无线传感网安全性分析（共7篇）
无线传感网安全性分析 篇1
摘要：针对现有无线传感网络研究中缺乏统筹能量意识、安全机制等网络性能的问题,提出一种GPSR-EDM策略。该策略基于能量意识和安全机制,并在传统节能安全策略上增加了一种量化均衡的概念,致力于在节能和安全之间寻找平衡点,以达到信息传输最优化的目的。该策略以节点剩余能量和下一跳的距离为选择主路径的标准,同时加入监督节点形成监督路径(副路径),并在数据传输时引入选择唤醒和休眠机制。其中,主路径主要担负数据传输的任务,而副路径具有路由保护和数据传输的作用。仿真实验结果表明,该策略在统筹节能和安全等网络性能方面较GPSR有明显优势。
关键词：无线传感网,监督节点,量化均衡,主路径,副路径,GPSR-EDM
目前,无线传感网(WSN)的发展日趋完善,其相关研究领域逐渐多元化,比较热门的有能量感知、安全策略、协作传输、跨层优化等。文献[1]提出了能量动态调整路由的方法,减轻了GPSR容易形成热点路由的缺陷,但很少考虑到数据传输安全的问题。文献[2]建立了高效数据传输机制,减少了传输成本,但是仅仅从数据分配结构考虑节能。文献[3]比较全面地考虑到节能安全,并满足协作传输的实时需求,但只是从调度方面去考虑节能安全,缺乏对剩余能量和距离的考虑。文献[4]建立节点唤醒和休眠机制来减少能量的损耗,但是缺乏对数据延迟因素的考虑,不利于数据的实时性传输。
从以上的分析中可以看出,在试图改善WSN性能的方法中,缺少统筹考察多项性能的优化方法。本文将在综合考虑节点剩余能量和下一跳距离等要素下寻找下一跳节点、监督节点及选择性的休眠唤醒[5]节点,确保信息安全传输,并通过主副路径[6]的协作确保信息的实时性传输。
1 系统模型
1.1 路由节点的选择
本文的建模采用平面静态网络结构,在初始阶段,节点广播自己的位置、剩余能量,每个节点由此记录下与自己最近的6个节点作为可能的下一跳节点[7],并在6个节点中筛选出3个(在S两侧的概率是1/2)离目的节点最近的节点,确保路由不会往相反方向传递。如下图1所示,源节点S选择最近的6个节点,然后依据目的节点P的距离选择3个候选节点,候选节点里有S的下一跳和S的监测节点。从S,P和目的节点的位置容易看出该路由距离最短,即S不会向远离P的方向传递信息,这样符合GPSR路由的理念,又避免形成热点路由,对节点能耗起到动态控制作用。
1.2 路由的形成
按照上述节点的选择方法,通过初始化阶段的选择,形成主路径和副路径。如图2所示。
图2中,S为源节点,P为目的节点,G为监督节点,G1为n1的监督节点,从S到P的实线部分为主路径,下面的虚线部分属于副路径。本文对比GPSR算法,加入能量(Energy)、距离(Distance)、监督(Monitoring)概念,故命名为GPSR-EDM。
1.3 传输模式
当源节点需要发送信息时,首先发送唤醒信息包给它最近的2个节点(在距离目的节点最近的3个中选择),剩余能量最大的节点为S的下一跳n1,另一个为S的监督节点G0。当n1,G0被唤醒并核实S信息后,S开始传递信息给n1,n1接收完成后参照S操作机制继续传输。监督节点记录唤醒时间以及对数据的缓存传输。当整个路由传递结束后,终端节点向上反馈剩余能量,每个节点记录本节点最近节点的最新剩余能量。一旦主路径发生拥塞或断路现象,副路径承担信息缓存及传递信息的任务,如图3所示。
2 算法分析
2.1 路由节点选择算法
通过对能量和距离[8]的选择,并对两参数加以量化考察,避免了热点路由损耗过快,从而达到能量均衡消耗[9]的目的。根据数据传输损耗公式[10]
ETx(l)=l·Eelec+lεfsd2,ERx(l)=Eelec·l (1)
假设节点剩余能量为Pi,为保证信息有效传输,Pi应大于发送时消耗能量。考虑到Pi大于发送者消耗能量的选择需要有个下限,本文设定Pi下限大于待选节点剩余能量均值,即满足约束关系
在1.1节所叙述的初始化阶段筛选出的节点数目为3,故此处n=3。推导如下:
从以上推导可知:mi与节点剩余能量和距离相关,可以用来表示剩余能量和距离之间的量化关系。
在此基础上,本研究采用主流节能策略,对节点采用休眠唤醒机制,在传输过程中加入的监督节点不会占用大量能量,因为主路径负责主要的数据传输,不会因为监督节点的唤醒而造成不必要的能源浪费,反而在安全传输方面起到了重要作用,而且保证了链路的完整性。
2.2 监督节点作用
在传输率不变的情况下,可以通过增加路径来减轻主路径的负担,进而加快数据的传输,确保传输的实时性。此外由于外部环境的干扰,路由有断裂的可能。监督节点链就可以担当起路由的作用,保证信息的安全传输,如图3所示。
本文在监督节点中设立一个时间门限,记录信息包进入时间和传出时间,通过时间的分析对比可以查证有没有伪造的信息进入或者有复制的迹象。如果有恶意节点延迟传输,信息传递时间则不会与时间门限相吻合。若恶意节点引导信息传递,则原路径下一跳将被跳过,由于监督节点没有相应的时间记录,可以断定信息已丢失。此外,由于监督节点有缓存转发作用,间接保证了信息的完整性和实时性。
3 仿真及结果分析
本文采用MATLAB仿真环境,结合GPSR算法,仿真参数选择如表1所示。
路由一旦发生拥塞,网络稳定性将下降,丢包率随之上升。由于本文提出的算法中加入了副路径,副路径的缓存转发功能,减轻了主路径的负担,利用多路径传输的优势加强了网络的鲁棒性,理论上降低了丢包率。图4验证了以上构想,GPSR由于剩余能量和环境等因素,丢包率快速上升,而本文方法下的丢包率上升平缓,保证了安全传输,达到了预期效果。
由于本文加入了选择性休眠唤醒机制,在信息传递之前需要发送唤醒信息包,会存在一定的延迟,但由于副路径的加入形成了多路径传播模式,加快了信息的传递,延迟将减小。综合以上因素,通过图5的仿真结果,本文算法下的延迟会比GPSR的大,但延迟上升率相近,平均相差0.07 s,在可接受范围之内。
GPSR的路径选择是以距离最近为原则的,容易形成热点路由,剩余能量相差很大。而本文采用动态选择机制,加入休眠唤醒机制,在能量消耗上是均衡的,节点能量利用率相比GPSR较高。从仿真图6可以看出上述分析基本符合,而且在200 s以后比GPSR优势更加明显。
