感器各个节点的用电量。于是我们能够精确地管理房间里的电力设备。另一个例子是环境监测。许多地方遭受泥石流和山体滑坡。因此,存在大量灾害防治工程是利用传感器来收集例如滑行距离等相关信息。在最近几年,由于无线传感器网络日益普及,大量的传感器节点的信息必须靠无线传感器网络传输,所以建立一种统一的,高效的管理机制成为管理无线传感器网络技术的关键点。此外,一种合理的管理机制必须具有可靠性和可扩展性,能支持标准化的系统服务,包括数据集成,控制管理,及系统资源的有效地利用。一种管理机制必须具备通用性,这样任何类型的传感器的数据在任何时间,任何地点都可以通过这种机制进行通信。它必须能应用在不同类型的网络中,从而更好的集成到已有的系统中。
许多网络管理机制发展的较成熟,其中最流行的一种是简单网络管理协议(SNMP)。SNMP是一种简单的协议,它易于实现和易于使用。然而,因为SNMP过于简单必然会带来一些缺点,如不可靠的传输层协议(UDP),非加密数据传输。此外,它不支持网络地址转换(NAT)的遍历[3]。
为了解决上面段落中提到的问题,我们提出了一个明确的选择即利用SIP协议管理无线传感器网络[4]。SIP是一种应用层协议,这样异构网络可以相互通信。SIP消息的内容可以采用可扩展标记语言(XML)格式,它为管理无线传感器网络提供了高度的灵活性和高效率的方法。IEEE802.15.4/ZigBee[5]是无线传感器网络中流行的标准,我们的研究着重于移植SIP到Zig Bee终端设备上。图1展示了通过SIP协议管理无线传感器网络的架构,我们可以使用普通的SIP软电话作为用户代理商。此外,这种架构提供了一个网络平台,通过发送SIP消息来控制无线传感器网络中的Zig Bee终端设备。
本文余下的结构如下:第二章介绍了一些关于Zig Bee,IPv6和SIP协议相关的背景知识,第三章介绍了现有的使用SIP协议管理无线传感器网络(WSN)的方法。第四章描述了Sofia-SIP库以及系统设计使用的软件平台。第五章介绍相关结论和未来研究方向。
1 相关的技术
1.1 ZigBee
Zig Bee基于IEEE 802.15.4标准,它定义了两个通信协议层即网络层和应用层。ZigBee网络包括三个不同的节点类型:Zig Bee协调器、ZigBee路由器和Zig Bee终端设备。网络层处理了以下工作:加入或离开Zig Bee网络;为Zig Bee数据包提供安全的处理过程;搜索和维护到节点的最佳路径;搜索邻近的节点,创建Zig Bee网络(通过协调器),配置网络参数(通过协调器)及分配地址(通过协调员)。应用层包括应用支持层,应用程序框架和Zig Bee设备对象。Zig Bee终端设备不同于已有的有线网络终端,它具有有限的计算能力。我们的原型平台采用了德州仪器(TI)Zig Bee开发套件(ZDK)。
1.2 IPv6
随着互联网所需的地址空间在以不可预料的速度增长,以及新型网络的应用和无线网络得到普及,IPv4定义的地址空间显然是不够的。据互联网编号分配机构(IANA)的报告,未分配的IPv4地址已经耗尽[7],因此,下一代互联网协议—IPv6产生了。
IPv6解决了IP地址不足的问题,此外,IPv6简化了IPv4报文头。IPv6有一些独特的功能包括:地址的长度从32位扩展到128位,IP报头的长度固定为40字节,无状态自动配置,增加IPsec保证传输的安全性,提供任播机制。
为了管理Zig Bee和互联网之间的异构网络,我们需要适用于Zig Bee和互联网的网络地址。能够支持直接通信,每一个Zig Bee终端设备需要配置对应的IP地址,SIP代理服务器需要配置一个Zig Bee网络地址[6]。无线传感器网络需要配备大量的Zig Bee传感器,并且每个Zig Bee传感器必须有一个唯一的64位扩展地址。因此,IPv4是不适合于Zig Bee,由于存在大量的传感器,IPv4地址是不够的。如果使用IPv6,我们可以容易地将一个64位的IPv6前缀和一个64位的Zig Bee的扩展地址结合以获得一个完整的IPv6地址。
1.3 SIP
SIP是一种信令协议,它工作在TCP/IP模型中的应用层。SIP协议定义了两种类型的消息:请求和响应。表1所示是部分sip请求消息。
一个SIP用户代理收到请求消息后会发送相应的应答消息,如表2所示SIP用户代理应答响应消息。
2 存在的方法
将sip植入到ZigBee中,有学者做过类似工作[8]。在文献[9]中,它提供一个用来处理SIP数据包的Zig Bee/Ethernet网关,并定义其独有的数据包格式,然后发送到Zig Bee终端设备。同时开发一个SIP用户代理用来控制Zig Bee终端设备。如在图2中所示的是SIP报文传输流程。
3 实施情况
为了将sip数据包从以太网传到Zig Bee,我们选择已有的方案[6]解决Zig Bee/Ethernet网关。同时选择了Nokia的SofiaSIP库来实现SIP用户代理,Sofia-SIP是专门为嵌入式设备设计的,因此Sofia-SIP协议栈比其他sip库例如e Xosip小,而且Sofia-SIP支持传输控制协议(TCP)及工作在传输层的流控制传输协议(SCTP),并且它具备可靠的传输能力。
Sofia-SIP库有如下几个模块组成:
Su:包含一个简单的,代码编写的数据包/同步库;sresolv:包含使用EDNS扩展机制的异步DNS解析器;ipt:应用于IP电话的实用工具库;nua:包含具备基本的sip用户代理功能的用户代理库;nea:为不同的应用于sip状态和会议的事件提供一个接口;iptsec:为基本的HTTP协议及摘要认证提供接口;nta:为sip事物、传输和消息处理提供简单的界面;tport:包含一个使用sip、实时流传输协议(RTSP)及HTTP协议组成的通用传输接口;sip:包含用于sip解析器和sip头域、sip消息对象的接口;msg:包含解析器和操作消息的功能及基于如SIP,HTTP,RTSP类文本协议的头部,也提供多功能Internet邮件扩充服务(MIME)头部的解析器和这些协议通用的MIME类型消息;url:包含宏命令和使用URL数据类型如url_t的函数,并能解析及打印URLs;bnf:包含宏命令及解析文本格式的函数,例如解析SIP协议的函数;sdp:为会话描述协议(SDP)提供一个简单的“C”语法分析器接口;soa:由一个异步的SDP Offer/Answer引擎库组成。
每个模块都有自己的依赖关系图,可以在已设计出的系统[11]中看到例如nta的依赖关系图。
由于Zig Bee终端设备的计算能力和的存储记忆能力有限,我们将重新创建Sofia-SIP协议栈,并选择专门的Linux内核[12];我们使用Sofia-SIP库中部分函数并删除无线传感器网络中不必要的功能,如语音通信功能,将Sofia-SIP协议栈大小从18MB减小到2MB.图3显示运用我们的方法后sip数据包传输流向。
虽然图3和图2的系统结构看起来类似,注意在图2只有Zig Bee/Ethernet网关注册到SIP代理服务器。Zig Bee/Ethernet网关进行解析封装SIP数据包,然后将相应Zig Bee数据包传输到Zig Bee终端设备。ZigBee/Ethernet网关需要处理大量的数据包,因此它承受了沉重的负载,这必然会降低网络的性能。与此相反,图3中所示我们的方法,采用的方法是在每一个Zig Bee终端设备上执行SIP协议。因此,Zig Bee/Ethernet网关只需要转发SIP数据包到Zig Bee终端设备,不需要解析相关的有效负荷。这将显著减少Zig Bee/Ethernet网关的重载负荷。
4 结论
SIP协议被广泛用于Vo IP通信。除了这种成熟的应用,越来越多的研究人员提出使用SIP协议作为网络管理的机制。由于无线传感器网络(WSN)变得越来越重要,移植SIP协议到无线传感器网络(WSN)中被视为通用的管理机制。由于Zig Bee终端设备的计算能力有限,以前在Zig Bee中使用的SIP协议只是应用于Zig Bee/Ethernet网关部分的开发,这样它拥有更好的计算能力来处理应用层的转换。但是,处理大量的SIP协议报文会降低无线传感器网络(WSNs)的性能,这是因为Zig Bee/Ethernet网关很容易成为瓶颈。在我们提出的计划中,SIP协议栈从18MB简化为2MB,并被移植到终端设备上。因此,只需要一个Zig Bee/Ethernet网关处理Zig Bee和以太网之间的网络层转换。在我们的设计中,因为网关不需要通过检查有效负荷完成应用层的转换,这样可以减少大量的资源量并相应提高Zig Bee/Ethernet网关传输性能。然而,由于SIP消息的格式包含XML(可扩展标记语言)文本,这必将形成一个沉重的有效负载。在未来的研究中,减少SIP协议的开销使SIP协议更适合WSN(无线局域网网络)管理是研究的重点。
参考文献
[1]Smart Dust-Autonomous sensing and communication in a cubic millimeter,http://robotics.eecs.berkeley.edu/~pister/SmartDust/
[2]Jeon Y J,Park S H and Park J S,“Sensor Node Middleware to Support Web-Based Applications over Wireless Sensor Networks”,IEEE Workshop on Wireless and Internet Services(WISe2009),Zurich,Switzerland.
