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基於無線感測器網路的

發布時間: 2025-01-27 20:07:13

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題目:基於無線感測器網路模擬平台的研究
一、引言

感測器網路(WSN)日新月異,各種網路方案和協議日趨復雜,網路規模日趨龐大,對網路研究人員而言,掌握網路模擬的重要性是不言而喻的。WSN模擬能夠在一個可控制的環境里研究WSN應用,包括操作系統和網路協議棧,能夠模擬數量眾多的節點,能夠觀察由不可預測的干擾和雜訊引起的難以琢磨的節點間的相互作用,獲取節點間詳細的細節,從而提高節點投放後的網路成功率,減少投放後的網路維護工作。目前無線感測器網路使用的模擬工具主要有NS2、TinyOS、OPNET、OMNET++等等。其中TinyOS是專門針對無線感測器網路的特點而研究開發的。

二、無線感測器網路模擬簡介

在感測器網路中,單個感測器節點有兩個很突出的特點。一個特點是它的並發性很密集;另一個特點是感測器節點模塊化程度很高.上述這些特點使得無線感測器網路模擬需要解決可擴展性與模擬效率、分布與非同步特性、動態性、綜合模擬平台等等問題。

三、無線感測器網路常用模擬工具

無線感測器網路常用模擬工具有NS2、OPNET、OMNET++、TinyOS,下面我們簡要介紹它們各自的性能和特點。

3.1 NS2
NS是一種可擴展、以配置和可編程的時間驅動的模擬工具,它是由REAL模擬器發展而來.在NS的設計中,使用C++和OTCL兩種程序設計語言, C++是一種相對運行速度較快但是轉換比較慢的語言,所以C++語言被用來實現網路協議, 編寫NS底層的模擬引擎; OTCL是運行速度較慢,但可以快速轉換的腳本語言,正好和C++互補,所以OTCL語言被用來配置模擬中各種參數,建立模擬的整體結構, OTCL的腳本通過調用引擎中各類屬性、方法,定義網路的拓撲,配置源節點、目的節點建立鏈接,產生所有事件的時間表,運行並跟蹤模擬結果,還可以對結果進行相應的統計處理或制圖.NS可以提供有線網路、無線網路中鏈路層及其上層精確到數據包的一系列行為模擬。NS中的許多協議都和真實代碼十分接近,其真實性和可靠性是非常高的。

3.2 OPNET
OPNET是在MIT研究成果的基礎上由MIL3公司開發的網路模擬軟體產品。 OPNET的主要特點包括以下幾個方面:(1)採用面向對象的技術,對象的屬性可以任意配置,每一對象屬於相應行為和功能的類,可以通過定義新的類來滿足不同的系統要求; (2)OPNET提供了各種通信網路和信息系統的處理構件和模塊;(3) OPNET採用圖形化界面建模,為使用者提供三層(網路層、節點層、進程層)建模機制來描述現實的系統;(4) OPNET在過程層次中使用有限狀態機來對其它協議和過程進行建模,用戶模型及OPNET內置模型將會自動生成C語言實現可執行的高效、高離散事件的模擬流程;(5) OPNET內建了很多性能分析器,它會自動採集模擬過程的結果數據;(6)OPNET幾乎預定義了所有常用的業務模型,如均勻分布、泊松分布、歐蘭分等。

3.3 OMNET++
OMNET++是面向對象的離散事件模擬工具,為基於進程式和事件驅動兩種方式的模擬提供了支持。 OMNET++採用混合式的建模方式,同時使用了OMNET++特有的ned(Network Discription,網路描述)語言和C++進行建模。OMNET++主要由六個部分組成:模擬內核庫、網路描述語言的編譯器、圖形化的網路編譯器、模擬程序的圖形化用戶介面、模擬程序的命令行用戶介面和圖形化的向量輸出工具。OMNET++的主要模型拓撲描述語言NED,採用它可以完成一個網路模型的描述。 網路描述包括下列組件:輸入申明、信道定義、系統模塊定義、簡單模塊和復合模塊定義。使用NED描述網路,產生.NED文件,該文件不能直接被C++編譯器使用,需要首先採用OMNET++提供的編譯工具NEDC將.NED文件編譯成.cpp文件。最後,使用C++編譯器將這些文件與用戶和自己設計的簡單模塊程序連接成可執行程序。

3.4 TinyOS
TinyOS是專門針對感測器研發出的操作系統。在TinyOS上編程序使用的語言為nesC(C language for network embedded systems) 語言。

nesC語言是由C語言擴展而來的,意在把組件化/模塊化思想和TinyOS基於事件驅動的執行模型結合起來。 nesC 組件有Mole(模塊)和Configuration(連接配置文件)兩種。在模塊中主要實現代碼的編制,在連接配置文件中主要是將各個組件和模塊連接起來成為一個整體。