4 结束语
本文在研究GPSR路由的基础上,充分考虑能量均衡消耗及信息传输安全,加入监督节点及休眠唤醒机制,提出一种GPSR-EDM策略,提升了GPSR路由的性能(基于距离选择)。从仿真结果可以看出,本文提出的策略在降低系统功耗和保证信息传递完整性方面具有很大的优势,但在网络传输延迟方面略显不足。本研究下一步将针对该策略在传输延迟方面的不足进行改进,以期达到更好的传输效果。
参考文献
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无线传感网数据聚集技术分析 篇2
1 无线传感网数据聚集技术及其分类
通常情况下, 一个无线传感器网络中都要部署大量的传感器节点, 节点对环境进行感测并把数据传送到汇聚节点, 在汇聚节点中对数据进行融合。如果在数据到达汇聚节点之前进行融合, 就可以大大减少网络中传送的数据包的数量, 有利于节约传感节点的能量消耗。这种技术被称为数据聚集技术。Elena Fosolo等人[1]这样定义数据聚集技术:“数据聚集是指在一个多跳的网络中, 采集并路由数据的过程, 其中的数据处理由中间节点进行, 目的在于减少资源的消耗 (尤其是能量) , 从而延长网络的生命周期”。
数据聚集技术在很大程度上受网络拓扑结构的影响。因此, 可以按网络结构的类型把数据聚集技术分成平面型与层次型两大类, 如图1所示。层次型数据聚集技术又可以进一步分成基于簇、基于链、基于树、基于网格等类型。
2 平面型数据聚集技术
在平面网络中, 每一个传感节点在网络中的作用是相同的, 数据聚集是由以数据为中心的路由完成的。汇聚节点以某种路由协议向传感节点发出一个查询消息, 拥有与该查询相匹配数据的节点就把响应消息发送回汇聚节点。
常见的平面型路由协议有:
泛洪协议Flooding和Gossiping协议;
信息协商传感协议SPIN;
定向扩散协议Directed Diffusion;
谣传路由Rumor routing;
基于梯度的路由Gradient-Based Routing。
平面型数据聚集技术对汇聚节点的通信与运算负担导致能量的过快消耗。一旦汇聚节点能量耗尽而死亡, 传感网络的功能就遭到破坏。平面型数据聚集技术只适用于小型网络。
为提高网络的规模性和能量有效性, 人们提出了各种层次型的数据聚集技术。
3 层次性数据汇聚技术
3.1 基于簇的数据汇聚技术
在这种层次型网络中, 网络节点被划分为簇, 每个簇都有一个特殊的节点称为簇首, 簇首节点负责聚集本簇节点的数据并把数据发送到汇聚节点, 这里介绍3种基于簇的数据汇聚协议:
1) LEACH (Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy)
LEACH[2]协议是第一个基于簇的数据汇聚协议, LEACH在运行过程中不断的执行簇的重构过程, 每个簇的重构过程可以用回合来描述, 每个回合可以分成两个阶段, 簇的建立阶段和传输数据的稳定阶段。在簇建立阶段, 进行簇的划分和簇首的挑选。选出的簇首向所有节点广播自己成为簇首的消息, 其他节点根据收到的消息强度决定加入哪个簇, 并告知相应的簇首, 完成簇的建立过程。
在稳定阶段, 传感器节点将数据传送到簇首节点, 簇首对采集的数据进行数据融合后再将消息传送到汇聚节点。
稳定阶段持续一段时间后, 网络将重新进入簇的建立阶段, 进行下一轮的簇的重建, 如此不断循环。
2) CAG (Clustered Aggregation Technique)
CAG[3]根据用户查询误差阈值和节点数据的空间相关性进行分簇, 从而减少传送的数据量, 满足查询的精度要求。CAG以两种模式工作:交互模式和流模式。在交互模式下, CAG对每一个查询产生一个响应;在流模式下, 对一个查询CAG生成周期性的响应。CAG的交互模式只是利用了数据的空间相关性, 数据传送的路径与查询传播的路径正好相反。在交互模式下, 每次用户需要新的数据都需要广播一个查询。
在流模式下, CAG同时利用了数据的空间相关性和时间相关性, 在流模式下只要把查询一次性注入到网络中, CAG会每隔设定的时间间隔就产生一次对该查询的响应。
3) EECDA (Energy Efficient Clustering and Data Aggregation)
EECDA[4]结合了基于簇的能量有效性的路由和数据聚集功能, 以增强网络的寿命和稳定性, 它主要用于异构的无线传感器网路。EECDA平衡了能量的消耗, 延长了网络生命周期, 与LEACH相比, 它使网络生命周期延长了51%。
3.2 基于链的数据聚集技术
在基于簇的网络中, 如果簇首节点离汇聚节点较远, 则与汇聚节点的通信会消耗更多的能量, 而在基于链的数据聚集技术中, 数据只传送给最近的邻居节点。
1) PEGASIS (Power Efficient GAthering in Sensor Information System)
PEGASIS[5]是对LEACH协议的改进, 在PEGASIS中没有簇的建立与簇首节点的选取, 每个节点用信号强度来判断到其邻居节点的距离, 然后调节自己发送信号的强度, 使只有最临近的节点才能接受到信号, 采集到的数据以点对点的方式传递、融合并最终被送到汇聚结点。传感节点与汇聚结点的通信是轮流进行的, 从而使能量消耗均衡分布在每个节点上。
2) COSEN (Chain Oriented Sensor Network for Efficient Data Collection)
COSEN[6]是基于链的两层结构的路由方案。与PEGASIS相比, 它减少了传送延迟和能量消耗。它将传感器节点按地理位置划分为多个低层的链, 对每一个低层链, 具有最多剩余能量的节点被选作链首。高层的链及其链首在低层链的基础上形成, 在数据通信时, 所有的普通节点与PEGASIS中的节点一样传送融合的数据, 通过低层链首和高层链首把数据发送到汇聚节点。COSEN引入了冗余的传送路程, 特别是在最靠近汇聚节点的地方。
3) Enhanced PEGASIS