[3]Lin R Z,A Liao and H C Chao,“Implementing SIP-BasedTechnology for Management Framework”,The International Conference on Mobile Technology,Applications&Systems2008,Ilan,Taiwan.
[4]DiAdamo J,SIP:The Clear Choice for Smart Grid Communications,July2009http://www.smartgridnews.com/artman/publish/commentary/SIP_The_Clear_Choice_for_Smart_Grid_Communications-604.html
[5]ZigBee Alliance,“ZigBee Specifications”,ZigBeeDocument053474r17,November2009.
[6]Yeh J.K.,“Design and Implementation of a Translator Between ZigBee/802.15.4and IPv6/802.3with Groupcast/Multicast Support”,Master Thesis,National Chi Nan University,Taiwan,July2011.
[7]IANA unallocated IPv4address exhausted report,http://www.potaroo.net/tools/ipv4/index.html
[8]K C Chiu,“Intelligent SIP-based Telephony Communication System Using ZigBee Sensor Networks”,Master Thesis,National Cheng Kung University,Taiwan,July2006.
[9]Li J.S.,“Design and Application of ZigBee/Ethernet Gateway in Remote Control Systems”,Master Thesis,National Yunlin University of Science&Technology,January,2007.
[10]张智江.sip协议及其应用[D].北京:电子工业出版社,2005年1月.
[11]Sofia-SIP Library nta.h File Reference,http://sofiasip.sourceforge.net/refdocs/nta/nta_8h.html#a9d8c6e063399cee97ba7412358d5dcba
无线传感器网络管理技术论文 篇5
无线传感器网络管理技术论文【1】
摘 要 无线传感器网络(WSN)与计算机网络有着巨大的差异，但是又广泛的应用于现代社会的各行各业。
现有的网络管理技术并不能满足WSN的运行，亟待解决各方面的问题。
本文在介绍WSN管理技术的基础上，集合WSN自身特性，介绍了现有的WSN管理技术需要具备的技术性能。
希望能够为WSN管理技术发展提供一定的启发。
【关键词】无线传感器 网络 管理技术
无线传感器网络(简称传感器网络WSN)由大量的微传感器构成，在传感器安装区域完成信息收集、处理与流通功能，被越来越多的用于交通、医疗、工业自动化等智能领域，近年来随着信息化进程的深入和物联网相关技术的成熟，无线传感器网络技术的技术研究也突飞猛进;和普通计算机网络不同，传感器网络被用于特定的应用中、要求部署巨大数量的微传感器等特征，这就需要传感器网络的管理技术具有高效、灵活、安全的特性，传统计算机网络的管理技术不再适用于传感器网络管理，因此近年来传感器网络管理技术的理论和应用研究不断的取得突破性进展。
1 无线传感器网络管理
无线传感器网络与计算机网络的不同特点使得传感器网络管理技术也具有自身特点，具体表现在轻量级、开放性、自治性、高容忍、可伸缩等方面。
1.1 轻量级
由于无线传感器有很多位传感器构成，其内部电量较少、存储量和通信距离有限。
每个传感器的体积都比较小、电池更换困难、成本和功耗较低、计算和存储能力较弱，这就使得传感器网络管理技术也要具备符合上述特点的轻量级特征。
1.2 开放性
传感器网络有着和计算机网络不同的软、硬件系统和通信协议，同时不同的应用环境、任务需求和任务目标也会使传感器网络有巨大差异;为了保证传感器网络与互联网和移动网络的相互连通，就要保证传感器网络管理技术具有开放性，能够与其他软硬件系统无缝联通。
1.3 自治性
传感器网络在建设和使用的过程中，单独的某个传感器是随机布置在某个位置的，如果人工对其进行运维，会消耗巨大的人力物力，这就需要传感器网络技术满足其自身智能决策的需求，保证传感器形成自适应的分布式网络，无需人工参与即可可靠运行。
1.4 高容忍
无线传感器的应用环境多种多样，其低成本特性导致节点有易损坏、抗干扰弱、稳定性差等问题，这就要求传感器网络管理技术能够识别和容忍这种故障，并且保证网络信息感知和传输的可靠性。
1.5 可伸缩
未来的传感器网络将会覆盖非常的区域，数量差异巨大的传感器节点将会上传巨量的信息，这就要求传感器网络管理技术在应对不同数量的节点和信息时具有良好的可伸缩性能。
2 无线传感器网络管理体系
2.1 配置管理功能
通过配置管理功能获取传感器网络中的数据，并通过数据来控制每个传感器的配置信息和传感器网络内的节点状态及其连接关系等网络状态。
通过配置管理功能可以让网络管理员对传感器网络的控制变得更强;由于无线传感器网络节点的电量、通信、存储等方面能力有限，配置管理就要在网络拓扑控制和重编程技术中实现。
节点通信和感知的基础就是拓扑控制，拓扑控制在WSN管理中有三个方面：拓扑发现、成簇管理和睡眠周期管理。
WSN重编程技术，WSN首次配置完成后对网络进行远程的软件升级、任务下达和功能再配置的过程。
由于WSN的工作环境多样，其性能和功能需求需要动态变化，不能可能事先生成其所有可能需要的运行条件和对应的系统配置，这就要求WSN管理系统具有自我重新编程配置功能。
2.2 故障管理功能
WSN大多需要在无人管理的环境中长时间顺利运行，而传感器的自身质量和性能缺陷导致WSN中随时有可能会有节点出现故障。
如果传感器节点出现故障，将会把采集到的错误信息不断地上传至网络，最终导致网络管理出现问题;还有些故障会导致节点通信受阻，数据传输终端等问题。
目前，WSN故障管理可分为集中式、分布式、基于移动装置和层次式集中结构。
集中式结构中的管理者要得到整个网络的信息才能进行精准的故障管理，这种管理技术消耗了节点的很多能量;分布式管理则有更低的能量消耗，但是会消耗较多的存储空降;层次式则是集中式和分布式的混合结构，兼顾了二者特点;由于基于移动装置的结构使用环境较为特殊，可以预测分布式和层次式的管理结构是未来WSN故障管理的发展方向。
2.3 安全管理功能
安全管理指的是通过安全管理和技术手段，保障WSN资源的保密、完整、可用性等，不会由于设备、通信协议、网络管理或者环境因素受到破坏。
安全管理的基本原则就是通过合适的技术和管理措施来确保网络资源的基本安全，从而满足传感器网络开展的安全需求。
传感器网络不同于传统网络，但又需要参考普通网络的安全管理经验，这就导致WSN网络完全在密码算法、数据完整性、数据保密性、秘钥管理技术、网络认证等方面存在不可忽视的技术难题需要突破。
2.4 性能管理功能
性能管理功能即通过考察WSN运行情况和通信速度等参数来对传感器网络性能进行评估。
性能管理要分析和监视网络及网络提供的功能是否顺利运行，其分析结果会触发网络的自身诊断机制或引导网络开启自我重配置等。
WSN包括数据收集、分析、上传等应用功能的专门网络，其性能管理还会包括以下几个方面：
(1)使用周期管理，即网络部署到网络能力耗尽的时间;
(2)数据传输性能，包括数据传输可靠性、数据传输速度等;
(3)上述性能，才能更好的完成性能管理，促进WSN网络的高效运行。
2.5 计费管理功能
目前，WSN的应用还只是应用于专门领域的闭合网络，对计费系统的需求没有很急迫，但是随着WSN的进一步发展和市场商业化深入，计费问题将会变得极为关键，并且伴随而来的数据安全、真实、可靠等问题也会越来越多。
3 结束语
WSN管理技术和理论还处在初级阶段，但是随着社会需求和相关领域的发展，WSN技术及其相关研究必将成为热点。
在WSN设计的通用性和有效性问题方面、分布式和层次式结构设计、主动网络技术、网络状态和性能的监测与优化等方面都需要进一步深入研究，对新技术进行推广，促进WSN技术的应用和发展。
参考文献
[1]刘丹，钱志鸿，刘影.ZigBee网络树路由改进算法[J].吉林大学学报(工学版)，，40(5)：1392-1396.
[2]皇甫伟，周新运，陈灿峰.基于多层抽样反馈的传感器网络时间同步算法[J].通信学报，2009，30(3)：59-65.