TinyOS程序採用的是模塊化設計,所以它的程序核心往往都很小,能夠突破感測器存儲資源少的限制,這能夠讓TinyOS很有效的運行在無線感測器網路上並去執行相應的管理工作等。TinyOS的特點主要體現在以下幾個方面:

(1)組件化編程(Componented-Based Architecture)。TinyOS的組件通常可以分為以下三類:硬體抽象組件、合成組件、高層次的軟體組件;硬體抽象組件將物理硬體映射到TinyOS組件模型.合成硬體組件模擬高級硬體的行為.高層次軟體模塊完成控制、路由以及數據傳輸等。}

(2)事件驅動模式(Event-Driven Architecture)。事件驅動分為硬體驅動和軟體事件驅動。硬體事件驅動也就是由一個硬體發出中斷,然後進入中斷處理函數。而軟體驅動則是通過singal關鍵字發出一個事件。

(3)任務和事件並發模式(Tasks And Events Concurrency Model)。任務用在對於時間要求不是很高的應用中,任務之間是平等的,即在執行時是按順序先後來的,而不能相互搶占,TinyOS對任務是按簡單的FIFO隊列進行處理的。事件用在對於時間的要求很嚴格的應用中,而且它可以佔先優於任務和其他事件執行。

(4)分段執行(Split-Phase Operations)。在TinyOS中由於tasks 之間不能互相佔先執行,所以TinyOS沒有提供任何阻塞操作,為了讓一個耗時較長的操作盡快完成,一般來說都是將對這個操作的需求和這個操作的完成分開來實現,以便獲得較高的執行效率。

(5) 輕量級線程(lightweight thread)。輕量級線程(task, 即TinyOS中的任務)按FIFO方式進行調度,輕量級線程之間不允許搶占;而硬體處理線程(在TinyOS中,稱為硬體處理器),即中斷處理線程可以打斷用戶的輕量級線程和低優先順序的中斷處理線程,對硬體中斷進行快速處理響應。

(6) 主動通信消息(active message)。每一個消息都維護一個應用層和處理器。當目標節點收到這個消息後,就會把消息中的數據作為參數,並傳遞給應用層的處理器進行處理。應用層的處理器一般完成消息數據的解包操作、計算處理或發送響應消息等工作。

TinyOS操作系統中常用的模擬平台主要是TOSSIM和Avrora

(1)TOSSIM(TinyOS simulation)是一個支持基於TinyOS的應用在PC機上運行的模擬器.TOSSIM運行和感測器硬體相同的代碼,模擬編譯器能直接從TinyOS應用的組件表中編譯生成模擬程序。

(2)Avrora是一種專門為Atmel和Mica2節點上以AVR單片機語言編寫的程序提供模擬分析的工具。它的主要特點如下:1) 為AVR單片機提供了cycle accurate級的模擬,使靜態程序可以准確的運行。它可以模擬片上(chip-on)設備驅動程序,並為片外(off-chip)程序提供了有規則的介面;2)可以添加監測代碼來報告模擬程序運行的性能,或者可以在模擬結束後收集統計數據,並產生報告;3)提供了一套基本的監控器來剖析程序,這有助於分析程序的執行模式和資源使用等等;4)Avrora可以用gdb調試程序;5) Avrora可以為程序提供一個程序流圖,通過這個流程圖可以清楚的表示機器代碼程序的結構和組織;6) Avrora中提供了分析能量消耗的工具,並且可以設置設備的帶電大小;7) Avrora可以用來限製程序的最大堆棧空間,它會提供一些關於目前程序中的最大的堆棧結構,和一些關於空間和時間消耗的信息報告。

3.5性能比較

TinyOS 用行為建模,可以模擬跨層協議;模擬程序移植到節點上,不需要二次編碼。
通過對上述幾種模擬軟體的分析比較,我們可以清楚的看到各個模擬軟體的特點、適用范圍,我們可以根據研究需要選擇適合的模擬軟體,使得我們的學習研究可以事半功倍。

結束語

網路模擬技術為通信網路規劃和優化提供了一種科學高效的方法。網路模擬在國內是近幾年才發展起來的,但在國外網路模擬技術已經相當成熟,我們應該大膽地借鑒國外先進技術,促進國內網路模擬技術迅速發展。