该方法将整个传感网区域以汇聚节点为中心分成多个同心扇环, 对每个同心扇环, 用基于PEGASIS的贪心算法建立一个节点链。在数据通信时普通节点与PEGASIS中一样传送数据, 然后从最外层的扇环向内层的扇环, 进行一个多跳的, 链首对链首的数据传输过程。
3.3 基于树的数据聚集技术
在基于树的数据聚集技术中, 节点以树状结构进行组织, 汇聚结点就是树的根节点, 其他节点把数据聚集并传送到根节点, 能量有效的树的构建是这类技术的关键。
1) TREEPSI (Tree-based Efficient Protocol for Sensor Information)
在传送数据之前, 首先在所有节点中选择根节点, 并构建树。构建树的方法有两种, 第一种方法是由汇聚节点, 计算出路径, 并广播到全网络;第二种方法是在每个节点内建一个算法, 所有节点分布式构建相同的树。
在初始阶段, 根节点使用标准的树遍历算法向其子节点发送控制包来建立数据收集过程。在数据传输阶段, 所有的叶节点传送数据到它们的父节点, 父节点收到数据后与它们自己的数据融合后再发送到它们的父节点, 这一过程不断重复直到根节点收到数据。最后由根节点直接发送到汇聚节点。路径建立后可进行多轮的通信, 直到根节点耗尽能量死亡, 再构建一个新的树状路径。
2) TCDGP (Tree-Clustered Data Gathering Protocol)
TCDGP[8]协议结合了簇与树两种结构, 它把数据采集的过程分成三个阶段:第一阶段, 建立簇的阶段;第二阶段构建基于簇的树;第三阶段数据聚集阶段。
第一阶段, 由汇聚结点建立簇并选择簇首。汇聚节点按照节点的位置选取簇首, 簇首必须位于一个簇的中心位置。第二阶段以各个簇首为根节点在簇内构建最小生成树。
在数据聚集阶段, 节点传送数据到高层的节点, 高层的节点对数据融合后发送到更高层的节点, 这一过程反复进行直到数据聚集到根节点。
3.4 基于网格的数据聚集技术
在基于网格的数据聚集技术中, 每个网格中数据聚集节点是固定的, 它负责收集网格中所有节点的数据, 而网格中的传感节点之间并不相互通信, 网格中的任一个传感节点都可以轮流充当数据聚集节点, 直到最后一个节点死亡为止, 这种技术尤其适用于军事监控和气象预测等。
1) GROUP
GROUP[9]协议是一种能量有效的基于簇的路由协议, 节点被分成多个的簇, 每个簇选出一个节点作为簇首, 所有的簇首组成一个虚拟的簇网格。汇聚节点发出的查询经由簇首传送到每个节点, 节点中与查询相匹配的数据再通过簇首路由回汇聚节点。
GROUP动态地选择簇首, 数据的传送包括三个过程:簇网格的构建过程、查询的传递和数据的传递。
簇网格构造阶段, 在网络中的所有的汇聚节点中选择一个汇聚节点作为主汇聚节点, 由主汇聚节点根据节点的位置初始化簇网格的构建, 主汇聚节点比其他汇聚节点更靠近网络的中心, 从而保证在最短的时间内构建网格。
查询传送阶段, 查询分别通过有限广播和单播传送, 汇聚节点发送两类查询:位置感知的查询、位置不知的查询。位置不知的查询由汇聚节点发送至邻近的簇首节点。位置感知的查询发送到离目的区域最近的下游簇首。
在数据传输阶段, 传感节点从簇首接收到查询后, 检查收集的数据, 如果数据与查询相匹配, 就发送到簇首, 数据由簇首逐级传递到它的上游簇首, 直到抵达发出查询的汇聚节点为止。在GROUP中, 数据聚集由簇首承担, 以减少数据传输量。
2) ATCBG (Aggregation Tree Construction Based On Grid)
ATCBG在GROUP基础上有所改进。在ATCBG中, 以汇聚节点为网格的中心来构建聚集树。整个网络划分成网格, 每个网格就是一个簇, 簇首节点的选取是综合考虑节点的剩余能量、到网格中心的距离等因素来确定。数据的聚集由簇首承担, 所有的簇首节点构成树状结构。汇聚节点初始化聚集树的构建。
由于簇首节点接收与融合数据, 消耗的能量较多, 必须定期更换。当簇首节点的剩余能量低于阈值时, 它会发出更换簇首的消息。
在数据传输时, 传感节点首先把收集的数据发送到簇首节点, 簇首把从簇成员节点, 以及子节点处收到的数据进行融合后, 发送到它的父节点, 这一过程不断进行, 直到数据传递到汇聚节点。
4 结束语
数据聚集技术通过减少无线传感网络中传输的数据量, 提高了网络的能效, 延长了网络的生命周期。数据聚集技术与网络结构密切相关, 文章基于网络的拓扑结构, 分析了无线传感网中的数据聚集技术。这些技术关注于提高网络性能, 如数据延迟、数据精度、能量消耗等。目前这些工作主要集中在数据聚集的路由机制方面, 而对异构性以及诸如单跳、多跳等通信模式对数据聚集的影响等方面的研究还不够多。这些将是今后研究的方向之一。此外, 与数据聚集相关的安全性, 数据延迟等方面还有很多的工作值得进一步的研究。
摘要：无线传感网通常包含大量的低成本传感器节点, 传感节点的感测、能量、计算、通信能力都受到严格限制。重要的是最小化网络中的数据传输量, 从而延长网络生命周期, 提高信道利用率。数据聚集技术被认为是一种有效的方法, 它能减少数据传输量, 降低能量消耗。文章基于网络拓扑结构分析了主要的数据聚集技术, 并基于目前的研究提出了今后的研究方向。
关键词：无线传感网,数据聚集,能量有效
参考文献
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无线传感网安全性分析 篇3
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:
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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
[1]R¨OMER K,MATTERN F,ZURICH E.The Design Space of Wireless Sensor Networks[J].IEEE Wireless Communications,2004,11(6):54-61.