无线传感器网络技术【2】
【摘要】 传感器被越来越多地布置到实际的网络环境中，用于实现某些应用。
无线传感器网络已经成为了科学研究领域最前沿的课题之一，引起了工业界和学术界众多研究者的关注。
通过总结相关方面的工作，综述在不同领域中无线传感器网络的实际应用，并对具体应用的一些重要特性进行分析，在此基础上提出若干值得继续研究的方面。
刍议无线传感器网络的应用技术 篇6
关键词：无线传感器；网络；应用技术
近年来，随着距离近、功耗低的无线通信技术的发展，能够通过微小的芯片感知外部环境而发出逻辑命令的片上系统随之出现。而无线传感器网络WSN就是由大量这种具有片上系统感知、运算功能的微型传感器节点所构成的网络。通过这些节点间的相互传递信息、不间断的检测、感知并处理网络覆盖范围内的各种环境或各个对象的数据，从而得到系统而精准的信息并把这些有效信息发送到需求的用户。
一、无线传感器网络的特点
（一）硬件资源和电源容量有限
传感器的节点注重小体积、低功耗的功能实现，必然会在计算性能、程序容量和内存大小等方面远远小于正常规格的计算机，因此在节点的操作系统设计中，不易设计过于繁复的层级。同时，电池是网络节点的主要能量来源，但是这里的电池一般都是低容量的，如果在一些应用领域中存在特殊的使用情况，可能没有办法给电池及时充电或者替换新电池，电池的能量使用没了以后这个节点也会随之失效，这个特性就决定了传感器的设计中在每个环节都要重视节能的特性。
（二）节点密集分布
无线传感器通过节点间不断的自身调节以更好的状态适应外部环境，保证工作的稳定性与高效性。可以提高区域内对信息的抽样效率，能够明显提高监测的准确度，并能有效减轻单一传感器节点监测精准度的负担。另外，通过节点的紧密排布，在固定空间内会产生很多多余的节点，这些多余的节点有利于增强系统的容错性能，从而减轻了单一传感器在稳定度方面的要求。节点的紧密排布也有利于合理的调整休眠期，是增加了网络的使用寿命的有效手段。
（三）自组织网络
选择自组织工作方式是由无线传感器的自身特性所决定的。一是无线传感器的应用环境中很少有固定化的网络设施支持；二是传感器的节点的部署方式通常都没有规律可言，节点间的位置关系以及互为相邻的关系是不能提前预知的；三是传感器的节点由于电池的能量小容易被快速消耗而失去作用，并且收到外界环境的影响也可能会失效。其中的部分节点为了补充那些不起作用的节点并且为了增加检测的精密度而被填补进来，加之节点可能转移或者处于休眠调度机制中，因此网络总是处在实时的变动过程。
二、无线传感器网络的应用
（一）军事应用
军事方面的需要才促使了无线传感器的产生，无线传感器的自身设计理念是非常适合在军事上的应用的。无线传感器在军事领域的应用主要是收集情报、追踪敌人、监视敌情、分类目标。无线传感器的内置部件都是低成本低功耗的节点，并且自行组织力和容错能力也都很强，即便在局部节点收到刻意的破坏后，也不会引起整体的系统故障，基于这两点特性才能够保障无线传感器网络可以在战场上这种环境恶劣的条件下的正常工作，提供精准无误的数据传输以最大限度的减少伤亡。无线传感器除了在战争时期的应用，在如今世界局势比较稳定的情况下也能发挥着重要的国土安全保卫功能和边境的监控职能。
（二）环境科学
在进行环境科学的研究过程中可知，单纯依靠传统的采集方式来获得数据是非常困难的，而通过无线传感网络广泛的布置节点，并依靠节点之间的相互配合与协调共同作用，进行自动化的配置、管理、调度的流程来跟踪鸟类和昆虫的迁移活动并记录它们的生活习性。传感器网络还可以实现对土壤状态的检测，通过传感器来监测降水量、分析河水的水位以及土壤的水分，相类似的也可以运用到对森林火情的预报、天气情况的预报，对农业耕种中病虫害问题、土壤的酸碱度以及肥料是否充分等问题的监测等。
（三）医疗健康
无线传感器网络中分布着数量巨大的类似的或者不相同的传感器节点，它们紧密的排布在监测区域内。利用无线传感器微小的特点则可以在医学领域发挥其重要的作用。医生可以利用传感器来进行对病人血压和心率等指标的监测，而且通过传感器网络，医生可以及时的掌握病人病情的动态情况，并加以恰当的处理。也可以通过传感器网络进行持久连续性的收集医学实验对象的各项生理指标的信息，是对传统数据信息收集的创新改革，为医学的研究提供了基础的数据。另外，在医药管理方面无线传感器也有着其特殊的用途，无线传感器为促进远程医疗的进展提供了更为有效的实现手段。
三、结语
无线传感器网络在通讯、节能和网络控制等方面有着比较系统的解决方案，因此为其真正投放到实际领域打下了坚实的基础。而且无线传感器网络自身具有的低耗节能的优势，有利于其可以在一定区域内大面积的散布，具有广泛的应用价值。（作者单位：海南师范大学）
参考文献：
[1] 司海飞，杨忠，王珺.无线传感器网络研究现状与应用[J].机电工程，2011（01）.
[2] 杨卓静，孙宏志，任晨虹.無线传感器网络应用技术综述[J].中国科技信息，2010（13）.
异构无线传感器网络 篇7
无线传感器网络由大量的节点组成, 这些节点以一种自组织的方式覆盖于监测区域。然而不同传感器节点在尺寸、价格、处理数据能力方面有很大差异。目前, 在实际工程中, 比如一些室内定位系统[1,2,3], 为降低整个系统的价格, 并增强定位的准确性[4], 既需要有少量价格昂贵但数据处理能力较强的节点做信标节点, 又需要尺寸小、价格低廉、携带方便的节点做参考节点和移动节点。因此为使它们能够发挥各自的优点, 实现两者通信是很必要的。
1CC2430和Telosb简介
TI/Chipcon公司推出的CC2430[5]是首款符合ZigBee技术的2.4 GHz射频系统单芯片。适用于各种ZigBee或类似ZigBee的无线网络节点, 包括调谐器、路由器和终端设备。它延用了以往CC2420芯片的架构, 在单个芯片上整合了ZigBee射频 (RF) 前端、内存和微控制器。CC2430具有高度集成、尺寸小、价格低廉等诸多优点。但由于它的微控制器 (MCU) 仅为8位的8051, 因此运算能力极为有限。
Crossbow公司推出的Telosb[6], 是基于IEEE 802.15.4 Chipcon无线收发器芯片的下一代超低功耗、高传输率、无线传感网络Telosb平台, 它带有16位的MSP430 MCU和CC2420[7]射频芯片。在源代码开放的TinyOS支持下, Telosb可以应用到最新的无线协议和开放源代码软件。Telosb还携带一个容易使用的USB协议, 使用它可以直接对Telosb平台进行编程、调试及数据采集。它相对于CC2430具有较强的数据处理能力等优点, 但其尺寸较大、价格也相对昂贵。
2Telosb与CC2430收发数据设计
Telosb与CC2430射频部分均采用CC2420芯片, 为两者的通信提供了可能。CC2430上实现组网的协议是TI公司提供的Z-STACK[8]。然而由于Z-STACK协议中关于收发部分的代码是以库文件形式提供, 无法得知物理层和MAC的实现细节。并且Z-STACK实现了整个Zigbee网络, 代码量庞大而使得改造极为困难。因此通过Z-STACK实现Telosb和CC2430的数据收发是比较困难的。TinyOS[9]是美国加州大学伯克利分校专门针对无线传感器网络的特点开发的微型操作系统。它主要由主程序、应用程序、硬件层组成[10]。
如图1所示, TinyOS硬件抽象结构将硬件平台特性抽象为平台独立的硬件接口。这使TinyOS具有很好的可用性和移植性。并且由于TinyOS的开源特点, 以及Telosb对TinyOS的支持, 通过将TinyOS移植到CC2430是实现两者无线数据收发的有效途径。
2.1TinyOS的移植
TinyOS使用NesC[11]语言编写程序, 通过GCC编译器预编译为C文件, 然后通过交叉编译器将C文件编译成可执行文件。但是将TinyOS移植到CC2430就要解决两个问题:首先GCC编译器不支持8051;其次移植涉及到硬件抽象组件, 它必须适用于CC2430的硬件特征。对于第一个问题, 由于NesC产生的C代码不能在8051上直接编译, 因此通过利用一种Perl Script[12,13]将产生的app.c文件变为app_mangle.c文件, 它可以由KEIL工具编译, 编译后产生一个hex文件。随后即可被烧录到CC2430芯片中。这个处理过程如图2所示。
对于第二个问题, 当TinyOS植入新的平台, 就有必要修改与平台相关的底层硬件抽象, 相关修改如图3所示。其中在硬件表述层分别对HPLClock、HPLUART、HPLADC、HPLTimer组件做了如下修改。
HPLClock:8051芯片有三个独立的计时器:Timer0, Timer1, Timer2。Timer0和Timer1被用于13或16位计时器, 也可以作为8位自动加载计数器。Timer2仅仅作为一个16位计时器运行。这里选择Timer2作为时钟模块。