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无线传感网安全性分析 篇4
无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSNs)是由有无线通信能力、感知能力和处理能力的微型传感器节点组成,它们自组织成网络,并且节点之间以多跳的方式进行通信[1]。
无线传感器网络中大多数能量有效方法都是基于C/S计算模式[2]。C/S计算模式的每个节点都将感知数据发送给sink节点进行处理。由于WSNs动态变化的拓扑结构,无法保证感知数据的可靠传输,从而导致重传或者数据丢失;而距离sink节点较近的节点会因转发其它节点的数据而过早死亡,而导致网络中出现能量空洞问题[3]。基于移动代理[4]计算模式在数据传输方面更适用于无线传感器网络。MA计算模式是由sink节点根据预设的迁移路径派遣Agent到节点处对数据进行处理,然后Agent再迁移到下一个节点,最终将全网数据融合的结果返回给sink节点。
2 相关工作
目前,已有很多学者针对两种计算模式进行了研究。文献假设ρ (0< ρ <1)为聚合因子,Ni为聚合后数据大小,Agent[5]从网络跳数的角度对MA计算模式和C/S计算模式进行比较和分析,结果表明,MA计算模式的网络性能要优于C/S计算模式。文献[6]将MA与数据融合策略相结合,提出基于融合代价最佳的MA路由算法,由MA在网内进行数据融合。文献[7]将MA与DD路由协议相结合,提出一种基于MADD的路由协议,该协议通过有效节点发现、节点间建立路由、Agent数据感知3个阶段,完成源节点和目的节点之间的通信。结果表明,基于MADD的路由协议具有节能、降低带宽、减少网络延时并具有较好的灵活性等优点。本文从多跳传输的网络拓扑结构方面入手,分别分析MA计算模式和C/S计算模式的延时和能耗。
3 MA计算模式的数据处理模型
在节点级,主要通过MA协助本地的数据处理来消除本地数据冗余。根据特定的应用需求,sink节点派遣MA,MA仅携带所需的处理代码迁移到目的节点,对目的节点所感知的数据进行本地处理。设r (0<r<1)为MA中数据的压缩比例因子,Si表示节点感知的原始数据大小,Ri为压缩后的节点数据大小,则:Ri = r Si (1)到达第一个目的节点后不进行聚合,聚合从第二个节点开始。
则:
4网络性能分析
4.1 端到端延时
两种计算模式中,延时都由传输时间、开销时间和数据处理时间三部分组成。C/S模式的总延时为:
4.2 能量消耗
两种计算模式的能量消耗主要包括发送能量、接收能量、处理开销所消耗的能量和数据处理所消耗的能量四部分。根据文献 [8],传输所消 耗的能量 可以用线 性关系表 示 ,E(x)= Ax + b。其中,b为常量,x为感知数据大小Sd ,A为传输1Byte数据能耗系数。设Sn为节点每秒处理的数据量,处理1Byte数据的能消为Cproc。
在C/S计算模式中,其总的能耗为:
5 仿真
本文使用Matlab7.0仿真工具对两种计算模式的性能指标进行仿真分析。在仿真中,由于C/S计算模式中所用的数据处理都是由sink节点进行,且sink节点的能量不受限制,所以除了sink节点之外,其它所有的传感器节点都是能量受限的,并且同质、静态。根据文献[8]中对参数进行设置。
5.1仿真结果与分析
5.1.1感知节点的影响
这组实验改变感知节点的数量,如图1所示,由于C/S计算模式节点数不断增加,节点所携带的感知数据增大,而MA计算模式在节点级有聚合,Agent所携带的感知数据不会增大,所以随着节点数的增加,C/S计算模式的延时要远大于MA模式。从图2可以看出,因为只有一个Agent,当节点数量增加时,Agent所携带的聚合数据会越来越大,传输时间增大,从而能耗也会增大。
6 结论
本文主要是对MA计算模式和C/S计算模式在网络延时和能量消耗两方面做了对比分析,仿真结果表明,MA计算模式在某些条件下要优于C/S计算模式,主要的影响因素有感知节点的数量、感知数据的大小、压缩比例因子等。因此,对于MA计算模式来说,一个好的数据融合算法是提高MA计算模式的一个重要因素。
摘要：客户机/服务器计算模式和移动代理计算模式是无线传感器网络中使用最为广泛的两种模式,传统的C/S计算模式无法保证数据传输的可靠性且在网络中会出现能量空洞问题。通过仿真实验比较不同参数对两种计算模式的延时和能量消耗的影响。结果表明,MA计算模式的网络性能在数据传输可靠性和能耗均衡方面更优于C/S计算模式。
无线传感网时间同步技术综述 篇5
关键词：无线传感网,时间同步,时钟模型,萤火虫同步,分布式同步
0 引言
自20世纪90年代开始,无线传感网技术得到快速发展,被广泛应用在森林、建筑、军事战场及其他感知监测区域[1,2]。其中时间同步技术应用在无线传感网各个方面:监测数据通过数据融合技术向网络基站传输,节点为减少能量消耗,延长网络寿命需要进行定时的睡眠和唤醒[3];节点定位[4]、节点调度机制[5]以及节点工作模式的切换[6]等。
互联网中常用的网络时间协议NTP,是在层状结构中利用客户/服务器模式对欲同步的客户端进行同步,通过时间获取的多路径和上层服务器的冗余性来保证时间同步的可靠性[7]。由于NTP无法满足无线传感网络中节点功耗低、带宽有限以及无线传输的要求,所以无线传感网中时间同步技术需要在无线传输、节点计算能力较低和能量受限的前提下尽可能实现低开销和较低的复杂度。作为无线传感网技术中的一项关键技术,时间同步技术不仅需要提高时间同步精度来实现系统运行的可靠性,还需要减少时间同步开销,延长网络寿命,实现系统运行的可持续性。
早期的时间同步协议致力于直接得到节点间的时钟差值或者构建晶振的时钟模型,来实现节点间的时钟同步。近年来新型的时间同步协议通过物理同步方式或者改进时钟模型的方式来实现较高的时间同步精度;通过物理方式或者被动同步方式来实现较低的时间同步开销和对动态网络拓扑的兼容性。本文将对目前主要的时间同步协议进行总结和对比。
1 时间同步技术难点
节点间时钟差异主要来源于节点晶振的差异性。节点的上电时间不同带来节点不同的时间相位偏移,晶振因制作工艺和环境的影响会产生频率偏差和频率漂移,并进一步导致节点时钟的输出时间产生偏差和漂移[8],如图1所示。图1所示的三条节点时间输出曲线,分别表示受上电时间和晶振制作工艺影响产生的相位偏移和频率偏差的节点时间、理想晶振对应的系统时间以及环境因素和晶振老化因素引起晶振频率漂移下的节点时间。
无论是估计同一时刻不同节点的时间差值,还是通过对节点的晶振建立时间模型来实现时间同步,节点进行报文交互的过程中都必须面临报文时延的不精确性。报文时延主要是指同步报文从节点发送之后分别经过的发送延时、信道访问延时、传输延时、传播延时、接收延时和接收处理延时六部分延时[9],如图2所示。
接收节点通过处理同步报文得到节点间的时间差值或者节点间的相对时钟模型。
(1)发送延时:节点构建同步报文并将报文递交到MAC层所用的时间;(2)信道访问延时:同步报文从检测信道是否空闲到物理层开始发送报文所用的时间;信道访问延时随机性较大,受当前信道空闲度和网络负载状况的影响较大;(3)传输延时:发送节点通过天线向外传输同步报文所用的时间;(4)传播延时:节点在媒介中从发送节点传播至接收节点所用的时间;(5)接收延时:接收节点的物理层通过天线接收同步报文所用的时间;(6)处理延时:接收节点对报文进行处理的时间。
除了上述随机性较大的发送延时、信道访问延时、处理延时之外,传输过程中存在的噪声经常会在同步报文的时延中引入部分符合高斯或者指数分布的小时延。
2 经典的时间同步协议
根据节点同步过程中同步报文的传输方向和交互方式的差异,经典的时间同步协议可以归纳为三类:基于接收-接收的同步机制、基于发送-接收的双向同步机制和基于发送-接收的单向同步机制。
2.1 基于接收-接收的同步机制
基于接收-接收模式的同步机制由参考节点向其广播范围内的节点广播不携带任何时间信息的参考同步报文。收到参考同步报文的一个节点会向另一个节点发送接收到该参考同步报文的本地时间。此时另一个节点可以根据收到的接收时间和自身记录的接收时间得到参考同步报文到达不同节点的时间差值,即两个节点的时间差值[10]。基于接收-接收同步机制的时间协议工作机制如图3所示。
接收-接收模式下的同步协议以同一参考同步报文到达不同节点应当为同一个时刻为出发点,通过节点间交换接收时间得到节点间的时间差值,通过补偿该时间差值来实现节点间的时间同步。接收-接收模式下节点m和节点n的时间差值为:
基于接收-接收机制的代表时间同步协议为RBS(Reference Broadcast Synchronisation)[10]。该机制下的同步协议虽然能够实现较高的同步精度,但是需要大量的参考同步报文和节点间交互报文,同步开销较大。尤其是在多跳网络中,所需的报文数量和同步计算的复杂度均将成倍增加。另外,节点间报文交互是接收-接收机制下实现网络时间同步的前提条件,所以基于接收-接收的时间同步机制不适用于跳数较多和节点分布较为稀疏的网络环境中。
2.2 基于发送-接收的双向同步机制
在发送-接收的双向同步机制中,待同步节点向基准节点发送同步请求报文,基准节点收到请求报文之后,向待同步节点发送包含自身当前时间的同步应答报文。待同步节点收到此应答报文之后通过自身的本地时间估算出节点间的时间偏差Δ和传输延时d,并据此校准自己的时钟。
双向同步机制在较短时间间隔内,认为节点间的时间偏差不变及报文传输延时一致,通过两次同步报文交互获得节点间的时间信息。基于发送-接收的双向同步机制中,报文交互如图4所示。
基于发送-接收双向同步机制的时间同步协议主要包括:TPSN(Time-sync Protocol for Sensor Networks)[11]和TS/MS(Tiny Time Synchronisation Protocol/Mini Time Synchronisation Protocol)[12,13]。TPSN协议通过图4所示的四个时间值完成待同步节点的时间同步,同步公式为:
采用双向同步机制的TPSN具有较高的同步可靠性,同步性能也比较好。但是因为没有考虑节点的时钟模型和晶振存在的频率偏移,在利用TPSN协议同步之后,节点仍旧会产生新的时间偏差,因此TPSN必须较为频繁地进行同步操作。TS/MS同步协议算法在基于图4所示的同步的基础上采用线性节点时钟模型,通过对少量的时间点进行拟合处理便可得到节点的时间偏差和时钟漂移。TS/MS时间同步协议采用较少的时间点得到比TPSN更高的同步精度,属于轻量级时间同步算法,适用于能量受限制的无线传感器网络。
基于发送-接收双向同步机制的时间同步协议在具有较高同步可靠性的同时产生相对较大的同步开销。另外,双向时间同步协议对网络拓扑的扩展的兼容性较差,无法适用于动态拓扑网络中。
2.3 基于发送-接收的同步机制
基于发送-接收同步机制的时间同步协议主要由基准节点向网络中单向广播包含报文发送时间的同步报文。子节点接收到同步报文之后,根据估计报文延时和记录本地报文的接收时间,对自身时间进行同步调整。
基于发送-接收机制的时间同步方法主要包括DMTS(Delay Measurement Time Synchronisation)[14]、FTSP(Flooding Time Synchronisation Protocol)[9]等方法。DMTS同步算法通过估计同步报文的传输延时,将同步报文中携带的发送时间与同步报文传输延时之和作为子节点的全局时间,对子节点进行时间同步。FTSP忽略同步报文的传输延时,认为待同步节点接收同步报文和基准节点发送报文为同一时刻,即节点记录的接收时间和基准节点的发送时间为两节点间的偏差。通过对时间点进行拟合,利用线性时钟模型,得到待同步节点相对于基准节点的相对时钟偏移和相位偏移。
发送-接收的同步机制采用单向信息交互,同步精度较高,能适应网络拓扑动态变化。同时和双向时间同步机制相比,它能够有效地减少网络中的同步开销,减小网络能耗。但由于发送-接收同步机制采用泛洪广播机制,网络规模较大时,产生的同步报文偏多。另外FTSP协议中节点的多径效应使得节点的同步精度不能得到保证。