HPLUART:UART依赖一个计时器来产生一个波特率。由于Timer2已经被clock模块使用, 所以这里选用Timer1为UART模块使用。
HPLADC:TinyOS标准ADC接口为AVR所扩展。AVR包含一个给定的时间间隔内重复取样的硬件功能。然而8051不支持该硬件功能, 这需要使用最后一个Timer, 即Timer0, 实现不重复取样。
LEDs:使用通用目的端口 (GPIO) , 将标准的三个TinyOS LED位放置在Port0上。
Interrupts:在TinyOS中没有单独的模块实现中断, 这主要通过在各种HPL模块中的blocks, init, start, stop方法来实现。
2.2CC2430发送数据
CC2430通过寄存器RFD控制TXFIFO实现对无线数据的发送。发送时, 向TXFIFO写入数据。另外, 8051处理器通过使用一系列单字节指令即选通命令来控制某个无线模块的功能。这些命令可以实现使能发送模式和使能接收模式等功能。CC2430还内置一个直接存取控制器 (DMA) 用于在存储器和无线模块之间传送数据。它的好处在于可以减轻8051CPU核传送数据时的负担, 实现CC2430在高效利用电源条件下的高性能。以下两个事件会触发DMA控制器:首先当第一个数据存入RXFIFO, 即当RXFIFO从空状态变成非空状态时;其次当数据通过SFR寄存器的RFD从RXFIFO中读出时。
准备发送数据时, 首先设置DMA信道, 需将数据的源地址设为所要发送数据的起始地址, 目的地址设为寄存器RFD的地址0Xdfd9。然后在LENH和LENL位中设置所要发送数据的长度。DMA的数据传送模式分为三种:单独传送、数据块传送和重复传送。通过设置控制位MDMCTRLIL.TXMODE配置为发送模式。然后将DMA信道工作寄存状态寄存器中指定位 (即DMAARM) 置1, 使DMA进入工作状态, 再通过对应的DMAREQ位来设定DMA触发事件发生, 从而启动该信道上的传输。但在DMA信道能够使用前, 还必须配置下列参数:源地址、目标地址、传送长度、可变长度 (VLEN) 设置、优先级别、触发事件、源地址和目标地址增量、DMA传送模式、字节传送或字传送、中断屏蔽和设置M8模式。配置后通过写寄存器RFD写入TXFIFO中。再通过下达选通命令STXON或STXON-CCA使能发送。图4表述了上述流程。
针对上述过程, 在TinyOS中实现组件MyTestMac.nc。这个组件实现了DMA配置、DMA中断服务程序、无线模块开关、无线选通命令组合等功能。并编写发送应用程序调用该组件, 该发送程序的配件主要代码如下:
2.3配置帧格式
在CC2420接收模式下, 当SFD (帧开始分隔符) 已经完成接收后, SFD引脚置高;当有一个或者更多的数据字节进入RXFIFO, FIFO引脚置高;如果地址识别失败, 帧将自动的被CC2420滤掉, 这个操作通过FIFOP引脚实现。CC2420支持IEEE的802.15.4帧格式。802.15.4帧格式[14]如图5所示。
同步头 (SHR) 包含帧引导序列和帧开始定界符 (SFD) 。在IEEE802.15.4中, 定义帧引导序列为4个字节的0x00;而帧开始定界符 (SFD) 为1个字节, 设置为0xA7。帧长度域有7位, 最大值为127。这个字节数不包含长度域本身的字节, 但包括帧效验序列 (FCS) 的字节。在MAC协议数据单元 (MPDU) 中, 帧控制域 (FCF) 设置为0x8841;地址信息包括组地址、目的地址, 源地址。我们将组地址设为0x22, 目的地址设为广播0xFFFF, 源地址设为1。帧校验序列 (FCS) 由硬件自动生成和校验。
对上述设置, 在发送程序的模块文件中, 通过下列代码实现:
2.4Telosb接收数据
在TinyOS中, 用于接收数据的各组件关系如下:
其中ReceiveP组件通过SPI总线, 中断和GPIO直接与射频部分交互。因此我们在组件ReceiveP中直接读取收到的数据。在Telosb接收端, 通过Printf将接收数据打印出来, 如图6所示。
3实验结果
在室内环境下, CC2430发射功率设定为0dbm, 以广播的方式每1秒发送一次数据。Telosb作为接收节点。两者在相距20米的范围内, 每隔5米记录100个数据包。实验结果显示, 在10米范围内, 节点通信未丢失任何数据包, 接收的数据包也没有出现误码。但随节点间的距离加大, 以及障碍物的增多, 节点的误码率逐渐增大, 如图7 (a) 所示。从图7 (b) 可以看出, 节点丢包率也随距离的增大而升高, 当两者相距30米时, 彼此不能通信。从实验结果来看, 在10米范围内, 本设计方法能较好的实现Telosb与CC2430间的无线数据收发。
4结论
异构无线传感器网络 篇8
随着无线传感网研究的不断深入和应用的普及,研究学者开始重新审视有关无线传感网的基本配置模型假设[1,2]。目前大多数文献都是基于无线传感网由大量同构、微小、资源受限、随机分布在未经分割的感兴趣区域、使用一次性能源供给、不可移动的节点按照自组织方式构建网络的假设前提下进行各种协议的研究的。但是,当无线传感网真正面向实际应用时,人们发现在短期内传感节点的成本无法忽略不计。事实上,当无线传感网应用环境中各物理特征量非均匀分布,且在分布密度上具有较大的差异时(相比之下,这是一种更为普遍的状况),往往会存在对于某些物理特征量感知的传感模块价格,远远高出传感节点其余部分之和的情况[3]。针对以上问题,提出一种异构分布配置模型(Wireless Sensor Network HEterogeneous DePloyment Model,WSNHEDPM),以减少传统文献中对于无线传感网所有物理特征量在空间上均匀分布的简单、粗略的假设所带来的节点配置冗余和信息冗余,降低无线传感网的配置成本。
1无线传感网异构配置方案与成本分析
无线传感网配置方案受到传感网中诸多因素的影响,同时又反过来对传感网的系统结构、话务流量、通信协议和网络性能等诸多方面产生重大影响。一般地,无线传感网络的配置方案与配置成本受到以下因素影响:
① 配置区域:通常由兴趣区域确定,可以是一维、二维甚至三维空间;
② 异构性:指网络由同构节点或异构节点组成;
③ 配置密度:由单位空间测度(长度、面积或体积)内传感器的数量确定;
④ 配置分布模式:指节点在空间的分布模式,通常按同构、均匀、随机播撒配置方案进行配置,也可在指定位置按异构非均匀方案(手动)配置,还有二者的混合形式。
假设被观测物理量为:
式中,(x,y,z)表示传感节点所在空间位置(即观测物理矢量所对应的空间位置),观测各物理量可用彼此正交的信号量(s1,s2,…,sm)表征,它们都随时间和空间位置变化。假定I(x,y,z,t)在兴趣空间S中均匀随机分布,且第i个物理特征分量在空间分布的频谱具有一定的最大空间分布频率分量(fxci,fyci,fzci),1≤i≤m。
按照传统文献中有关无线传感网同构均匀随机撒播配置所需的传感器数量下界为:
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式中,Δximin、Δyimin、Δzimin分别代表在不同轴向上物理特征量最小空间抽样间隔;fxcimax、fycimax、fzcimax分别为在不同轴向上物理特征量最大空间分布频率。
针对不同物理特征分量采用不同传感节点进行异构化配置的无线传感网所需的m种传感节点的数量总和下界为:
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根据图1所示无线传感网传感节点的结构模型,可以求出在同构配置方案下,每个传感节点由相同的传感模块构成、以统一的轮询唤醒方式进行工作、按照相同的、具有冗余的空间分布方式进行配置。每个传感节点的成本组成为:
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式中,Cpw为电源模块的成本;Cmp为微处理器的成本;Ccm为通信模块的成本;Csmi为针对第i个物理特征量进行感知的传感模块的成本。
对于分布在由[xmin,ymin,zmin),(xmax,ymax,zmax)]确定边界的兴趣空间S中的观测物理量I(x,y,z,t)进行观测所需要的均匀配置、随机播撒配置方案下的无线传感网节点成本总和为:
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式中,Kp为考虑随机播撒配置下播撒所造成损失的节点预配置因子,Kp≥1。
在本文所提出的WSNHEDPM配置模型下,传感节点按照观测物理量的空间分布进行配置,按照硬件模块化设计思想,由不同数量、不同种类的传感模块构成,传感节点根据本节点传感模块构成根据实际物理量实际时间分布特征进行轮询调度。由此,根据无线传感网物理特征量空间分布特征特制的针对第i类物理特征量进行感知的传感节点的成本为:
Csni=Cpw+Cmp+Ccm+Csmi。 (6)
而以本文所提出的异构节点按指定位置配置方案下的无线传感网节点成本总和为:
undefined
在传统的无线传感网同构的假设下,通常假定通过硬件技术的发展,传感节点成本Csnho或Csnhe很小,可以到忽略不计的地步。但如果仔细分析传感节点成本的构成式(4)和式(5)可以发现,其中微处理器的成本Cmp可以按照摩尔定律每18个月减小1倍,通信模块的成本Ccm中的一大部分(基带处理与信号处理部分)也将服从摩尔定律有望不断减小。但是从IC产业的发展规律来看,有关模拟器件的价格在过去50年内变化却不大,而且在短期内这种状况也不可能得到明显改观[1],这意味着有关电源部分和传感器部分的价格在短期内不可能指望按照摩尔定律下降。事实上,当各物理特征量非均匀分布,且在分布密度上具有较大的差异时(相比之下,这是一种更为普遍的状况),往往会存在对于某些物理特征量感知的传感模块价格,远远高出传感节点其余部分之和的情况。因此,根据物理特征量的分布特性,选择传感模块进行异构配置将是实际工程项目的必然选择。
2仿真结果
根据以上分析,进行仿真验证。假设兴趣小区为L m× L m的方形区域。观测3个物理特征量,特征量1所需的最小抽样间隔为10 m×10 m,特征量2所需的最小抽样间隔为20 m×20 m,特征量3所需的最小抽样间隔为50 m×50 m。同构随机配置方案下节点数按系数最小抽样间隔所需传感节点数的Kp=1.3倍配置(同时集成3个物理特征量的传感模块于同一个传感节点上)。各种配置方案在地理上的分布比较如图2所示。
比较图2(a)与图2(b)可以看出,同构配置下节点数明显多于异构节点数,同时由于随机播撒同时保证传感信息密度分布的需要,同构配置下存在不必要的节点冗余。参考目前实际器件价格,假定无线传感网传感节点电源模块成本为5元,处理器模块成本为20元,传感模块1成本为5元,传感模块2成本为20元,传感模块3成本为300元,则可求得无线传感网同构节点与各种异构节点的价格如表1所示。
无线传感网配置方案成本比较如图3所示。从图3中可以看出,随着无线传感网配置区域的扩大,异构配置方案下和同构配置方案下无线传感网传感节点成本总和的差异逐渐明显。在300 m×300 m的区域上,成本总和的比值即达到4倍,差异值即达到30 000元。说明在目前实用阶段,不能忽视这种差异的存在。
3结束语
通过上述分析和仿真说明,目前一般文献中有关使用大量同构、微小、资源受限、随机分布在未经分割的感兴趣区域、使用一次性能源供给、不可移动的传感节点按照自组织方式构建无线传感网络的网络同构配置方案不具有通用性和实用性,而采用本文提出的根据观测信息场信息分布构造的异构配置模型可达到节省成本的目的,是更适合于未来无线传感网面向实际应用要求的通用结构配置方案。
摘要：根据对无线传感节点组成与无线传感网应用环境中各物理特征量非均匀分布,且在分布密度上具有较大差异的情况分析,提出一种异构分布配置模型,在网络配置时采用与感知物理特征量空间分布特征相适应的异构节点配置方法。由此减少节点配置冗余和信息冗余,降低无线传感网的配置成本。仿真实验证明,该模型可节省成本,是更适合于未来无线传感网实际应用要求的通用结构配置模型。
关键词：无线传感网,配置模型,异构,成本
参考文献
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异构无线网络融合切换算法研究 篇9
伴随着支持高数据速率, 多媒体服务和覆盖, 智能移动终端具有互操作性的空中接口和灵活的软件组件和基于IP的应用的若干个无线技术的出现, 为移动用户产生了任何时间、任何地方和任何类型的服务连接平台。4G无线系统致力于全球无线连接[3,4]。全球漫游和高数据速率服务提升了之前版本的4G无线网络[5]。4G系统的设计目标是提供给移动终端在异构网络中的无缝移动, 提供服务的连续性, 同时保证服务的质量。4G系统的架构目标, 包括非常平滑和自适应收敛的, 支持多个移动终端和网络的技术, 内置的无缝接入的潜力。更多的提供多样化服务的无线技术的应用和实施, 增加了切换过程的复杂性, 却提高了系统性能, 同样也是十分重要。
1 移动性管理
跟踪移动用户的位置, 使呼叫和其他服务具有连续性是移动性管理的目标。移动性管理是位置管理和切换管理的结合。切换管理保证了移动终端在漫游过程中, 改变接触点 (基站) 的同时保持服务的连续性[4]。影响切换管理的因素是移动性场景、网络条件、用户偏好、最佳网络选择和执行协议的网络选择策略 (切换决策技术) 。
每个移动性场景不是系统内部漫游, 就是跨系统间漫游。水平切换发生在系统内部漫游时, 移动终端从某个领域的接入路由器分离, 登记接入到另一个领域的接入路由器。而垂直切换发生在跨系统间漫游时, 为了获得移动用户要求的服务类型和质量的合适连接, 移动终端在不同的网络技术之间移动。
无缝网络切换是垂直切换管理的挑战。接收信号强度的评价不足以作垂直切换判决, 额外的参数, 如网络条件、服务类型、网络覆盖、成本、功率消耗和用户偏好都应考虑[6]。找到合适的时间进行切换对切换非常关键。切换机制可用两个方式控制, 网络控制或者是移动终端控制机制。网络控制切换策略不能确定越区切换的正确时间, 因为它们没有当前的移动终端最新信息的情况。而且网络控制机制不适合垂直切换的执行, 因为该网络不可能知道所有其它网络的特点。移动控制切换决策方案对垂直切换不是最优的, 因为移动终端更了解自己目前的情况。图2描述了各种网络最小数据速率的异质性。
宽带移动通信与宽带无线接入的区别日趋模糊, 互联网、移动通信和数字化的广播电视网将在业务、网络和终端3个层面不断融合。当通话中的用户进入极端建筑物时, 移动信号质量很差, 移动终端可切换至各种其它网络, 如WLAN;用户在保持通话状态下, 如果下载或传输文件, 数据传输可切换至速度更快的无线数据传输网络, 如Wi MAX。
2 切换类型
为了保持移动用户不中断通信, 当移动台从一个小区移动到另一个小区时, 进行的信道切换称为越区切换[7,8]。切换是保证移动用户在移动状态下实现不间断通信。
按照移动终端环境切换可分为5种类型, 硬切换、软切换、接力切换、快速切换和平滑切换。按照谁控制切换决策, 切换可分为4种类型。切换类型如表1所示。
切换管理策略设计目标如下: (1) 设计的切换过程的算法应该是非常快速的, 以避免移动终端通过任何种类的服务降级或中断。 (2) 减少切换总数, 减少切换总时间花费。 (3) 在切换过程中全部数量的信息损失, 应该被减少到最小程度。 (4) 新呼叫阻塞概率应降低。 (5) 应提高整个切换过程中的功率保护。 (6) 网络资源的使用应该尽快。 (7) 越区切换算法的上下文感知的同时, 优先考虑用户的喜好。 (8) 越区切换越可靠, 意味着切换发生时, 所提供的服务越令人满意。 (9) 越区切换算法应灵活, 可扩展和安全。
2.1 硬切换和软切换
硬切换和软切换是移动通信常见的切换类型。硬切换是在进入一个新的小区, 先中断与旧基站的连接, 然后再与新基站建立连接。软切换是先与新基站建立连接, 再中断与旧基站的连接。另外, 更软切换是一种蜂窝内的切换, 发生在2个扇区或3个扇区之间。硬切换主要是FDMA和TDMA移动通信系统使用, 软切换和更软切换在CDMA系统中使用。
2.2 接力切换
接力切换精确地利用定位技术, 在对移动台进行定位的基础上, 再辅助以移动台距离和方位信息, 判断移动台的位置, 是否进入到了相邻基站的区域。实现接力切换要有以下条件:网络要准备获得移动台的位置信息, 包括移动台的信号到达方向以及移动台与基站的距离。
接力切换的切换过程如下:先将上行链路转移到目标小区, 下行链路与原小区仍保持连接, 然后与新基站进行短时间的通信过程后, 再将下行链路连接到目标小区, 接力切换完成。接力切换是一种具有稳定性能的优化的切换方法。TD-SCDMA中采用了接力切换。
2.3 前向切换和后向切换
如果移动设备和网络之间, 和切换相关的信息, 由旧的路径进行传输, 则称为后向切换。切换由基站发起。在GSM系统中使用此方法, 与切换过程有关的所有信息通过旧基站交换。
如果移动设备将相关信息直接送给新基站, 这种切换方式为前向切换。目的基站将建立新链路, 切换也由目的基站发起。
前向切换要比后向切换快。前向切换的缺点是:很难恢复失败的前向切换, 旧的连接可能丢失, 很难支持加密的连续性, 密钥必须传送到新基站。
2.4 快速切换
无线局域网中的切换技术, 是基于移动IPv6技术的, 快速切换和平滑切换是它的2种切换类型[7,8]。
快速切换指低延时, 它的基本过程是提前注册, 与前一个网络保持通信, 在与新的网络切换还没有完成时, 就可以实现快速切换。快速切换有预先切换, 基于隧道的切换2种机制。
2.5 平滑切换