2.4 经典时间同步协议总结对比
经典的时间同步协议主要通过得到节点间的时间差异,更新待同步节点的时钟来实现节点间的时间同步。在以上三种同步机制中,发送-接收双向同步机制和发送接收-同步机制均没有考虑同步报文的传输时延;接收-接收同步机制基于接收节点间的时间对比,无需考虑参考报文传输时的发送延时、信道访问延时和传播延时,时间同步精度不受发送方影响。发送-接收双向同步机制因为采用双向报文传输,所以更适用于对可靠性要求较高的应用。发送-接收同步机制采用时钟模型,利用得到的时钟参数对节点的时钟偏移进行修正补偿,同步精度较高;和双向同步机制相比,单向的同步方式也更适用于动态变化的网络拓扑结构。表1通过对时间同步协议一些具有代表性的性能指标进行列举,对比了以上三种时间同步机制。
3 新型时间同步协议
经典的时间同步协议主要解决节点间的时间同步精度问题。当同步协议能够达到较高精度时,新型时间同步协议在进一步提高精度的同时开始着手降低网络中的同步能耗,并研究应用于特定环境下的时间同步协议。
3.1 基于物理脉冲耦合的同步协议
经典的时间同步算法无法完全消除传输过程中延时对同步精度的影响,所以难以做到对节点间同步精度的进一步提升。在基于物理脉冲同步机制的同步协议中,每个传感器节点被看作是完全相同的耦合振荡器,通过物理方式来消除报文传输过程中的延时,实现节点间的高精度同步。
基于物理脉冲耦合的同步机制以萤火虫同步算法为主。1988年,Buck对萤火同步闪烁的现象进行了总结,并对此现象进行了基于phase-advance和phase-delay两种模式下的时间同步建模[15]。1990年Mirollo和Strogatz提出M&S脉冲耦合振荡模型,在假定脉冲延时为零的情况下,耦合振荡系统可以达到同步[16]。1998年Ernst在前人的基础上对脉冲延时情况下的耦合振荡系统的同步状况进行了研究。当一个振荡器状态激发时,会和临近的振荡器产生电耦合,使得临近的振荡器产生一个耦合强度的状态增量。基于物理脉冲的同步机制原理如图5所示。
Ernst通过理论证明,在脉冲延时不为零的情况下,正的耦合强度无法使振荡器之间产生同步现象,只有在负的耦合强度情况下,振荡器之间才能取得同步现象[17]。文献[18]针对耦合振荡电路提出了一种面向不相同模块的物理脉冲振荡模型,该系统模型不仅可以实现多振荡器之间的同步,而且可以实现多频率振荡器之间的耦合同步,为分布式系统中节点的多频段通信提供了理论依据。虽然文献[19]对M&S系统在硬件设备上的应用做了测试,但是大多数基于物理耦合脉冲的同步协议因为要求网络中各个耦合器完全一致、脉冲延迟较小,在实现上有很大难度,所以基于物理耦合脉冲的同步机制仍停留在理论研究阶段。
3.2 基于调度的同步协议
基于调度的时间同步算法有TSMP(Time Synchronised Mesh Protocol)[20]、TSCH(Time-Synchronised Channel Hopping)[5]。基于调度的同步机制是在网络初期将所有节点间的工作时隙、工作信道、网络结构均进行分配,并通过广播报文的形式告知网络中所有节点,节点在各自分配的时隙和分配好的邻居节点之间进行报文交互。父节点在固定的同步周期向网络广播时间同步报文,子节点在安全时间内接收到同步报文,然后根据发送时间和接收时间调整自身的时钟;如果安全时间内没有收到时间同步报文,则认为子节点与网络失去同步。
基于调度的时间同步机制能够达到较高的时间同步精度,但是该机制需要网络层、MAC层以及物理层进行整体协作,不再是单纯的时间同步机制;而且一般需要多信道甚至多频段的复用,整体上较为复杂。
3.3 分布式同步协议
经典的同步协议中,基于发送-接收的双向时间同步算法无法解决无线传感网中节点加入、失效和移动引起的网络拓扑动态变化问题,也无法较好地减少网络中的累积同步误差。为了解决这个问题,分布式一致时间同步协议应运而生。
分布式时间同步协议主要通过节点周期性广播本地时间来实现网络内节点的时间同步。分布式同步协议主要包括:实现邻居节点高精度同步的梯度时间同步协议GTSP(Gradient Time Synchronization Protocol)[21]、分开校正频偏和相偏实现更可靠时间同步的平均时间同步协议ATS(Average Time Synch)[22]、节点广播时间到网络虚拟时钟的分布时间同步协议[23]等。
分布式时间同步协议不要求网络拓扑结构为层次拓扑,这使得分布式时间同步协议的鲁棒性较强,能更好地适应于拓扑动态变化的无线传感网。由于分布式同步协议主要基于全局节点进行时间扩散和不停地同步迭代,分布式时间同步协议的收敛速度相对于经典的时间同步算法来说比较慢;并且分布式时间同步协议中需要的同步报文数量较多,网络开销较大,不利于降低网络同步能耗。
3.4 混合时间同步协议
除了提高时间同步精度,延长同步周期进而减少网络同步能耗[19,20]之外,部分时间同步协议采用主动同步和被动同步相结合的混合时间同步机制[24,25]。
混合时间同步机制中,代表节点之间采用双向的时间同步机制。在同步报文交互过程中,代表节点广播半径中的邻居节点能够监听到双向同步报文,得到同步报文中的时间信息。通过分析报文中包含的两个节点的时间信息,监听节点实现被动的时间同步。混合时间同步机制只需要代表节点之间进行报文交互,多数节点只需要对周围环境中的报文进行监听,无需发送报文,较大程度地减少了网络中的时间同步报文数量。混合时间同步机制通过主动同步来保证网络同步精度,通过被动时间同步来节省网络同步开销,从而实现了保证同步精度和节约能耗的双重目标。但是由于被动时间同步主要通过节点监听周围环境中的报文来实现自身的时间同步,所以混合时间同步协议中节点的分布密度不能过小,适用的网络规模不宜过大。图6说明了混合时间同步协议的同步机制。图中2号和3号节点为代表节点,采用基于双向的主动时间同步机制。在2号代表节点和3号代表节点周围的其他节点通过监听2号和3号代表节点发送的包含时间信息的同步报文之后,被动地完成时间同步。