当移动终端进入到一个新网络, 在没有完成注册、没有发完原先转发的数据包前, 会造成大量的数据包丢失。平滑切换可以有效降低IP数据包丢失率。这种切换方案通过一种缓存机制, 移动终端要求当前子网的路由器先缓存它的数据包, 完成注册后, 缓存的数据包可从刚才的路由器再转发过来。
3 混合网络垂直切换策略
异构无线网络各层网络间的垂直切换, 如图3所示。每个垂直切换判决策略分为2个阶段:识别切换判决准则和选择决策策略实施。切换判决准则包括监控网络条件, 给出一个切换必要性的标志。切换判决准则用来选择最佳网络。切换判决策略主要关注的是切换判决的顺序、切换频率、延迟引起的切换、切换过程中数据包丢失、越区切换后的整体服务质量。切换决策策略可以在各种算法进行设计, 如消耗剩余算法、模式识别算法、模糊逻辑网络算法、上下文感知算法、基于阈值的算法、位置感知算法、多属性算法和基于函数的算法。虽然用多个决策标准和考虑用户偏好, 相应地增加了越区切换策略设计的复杂性, 但是最优性能却是每个切换策略所追求的目标。
各种垂直切换策略的研究表明, 有效的垂直切换算法的设计要面对用户满意度[9]。用户的偏好可能从服务到服务或应用到应用发生变化。每个垂直切换算法的目标都应该满足用户的偏好。
垂直切换算法的主要挑战之一是“如何处理不精确的数据”。模糊逻辑或许是处理不精确的数据的理想选择。虽然多属性决策模型是被证明了的数学模型, 提供精确的输入数据对垂直切换是非常重要的。
另一个影响垂直切换算法的主要参数是语境信息。在垂直切换判决中, 了解用户订阅网络的上下文信息, 移动终端等信息也是非常重要的。
4 结语
异构无线网络是具有互补性的多种网络的融合, 其目的是提供各种高质量的服务。垂直切换是移动终端跨越这些多服务网络中无缝漫游所需的基本特征。垂直切换判决是提供无缝服务的核心问题。在这个决策阶段, 应考虑各种参数, 如作为移动和网络环境下的信息, 用户的偏好和服务质量参数等。
本文对切换进行了分类, 讨论了各种切换策略, 从中可得出, 一个有效的切换决策过程, 先进的分析策略是至关重要的, 充分利用网络资源可以同时提高用户的满意度和成本的有效性。有效切换过程中的2个关键问题是, 估计切换发生时最好的网络和切换时的正确时间。其他需要考虑的重要问题是:谁控制和谁辅助切换过程。切换过程中的信息采集阶段和性能评价框架也是需要处理的关键问题。
摘要：异构无线网络融合和泛在化是未来宽带无线通信发展的必然趋势。文章首先概述了移动性管理;然后对切换进行了分类, 讨论了各种切换策略;最后讨论了混合网络垂直切换策略, 不同网络间的快速无缝切换是未来异构无线网络的一个极大挑战。
关键词：异构无线网络,移动性管理,切换类型,垂直切换
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异构无线传感器网络 篇10
1.1 异构无线融合网络定义
异构指的是两个或两个以上的无线通信系统采用不同的接入技术或采用相同的接入技术而不属于同一个运营商。通过系统的融合将多个系统优势整合, 取长补短, 满足移动通信业务, 用不同类型的网络来为用户提供无线接入, 打破无线接入的时间限制和空间限制, 从而构成异构无线融合网络。
1.2 异构无线融合网络关键技术
异构无线融合网络采用随机组网、移动性管理以及无线资源分层管理等技术实现异构网络的融合, 实现异构网络的协同作用。其中无线资源的协同管理技术至关重要, 包括异构网络协同处理无线信号、传输链路协同等等, 在无线资源管理的各个方面都涉及到协同技术。
对于异构无线融合网络移动性管理来说, 主要通过主机标识的确定来对随机移动终端位置进行查找, 确定移动终端位置之后就能够实现数据的传输或呼叫, 而在数据传输和呼叫的过程中能够有效保证连续的通信。为了能够支持异构无线融合网络环境, 其主要的控制功能有位置管理、切换控制以及控制互操作等, 通过移动管理技术实现网络通信的连续性。
对于异构无线融合网络的无线资源管理来说, 其不仅涉及到频谱资源的管理和分配, 还包括发射功率、信道编码以及连接模式等资源的管理和控制, 相较于传统的无线资源管理模式来说, 异构无线融合网络中的无线资源管理涵盖了所有异构网络的资源控制机制, 包括了多种接入技术, 以此来实现对无线资源的优化使用, 提升系统容量, 从而提高无线资源的利用效率。此外, 在异构无线融合网络中的无线资源管理包括传统管理模式的功能, 其能够有效提升传输效率, 同时能够实现能量的节约。下面就对异构无线融合网络中无线资源管理的关键技术进行具体分析。
2 异构无线融合网络中无线资源管理关键技术
在异构无线融合网络中, 需要将不同层次、不同类型以及相互重叠的各种无线通信网络融合到一起, 形成一个协同工作的异构无线系统。对于异构无线融合网络来说, 其无线资源管理技术一直是无线通信系统研究的重点和热点, 如何合理的管理无线资源实现不同用户业务体验与需求的平衡至关重要。异构无线融合网络中无线资源管理关键技术涉及到的内容十分广泛, 下面进行具体分析。
2.1 呼叫接入选择与控制
在异构无线融合网络中, 呼叫接入选择与控制是无线资源管理的重要组成部分, 以相关准则为依据, 做出允许接入或拒绝接入到达呼叫请求的决定, 从而实现对呼叫接入的选择和控制。其考虑的是在复杂的环境下来尽可能的提升系统利用效率, 从而为客户提供最好的Qo S。在接入选择算法中, 为了能够充分的对异构无线融合网络中集群增益和多接入分集增益进行有效利用, 需要每一个多模终端的应用合理的选择接入。将呼叫接入选择与控制相结合能够构成密切相关的无线资源管理功能。采用集中式算法接入选择则可以将准入控制和接入选择两个过程结合, 采用分布式接入选择的时候, 终端在接入选择过程中无法对选择决策能否被接受进行预测, 如果目标系统拒绝了终端接入请求, 则终端需要重新进行接入选择过程, 这就增加了垂直切换过程延时。
呼叫接入控制可分为以下两种方案, 一种是本地方案, 在接入决策制定过程中仅对本地信息进行使用, 另外一种是协作方案, 在协作接入控制中不仅需要对本地信息进行使用, 同时需要对其他小区信息进行考虑, 有新建呼叫请求及收入的时候, 本地小区会与其他参与控制的小区通信, 构建小区集群, 实现信息转换, 从而实现对不同接入控制方案的确定。
异构无线融合网络中统一分析了各种呼叫溢出技术, 建立了移动模型, 改进了双向溢出呼叫接入控制方式, 不仅考虑了呼叫移动速度, 同时考虑了呼叫对小区的覆盖。从异构网络特点出发, 根据异构小区构建方式及其信息转换方式和使用方式能够设计不同的接入准则, 能够针对分布式和集中式两种接入方案来设计接入选择和控制方案, 这就能够有效提升信道利用效率, 对于阻塞和掉线现象的减少也有着重要意义。
2.2 路由选择与控制
异构无线融合网络根据网络环境变化实现自适应控制, 网络域、协议层以及各个节点的协同能够实现跨网络域、跨节点、跨协议层的业务Qo S路由选择。
如图1所示, 为异构无线mesh路由协议模型, 该路由协议模型包括邻居发现机制、路由度量、信息发布模型以及路由算法等四个子模块, 刻画了无线电的异构性, 通过分层协作实现了对网络拓扑信息的共享, 由此可见, 对节点周围网络环境变化考虑来实现分层控制是路由选择与控制技术的重中之重。
2.3 切换技术
切换技术是无线通信系统中的关键技术, 在异构无线融合网络中, 各个网络的移动称为垂直移动, 垂直切换是实现无缝垂直移动的关键, 指的是移动终端接入点改变过程中保持用户通信持续性的技术。
异构无线融合网络能够实现业务Qo S切换, 利用层间呼叫溢出技术, 以保护信道、信道侵占以及队列缓冲为基础制定切换策略。在快速和慢速实时切换业务中, 这种切换策略能够有效降低掉线率, 而对于非实时业务来说, 这种切换策略也能够有效保证切换性能。
切换技术对层间写作设计垂直切换算法充分利用, 在有效降低组分丢失率的基础上, 降低了切换次数, 避免“乒乓效应”的出现, 对于切换呼叫阻塞率的降低和切换性能的改善有着重要的作用。
2.4 流量均衡技术
当小区出现负载过重的情况时, 流量均衡技术会发挥作用, 能够将异构多模终端用户向流量较轻的重叠覆盖异构小区中进行转移, 这就会空出一些无线资源, 而其他的呼叫则可以使用这些资源, 实现了资源的合理配置, 降低了呼叫阻塞率, 提升了异构无线融合网络系统的利用效率。
流量均衡技术以业务选择为基础, 采用非周期性流量控制机制, 提出了三种流量均衡算法, 从而建立小区逗留时间模型。三种算法分别是以逗留时间为基础的流量均衡算法、以逗留时间为基础的动态流量均衡算法以及以逗留时间和业务为基础的动态流量均衡算法。为了进一步提升小区系统信道利用效率, 采用混合动态流量均衡算法, 此算法以流量转移技术和信道借用技术为基础, 能够有效降低小区呼叫阻塞率和呼叫切换的掉线率。
2.5 速率与功率控制