3.5 特殊用途时间同步协议
传统的时间同步算法无法适用于报文延时较长、节点移动较为频繁的水下应用,近年来针对水下传感网特殊用途的无线同步协议逐渐发展起来。水下应用的时间同步协议主要从估计报文延时方面来实现节点同步。文献[26,27]通过采用邻居间的相对速度和多普勒频移来计算节点的真实移动速度,得到精确的报文延时时间,并进一步通过双向时间同步机制和基于权重的最小二乘法来求得节点相对于参考节点的相对时钟参数。文献[26,27]在利用线性规划获得节点间相对时钟参数的同时均引入了第二次线性回归计算,利用初次回归运算得到的时钟参数和估算的节点移动速度进一度提高节点的同步精度。
3.6 新型同步协议总结
新型同步协议主要是基于非层次性网络结构,更少地受到网络中心节点的制约,能够更好地适用于网络拓扑结构动态变化的无线传感网。无论是通过物理方式抑或是主动、被动同步方式结合,新型同步协议和经典时间同步协议相比,能够较大地减少网络同步能耗。另外,新型时间同步协议在提高同步精度和降低网络开销的同时,开始对特殊应用条件下的时间同步进行探索。虽然新型同步协议和经典时间同步协议相比有较多的优点,但是新型时间同步协议的复杂程度一般较高,对节点有较高的性能要求;而且新型时间同步协议大多数仍旧处于理论研究阶段,并没有在实际环境中大量应用。
除了上述同步协议之外,新型的时间同步算法还包括利用外部时间源的外部梯度时间同步算法[21]、针对移动网络拓扑的时间同步算法[28]、利用卡尔曼滤波实现高精度时间同步的卡尔曼一致滤波时间同步算法[9]和基于最大似然估计的时间同步算法[30]等。
4 结语
通过对时间同步协议机制的分析可知,更高的网络时间同步精度,需要更频繁的同步报文交互,相应会产生更高的网络能耗。在一定程度上,网络时间同步精度和同步能耗存在矛盾。早期的时间同步机制主要得到高精度的同步性能;新型的时间同步协议在保证同步较高精度的基础上,主要通过不同方式降低同步开销,减少网络能耗。
针对无线传感网节点间时间同步的技术难点,本文从时间同步精度、网络同步开销、协议特点等多个角度对时间同步协议进行了评价和比较。通过本文对各种时间同步机制的分析可以看出,单向同步机制中的FTSP时间同步协议因为采用节点时钟模型,时间同步精度较高,能够通过时钟模型进行时钟误差补偿,但是存在的多径效应无法降低同步精度。相对于经典时间同步算法单纯提高同步精度的做法,新型同步算法可以根据不同要求实现不同的时间同步,其中包括:提高时间同步精度、降低网络开销、分布式同步和特定用途的时间同步。新型时间同步协议较好地平衡了时间同步精度和同步开销之间的关系,同时更好地适用于动态变化的网络拓扑,有较高的鲁棒性。
通过对时间同步协议的总结和对比,结合当前无线传感网中时间同步协议发展的现状,本文认为未来时间同步协议需要在以下方面进行进一步研究:
(1)时间同步协议的实际应用。当前时间同步协议的性能主要是通过人为搭建仿真环境,通过网络仿真工具对性能进行试验得到的。应用到实际无线传感网中的同步试验较少,无从得知通信环境较恶劣环境下,时间同步协议的实际性能。
(2)大规模网络的同步。随着无线传感网技术的不断应用,网络规模将不断扩大,大规模无线传感网的时间同步将显得尤为重要。当前的时间同步协议主要是针对中小型网络的时间同步,缺少对大规模网络中大量节点移动、失效后网络同步状况的研究。
无线传感网技术的能耗监测应用 篇6
WSN在建筑能耗监测中的适用性
建筑能耗监测平台的组网总体结构图如图1所示, 在系统的数据采集端采用WSN技术进行组网。整个WSN网络由若干个终端采集器以及一个汇聚采集器构成。通常将WSN的终端采集器称为采集节点, 将汇聚采集器成为汇聚节点。采集节点负责数据的采集和传送, 以及根据汇聚节点的控制命令设置相应的工作模式等;汇聚节点是网络的中心, 起到协调器和网关节点的作用, 汇聚节点负责整个区域网络的维护与数据的汇集, 再将数据通过Internet/GSM/CDMA上传到上级数据中心或中转站。系统最大特点就是基于WSN技术进行信息采集, 利用WSN节点与电表等与用能设备连接, 通过无线自组网方式自动采集分散在各处的电、水、气、冷热量等实时数据, 使用户随时监测现场耗能设备的运行数据, 为今后实施节能反馈控制系统的研发提供基础, 以达到优化能源供应、提高能源管理水平、提高能源利用效益、减少能源损耗、节约能源成本的目的。
基于WSN技术的建筑能耗监测系统属于WSN与节能的交叉领域, 以WSN和计算机信息处理为技术核心, 建设先进、功能强大的信息采集处理平台。该系统适用于各种既有和新建建筑, 系统组网方便, 不占空间, 无需综合布线施工, 项目实施快速方便。
在各种无线传感网技术中, Zig Bee的自组网能力以及高容量特性使其非常适合建筑能耗监测系统的应用, 在节点分散、数量众多、低速率传输的能耗监测采集端建设中, 有明显的优势, 是当前最适合建筑能耗监测系统数据传输的技术。
除了组网方便、安全、可靠, Zig Bee还有低传输速率、低功耗、高容量、低成本等特点。Zig Bee非常适合有大量终端设备的网络, 如能耗监测、楼宇自动化等场合。
自组网过程
对某个能耗监测区域而言, WSN网络包含一个Zig Bee汇聚节点和若干Zig Bee采集节点。汇聚节点在通信状态下, 每隔一段时间发送一次时标帧, 在汇聚节点通信范围内的采集节点在侦听状态下侦听到汇聚节点发送的时标帧, 确定汇聚节点为目标父节点, 并在下面的接入状态向目标父节点发送接入请求之后组成一个WSN网络。已经接入网络的节点通过转发时标帧, 向周围节点表明自己的存在, 其他未入网的节点在侦听状态下, 发现已经入网的节点并作为自身的目标父节点, 然后在接入状态下通过这些最先加入网络的节点作为中继加入网络。依次类推, 若干的Zig Bee采集节点和一个Zig Bee汇聚节点构成了WSN网络。为了延长网络生存时间, 降低节点功耗, 所有节点都会定时进入休眠阶段, 关闭射频收发器, 保持超低功耗工作, 最大限度地节省节点能量, 在定时器到期后节点被唤醒恢复正常工作状态并开启射频收发器。WSN网络中的所有节点定时在通信阶段和休眠阶段交替工作, 以保证网络的生存时间要求和通信要求。各WSN网络数据再通过无线网由将采集数据推送到数据中心进行分析处理。