在异构无线融合网络中, 无线资源管理的重要目标就是降低整个系统的发射功率、提升网络传输速率。在异构网络传输中, 传输技术与终端发射功率有着差异性, 这种差异性是导致信道容量存在差异的重要原因, 如果信道容量较低, 则会降低整个协作传输的信道容量, 信道容量降低之后, 会对整个传输过程产生限制作用, 终端节点发射功率的增加并不会对传输速率产生提升作用, 传输速率不会增加, 而终端节点发射功率增加会大大提升整个分布式系统传输的总功率, 因此, 对于异构无线融合网络来说, 如何根据实际情况进行异构分布式传输功率、速率、资源的自适应调整和调度是至关重要的。
在异构分布式网络中, 中继节点功率控制和传输速率控制存在着一定的问题, 因此可以制定速率和公路的匹配和控制算法, 制定多模接口的融合方案, 通过对功率的有效控制能够提升中继站传输的速率, 这就有效节约了整个异构无线融合网络系统的能耗, 从而提升无线中继网络的性能。
对于异构无线融合网络的融合和互联来说, 主要通过融合机制来完成, 通过无线中继技术和协同通信的融合来实现异构无线网络的融合。在融合的过程中, 为了提升协同容量, 采用协同功率分配优化模型, 利用协同功率分配算法来对发射功率进行合理设置, 这就能够保证第一跳和第二跳链路传输速率的匹配性, 从而实现异构无线融合网络系统性能的优化。
为了提神异构无线融合网络容量, 还可以使用各种写作速率分配与控制方案。对于多信道和多跳异构无线融合网络来说, 其视频流资源的分配和管理可以通过建模为凸优化, 以完全分布式接入为基础, 对路由资源调度、速率分配等无线资源调度机制进行设计, 实现每一流在最小化网络拥塞和最小化视频失真之间的平衡, 从而有效避免视频资源失真。
2.6 干扰协调技术
对现存的网络拓扑结构进行一定的改进和改变, 将大量低功率蜂窝基站布放到宏蜂窝网络层中, 以无线电认知技术和频谱感知技术为基础, 能够实现系统频谱资源的有效利用, 这就提升了频谱资源的利用效率, 但需要注意的是, 此种提升频谱资源利用率的方案是建立在对网络拓扑结构改变基础上的, 新节点的引入必然会对原有结构改变, 这就会产生小区间的干扰, 因此, 在频谱资源管理方案中如何消除干扰或协调干扰至关重要。
针对异构无线融合网络中干扰协调的问题, 主要的解决方法有频分复用法、子载波分配方法、波束成形法和功率控制方法等。
2.7 协同无线资源管理技术
协同无线资源管理技术以某种核心管理模块为基础, 这种管理模块能够对异构无线融合网络中的无线资源实现协同管理, 原本在各个系统中分散的独立无线资源能够在协同管理下实现共享, 这就有效平衡了各个系统之间的载荷, 从而实现无线资源的集群增益。
放大重传中继节点和解码重传中继节点能够构成中继系统, 这种中继系统是异构形式的, 大量的异构中继节点能够协同进行传输, 而目的节点则能够实现大量异构中继节点信号的同时接收。在此方案中, 采用联合编码和选择性传输技术, 节点增加的过程中能够有效体现集群增益。
此外, 还可以采用异构无线融合网络通信机制, 在此通信机制中, 第二跳链路是否采用时间分集方案过程中, 中断概率、中继节点数量以及信道增益和标称功率之间存在着一定的关系。
除了能够产生集群增益之外, 如果对多模终端传输效率及在不同无线接入系统中的表现进行考虑, 就能够将多模终端中的应用适时与无线接入系统连接, 这样就能够产生多接入的分级容量增益。将集群增益与分级容量增益进行比较, 两种增益效应有着一定的区别。对于集群增益来说, 无论在异构无线融合网络还是在独立无线接入系统, 只要能够实现无线资源共享就能够产生集群增益, 并且能够均衡业务荷载, 而对于分级容量增益来说, 其只适用于异构无线融合网络, 且其增益效果与无线接入系统之间的差异性相关, 差异性越大, 则产生的分级容量增益效果越明显。
3 结论
综上所述, 在异构无线融合网络的发展过程中, 容量及能效问题、性能问题的解决是关键, 这就需要对异构无线融合网络中的无线资源进行有效的管理和配置。通过上文中的分析可知, 异构无线融合网络无线资源管理的关键技术主要有呼叫接入选择与控制技术、切换技术、功率与速率控制技术、干扰协调技术以及协同技术等, 在所有的技术中, 协同管理至关重要。
摘要：异构无线融合网络并不是多种无线接入技术的叠加, 各个网络之间资源形式和管理机制各不相同, 如何有效的管理无线资源, 提升异构无线融合网络中无线资源的利用效率至关重要。基于以上, 本文从异构无线融合网络概述入手, 探讨了其无线资源管理的关键技术。
关键词：异构,无线融合网络,无线资源,管理
参考文献
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异构无线传感器网络 篇11
【关键词】无线传感网络；智能电网；通信
引言
无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）将传统的传感器信息获取技术从独立的单一化模式向集成化、微型化、网络化、智能化的方向发展，成为近年来IT 领域重要的研究热点。无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，能够协作地感知和采集网络分布区域内监测对象的信息，并传送给观测者。作为沟通客观物理世界和主观感知世界的载体与桥梁，无线传感器网络提供了一种与以往不同的信息获取和处理技术，是信息感知和采集的一场革命。无线传感器网络凭借其自身的技术特点， 可以被广泛地应用于国防军事、环境监测、城市管理、医疗卫生、工业控制、反恐抗灾等诸多领域。在电力系统自动化领域，已有研究把无线传感器网络应用于远程抄表、负荷预测、变电站自动化、配电网继电保护、配电线路故障定位、输电线路实时监测与预警等方面。这些应用有效地监测了电力系统运行状态，提高了电力系统的运行效率，使得无线传感器网络成为电能生产、传输、分配、消费环节的有益补充。
当前，关于智能电网的文献层出不穷，多集中在智能电网概念、发展历程、体系结构等方面，关于具体实现技术的研究报道很少。要实现智能电网的开放、互动的目标，必须具备一个可靠、高效的通信网络。智能电网的功能覆盖电能传输的各个环节，数据在发电、输电、配电和用户等不同主体及各类应用系统之间的传递必须依靠通信载体。常见的通信载体包括铜芯线、光纤、电力线通信、无线通信等，它们在不同的应用环境下具有各自的优势。
本文将针对智能电网不同应用领域的具体情况，探讨WSN在智能电网中的具体应用，旨在为建设智能电网的通信网络提供一种新的思路。
一、WSN的网络简述
WSN通常是指由一组带有嵌入式处理器、传感器以及无线收发装置的节点以自组织的方式构成的无线网络，通过节点间的协同工作来采集和处理网络覆盖区域中的目标信息。
在这种架构中，传感器节点部署在一个目标区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点测得的信息通过多跳的方式传送到汇聚节点，通过汇聚点连入Internet 或卫星，最后接入任务管理节点。传感器节点是一个具有测量能力、处理能力、存储能力、通信能力的嵌入式系统，兼顾传统网络节点终端和路由的双重功能，不仅进行信息的收集与处理，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合。汇聚节点是拥有较强通信能力、计算能力和丰富资源的系统，它连接传感器网络与Internet 等外部网络，实现两种通信协议之间的转换，负责将管理节点的监控任务下发，并将收集到的数据转发至外部网络，它可以是一个增强功能的传感器节点，也可以是一个没有监测功能的专用网关设备。任务管理节点具有人机界面，可以进行干预、遥控和管理。
二、WSN在输电线路监测中的应用
输电线路监测系统主要采集输电线路的运行环境数据和线路铁塔的运行环境数据等，包括线路温度、湿度、污秽、覆冰、风偏、山火、雷击，铁塔环境温度、应力状况等，并在多信息集成和融合条件下实现线路故障监测及管理，为数字化线路奠定基础。国家电力建设研究所目前已将Crossbow公司开发的无线传感器网络节点部署在高压输电线上，传感器网络网关固定在高压输电塔上，用于监测大跨据输电线路的应力、温度和震动等参数。此外，带有视频采集功能的无线传感器网络节点可以采集现场图像，用于进行灾害预警，实现全网可视化。
三、WSN在设备状态检修中的应用
造成电力行业资产运行维护和管理水平偏低的主要原因之一是设备检修模式滞后。目前，设备检修普遍采用的是一种定期检修策略，多年的生产实践证明，这一策略存在着严重缺陷，如检修不足和检修过剩。因此，设备检修要积极向状态检修过渡，提高资产运行维护和管理水平。IBM 全球企业咨询服务部制定的智能电网白皮书认为，电力行业提高资产运维和管理水平的关键技术是设计一个远程资产监视和控制(remote asset monitoring andcontrol)系统。远程资产监视和控制系统通过传感装置检测到电力设备状态数据，根据检测数据对设备状态进行评估，判断可能出现的故障(比如，通过对变压器油温、油色谱的监测，判断是否出现绝缘裂化)，并提示运行维护人员设备可能存在的不安全因素，依据设备状态，帮助运行维护人员优化设备检修和设备更换时机，减少维修成本和停电时间。
四、WSN 在电力系统故障定位中的应用
自愈是智能电网的主要特征之一，当故障发生时，在没有或少量人工干预下，能够快速隔离故障、自我恢复，避免大面积停电的发生。及时发现故障点并清除故障是构建自愈型智能电网的重要前提。芬兰Helsinki大学电力系统与高压工程实验室的Mikael M. Nordman 博士提出利用在开关站或二级变电站的分支线路上布置能够检测相电流的传感器节点，将传感器节点采集到的相电流信息通过多跳路由的方式发送给网络控制中心，网络控制中心通过比较各节点之间的相电流信息确定故障的位置。该方法能在单相接地后故障信号较弱的情况下有效地定位故障。该定位方法的精度取决于节点的布置密度，节点布置得越多，节点间距离越短，精度越高。
结论
本文对无线传感器网络在智能电网中的应用进行了研究，并分析了需要解决的主要技术问题。从无线传感器网络在电力系统中的研究现状看，已经取得了一定的研究成果，但还没有在大规模实际应用中检验。本文就WSN在智能电网中的一些实际应用业务进行了初步探讨。相信随着智能电网建设的推进，WSN 将具有更加广阔的应用舞台。针对实际应用情况，WSN中诸如拓扑控制、能量管理、路由算法、网络安全等关键技术问题，将随着智能电网建设的深入而逐步得到解决。
参考文献：
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异构无线网络成本效益分析研究 篇12
无线通信技术迅猛发展, 出现了蜂窝网络、Ad hoc网络、无线局域网、无线Mesh网、无线传感器网和3G移动通信网络等多种类型的网络, 对网络的建设和使用带来了广阔的研究领域和新的技术挑战, 多种类型网络融合构成的异构无线网络逐渐成为发展趋势。异构无线网络的性能优于单一网络, 有利于改善系统容量问题, 降低系统设备的部署成本。如何构建异构无线网络, 满足用户的数据传输需求, 在提供带宽、延时等网络性能保证的同时, 使网络设备的总代价最小, 是网络规划和建设中的关键问题。
同时, 在高速发展的移动业务和日益竞争激烈的环境下, 移动运营商面临着许多方面的问题, 比如, 能耗的增加、建设和运维成本的不断增长、频谱资源的缺乏、业务流量的快速上涨等。为了能够解决这些问题同时又追求未来业务的可持续增长, 根据已有的网络条件和各方面技术进步的趋势, 在现有的无线接入网络 (RAN) 中融合云计算的设想, 提出了面向绿色的新型无线接入网构架Cloud-Radio Access Network (C-RAN) [1]。
目前, 业界对C-RAN的量化研究还集中在生产量和节能方面的提升上, 对C-RAN在部署成本方面的限制方面的研究很少, 而这个限制在部署C-RAN的时候却是十分重要的[2]。
鉴于此, 本文通过建立计算网络部署成本的理论构架和提供处理成本信息和它对基站强度的依赖性的复杂度模型对对C-RAN分和布实现的LTE异构网络部署成本进行了比较分析, 这将对发展下一代高性能、低成本接入网络具有重要意义。
二、系统架构
1.Layer0:用户层, 由齐次泊松分布表示:Φ0∈R2, λ0>0
2.layer1:基站层, 由集群平稳泊松过程表示。Φ2∈R2包含两个部分:群中心表示宏基站, 群成员表示微基站。
群中心由平稳泊松分布模拟Φ1C∈R2, λ1C>0,
群成员由非齐次泊松分布表示
f (.) 是一个连续密度函数, 显示群成员是怎样分散在群中心周边的。
3.layer2:包含光纤和微波回程节点, 用一个平稳的混合泊松方程模拟与一个随机的两点分布函数:
P是微波回程的概率, 1-p是光纤回程的概率, 所以
4.layer3:最高层 (中心数据层) 与上述相同Φ3∈R2, λ3>0
三、系统部署成本模型
典型的服务供应商所产生的部署成本可以被广泛的归类为设备成本、生产能力成本和基础设施成本。
1、设备成本表示在i层部署设备的花费。
, l ayer0为用户层, C0表示供应商的花销, 用户层的产品都由用户自己购买, 所以供应商不用花钱。
为部署一个基站集群的设备成本, 该基站集群包括一个宏基站和一个λ1m微基站。
为回程节点上的设备成本, 它是C2MW和C2OF的线性组合, C2MW和C2OF分别是微波回程设备和光纤回程设备的设备成本。
和分别是宏基站和微基站的设备成本。注意, C1是部署单一集群的城堡, 它包括一个亲本 (宏基站) 和一个λ1m群成员 (微基站) 的平均数。因此, 整个基站层的成
C3为数据中心层的设备成本。注意到C3只有在应用C-RAN时不为0, 在DRAN情况下。
2、基本容量成本
由于我们模型中所有的点处理都是固定的, 为了使计算简单, 将高层上的一个点的初始点定为o。则, 生产能力成本为将i层的x点连接到i+1层的o点所需要的容量需求。这项成本用Ai, i+1g (‖x‖) , Ai, i+1>0是能提供某一容量 (或数据速率) 的基础成本, g (‖x‖) 是‖x‖的函数, ‖x‖定义了基础费用与距离的关系, 为了简单起见, 并且包含所有可能的多项成本的增加速率, g (‖x‖) 可以定义为幂函数形式, 即g (‖x‖) =‖x‖βi, i+1, 该公式中‖x‖为点0∈Φi+1和x∈Φi点的距离。βi, i+1≥0成本增长的指数基数。比如, 设βi, i+1=1, Ai, i+1g (‖x‖) =Ai, i+1‖x‖则, 这表明生产成本与距离成线性增长。注意到基本成产成本Ai, i+1包含很多不同的部分, 比如连通成本等。
3、基础设施成本
基础设备成本被定义为确定i层的点x与i+1层的点o是的关联性的成本。它被定义为, 在数量级上与Ai, i+1类似 (定义为一个特定安装类型的基本花销) 。h (‖x‖) 是两点之间距离‖x‖的函数。为了计算简单, 定义, 表示随着距离的基础设施基本花销的增长速度。
4、数据处理模型
本段中的分析是将通过操作通讯基础设施所需要成本, 与用多种回程处理C-RAN系统中的信息所需要的成本联系起来。这项关于成本的建模旨在研究网络部署成本上的信息处理效益。通讯基础设备跨越了多个层, 由基站层和回程层所组成。另外, 数据中心层也能处理所有的流入和流出传输。这项处理要求丰富的计算资源, 这些计算资源决定于移动网络的参数化和操作制度。
C-RAN系统的支出主要集中在数据中心层。如果数据中心提供的计算资源太少, 就会产生计算停止。在这种情况下, 尽管通道质量满足要求, 传输也无法被成功译码。相反, 如果这个系统供应过量, 它在大多数情况下都不会被充分利用, 这就降低了集中化系统的经济效益。
四、计算部署成本
4.1系统部署总成本模型如下:
在一个密集的城市环境下, 路径损耗大约为4, 也就是说, 【27】中的数据表明纤维回程的容量成本与距离之间呈线性相关, 也就是说, 距离越远, 所需要的容量就越大, 成本就越高, 。
五、计算结果分析
A、总成本与数据中心强度λ3的关系
图2是根据的得到的, 其他参数不变, 将不同的带入则可得到结果。
上图表示部署C-RAN数据中心的部署成本要比DRAN中部署大强度的数据中心的部署成本要低。因此, C-RAN使得集中化资源的利用更充分。
B、总成本与α之间的关系
图3说明观察到当C-RAN基站设备成本与DRAN基站设备成本接近时, 部署成本会增加。
C、部署成本与用户强度λ0之间的关系
图4可以观察到C-RAN网络的部署成本和成本效益随着λ0的增加而增加。
D、表示部署成本与p的关系
图5表示当微波回程和纤维回程都存在 (0<p<1) 的部署方式下部署成本是较低的。
六、结论
本文分析了基于C-RAN的异构网络和分布实现的LTE异构网络的成本效益。本文设计了一个能够计算网络部署成本的理论构架和提供处理成本信息和它对基站强度的依赖性的复杂度模型。基于此, 再辅以其他一些基础成本, 最终计算、分析、比较分散式异构LTE网络与基于C-RAN异构网络的部署成本。最终得出如下结论:1、基于C-RAN的异构网络的成本要比标准的LTE部署成本低, 具有更高的成本效益;2、运用混合回程技术的部署方案要比用单一回程部署的方案更具有经济效益3、微基站围绕宏基站的分布范围对C-RAN网络的部署成本影响很大。
摘要：本文基于用户、基站 (包括宏观和微观) 、回程 (包括微波和光纤) 、数据中心考虑, 采用多个空间点流程分析C-RAN系统的部署成本。本文先基于网络总部署成本得出平均部署单个数据中心成本公式, 然后使用能通过流量需求和解码器质量定位数据中心的数据处理模型为平均部署单个数据中心成本公式提供其所需参数, 最终发现C-RAN比DRAN更有成本效益。
关键词：无线网
参考文献
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