WSN实施优势
内网组网灵活, 可随时增加或减少传感节点;
无需综合布线, 减少工程量与布线成本、提高安装速度;
与多种通信主干网融合, 方便用户实现远程监控;
WSN端机体积小、功耗低, 价格低;
根据WSN协议自动组成通讯内部网络;
系统易于维护, 任意节点的故障不会影响系统工作;
具有本地数据存储功能, 确保数据完整性;
减少建立建筑能耗及环境监测系统所带来的施工量以及综合布线对环境的影响, 减少投资和工期, 特别适用于既有建筑和设施。
设备改造方式
如果用户已有电表、水表等, 且带有485口, 则可直接接入采集器, 如已有仪表不支持485口, 则需要改造和更换设备。每户的总表最后统一为带485口的多功能表, 外接带无线传感模块的采集器, 可以每15分钟上送一次电量、电压、电流、功率因素等数据。数据采集频率可根据具体需要灵活设置, 数据采集频率可在15分钟/次到1小时/次之间调整。
设备改造的原则:在一定投资成本和不改动已有配电线路的前提下, 以最大程度地获得能耗公示需求数据为目标, 在既有配电支路上无拆换、无干扰方式安装。
WSN与通信网的融合应用
在节点分散且数量众多、需要低速率传输的组网要求下, 运用Zig Bee技术应是最佳解决之道。
无线传感网移动代理管理模型研究 篇7
1 无线传感器网络特点
无线传感器网络能扩展人们与现实世界进行远程交互的能力。它甚至被人称作是一种全新型的计算机系统, 因为它区别于过去硬件的可随处散布的特点和集体分析能力。但从很多方面来说, 现在的无线传感器网络如同1970年的因特网, 那时因特网只连接了一百多所大学和军事实验室, 并且还在试验各种通讯协议和寻址方案。现在的大多数传感器网络只连接了不到100个节点, 过多的节点和通讯线路会使其变得及其复杂且无法正常工作。另一个原因是单个传感器节点的价格昂贵, 并且电池寿命也最多只能维持几个月。
2 无线传感器网络的功用
在物联网无线传感网络中, 由于主机和基站之间、被管理终端和主机之间主要采用了无线连接模式, 移动非常便捷, 但是也导致整个网络的拓扑结构变化较快。这就产生了两个问题:首先, 被管理终端由于类型各异, 对终端的管理内容、管理方式等都不一样, 这就需要主机能够快速找到针对该终端的管理策略;其次, 由于各个无线感应网的用途不一致, 结构也是各种各样, 这就需要互联网的网络管理主机需要找到针对无线感应网个体的管理策略。因为物联网的发展迅猛, 各种类型的终端和无线感应网随时都在加入, 各个层次的网络管理主机不可能全部兼容, 这就需要基于移动代理来实现各类终端和网络的个性化管理。
3 移动代理在无线传感网的应用
移动代理由完整的移动代理系统MAS (Mobile Agent System) 提供运行平台, 包括了移动代理运行的支撑环境等。MAS系统主要包括以下几个主要组件:
3.1 管理程序
管理程序提供图形用户接口的网络管理应用程序。网络管理应用程序构建在MAS之上, 通过它可以在设置相应的网络管理策略的同时发现可用的移动代理服务器。
3.2 移动代理服务器
移动代理服务器位于移动代理和传统的管理系统之间, 提供了移动代理运行的宿主环境。每个使用移动代理管理设备必须安装移动代理服务器, 它在逻辑上位于SNMP代理之上。移动代理服务器支持与这些静态代理进行通信。移动代理服务器是由几个主要组件组成的:移动组件;服务基础设施;安全组件。
3.3 移动代理
移动代理指的是一段程序, 它可以在网络中从一台主机迁移到另外一台主机并且继续或者重新开始它们的执行, 它们可以代表用户来完成给定的任务。将移动代理技术引入到分布式网络管理中是移动代理应用研究的热点之一。移动代理被用作降低网管数据处理的负担和减少这些数据的流量。
基于移动代理的网络管理系统与传统管理系统之间有很大的不同, 其关键之处就是在于其管理方式的不同。传统的管理/代理系统是通过客户/服务方式管理的, 即管理者询问、代理端回答方式进行, 信息的交互过程必须完全通过网络进行。而移动代理系统则是将管理者用一个在各主机之间移动的代理程序替代, 该代理程序移动到各主机, 通过本地方式进行网络管理, 属于一种委托式的管理。由于相当部分的管理工作由被管理设备本身来完成, 与传统的网管方式相比, 它减少了管理者本身的系统开销, 更能适应大型网络的管理。除此之外, 它还具有管理效率高的特点。通过对Mobile Agent合理调度, 就能有效减少系统的响应时间, 从而降低通道中管理信息的开销。
最基本的移动代理网络管理系统由管理站和被管理设备组成。管理站在进行管理操作时, 首先新建或者选择一个移动代理, 令其移动到一个被管设备。移动代理到达被管设备后, 开始执行管理任务。完成任务后, 代理或者被销毁, 或者继续移动到下一个被管设备执行, 直到最后一个。之后, 移动代理把最终结果返回给管理站。其中存在着许多变化情况。代理移动到被管设备后, 可能长久驻留在那里收集数据, 过一定时间间隔返回结果一次, 需要按照实际环境和管理需要选择适当的策略。
4 结束语
移动代理利用其高性能、移动灵活的特点, 十分适合在分布式网络中的应用, 特别是在基于大量异构分布式无线传感网络的物联网, 移动代理能够有效解决分布式网络代理模式中的问题, 利用移动代理的优势, 建立了对无线传感子网内部终端节点的快速迁移管理模式和无线子网本身的快速迁移管理模式, 不但可以实现分布式网络代理实现的海量终端的管理, 而且实现无线化趋势的物联网的网络管理, 为物联网网络管理提供了一个新的研究发展方向。
参考文献
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