參考文獻
【1】於海斌,曾鵬等.智能無線感測器網路.科學出版社,2006,p283~p303,
【2】石懷偉,李明生,王少華,網路模擬技術與OPNET應用實踐,計算機系統應用2006.第3期
【3】李玥,吳辰文,基於OMNeT++地TCP/IP協議模擬,蘭州交通大學學報(自然科學版),2005年8月
【4】袁紅林,徐晨,章國安,TOSSIM:無線感測器網路模擬環境,感測器與儀表儀器 ,2006年第22卷第7-1期

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集群虛擬伺服器的模擬建模研究

來源:電子技術應用 作者:楊建華 金笛 李燁 寧宇

摘要:闡述了集群虛擬伺服器的工作原理和三種負載均衡方式,通過實例討論了虛擬伺服器的模擬和建模方法,創建了測試和模擬系統性能的輸入和系統模型,並依據Q—Q圖和累積分布函數校驗了其概率分布。

關鍵詞:集群虛擬伺服器負載均衡模擬建模概率分布

隨著互聯網訪問量和數據流量的快速增長,新的應用層出不窮。盡管Intemel伺服器處理能力和計算強度相應增大,但業務量的發展超出了先前的估計,以至過去按最優配置建設的伺服器系統也無法承擔。在此情況下,如果放棄現有設備單純將硬體升級,會造成現有資源的浪費。因此,當前和未來的網路服務不僅要提供更豐富的內容、更好的交互性、更高的安全性,還要能承受更高的訪問量,這就需要網路服務具有更高性能、更大可用性、良好可擴展性和卓越的性價比。於是,集群虛擬伺服器技術和負載均衡機制應運而生。

集群虛擬伺服器可以將一些真實伺服器集中在一起,組成一個可擴展、高可用性和高可靠性的統一體。負載均衡建立在現有網路結構之上,提供了一種廉價、有效和透明的方法建立伺服器集群系統,擴展網路設備和伺服器的帶寬,增加吞吐量,加強網路數據處理能力。提高網路的靈活性和可用性。使用負載均衡機制.大量的並發訪問或數據流量就可以分配到多台節點設備上分別處理。系統處理能力得到大幅度提高,大大減少用戶等待應答的時間。

實際應用中,虛擬伺服器包含的真實伺服器越多,整體伺服器的性能指標(如應答延遲、吞吐率等)越高,但價格也越高。在集群中通道或其他部分也可能會進入飽和狀態。因此,有必要根據實際應用設計虛擬伺服器的模擬模型,依據實際系統的測量數據確定隨機變數的概率分布類型和參數,通過分位點一分位點圖即Q-Q圖(Quaantile-Quantile Plot)和累積分布函數(Cumulative Distribution Functions)等方法校驗應答或傳播延遲等性能指標的概率分布,通過模擬軟體和工具(如Automod)事先分析伺服器的運行狀態和性能特點,使得集群系統的整體性能穩定,提高虛擬伺服器設計的客觀性和設計的可靠性,降低伺服器建設的投資風險。

1 集群虛擬伺服器的體系結構

一般而言,首先需要在集群虛擬伺服器上建立互聯網協議偽裝(Internet Protocol Masquerading)機制,即IP偽裝,接下來創立IP埠轉發機制,然後給出在真實伺服器上的相關設置。圖1為集群虛擬伺服器的通用體系結構。集群虛擬伺服器通常包括:真實伺服器(RealServers)和負載均衡器(Load Balmlcer)。

由於虛擬伺服器的網路地址轉換方式是基於IP偽裝的,因此對後台真實伺服器的操作系統沒有特別要求,可以是windows操作系統,也可以是Lmux或其他操作系統。

負載均衡器是伺服器集群系統的惟一入口點。當客戶請求到達時,均衡器會根據真實伺服器負載情況和設定的調度演算法從真實伺服器中選出一個伺服器,再將該請求轉發到選出的伺服器,並記錄該調度。當這個請求的其他報文到達後,該報文也會被轉發到前面已經選出的伺服器。因為所有的操作都在操作系統核心空間中完成,調度開銷很小,所以負載均衡器具有很高的吞吐率。整個伺服器集群的結構對客戶是透明的,客戶看到的是單一的虛擬伺服器。

負載均衡集群的實現方案有多種,其中一種是Linux虛擬伺服器LVS(Linux Virtual Server)方案。LVS實現負載均衡的技術有三種:網路地址轉換(Network Address Translation)、直接路由(Direct Routing)和IP隧道(IP Yunneling)。

網路地址轉換按照IETF標准,允許一個整體機構以一個公用IP地址出現在Inlemet上。通過網路地址轉換,負載均衡器重寫請求報文的目標地址,根據預設的調度演算法,將請求分派給後端的真實伺服器;真實伺服器的應答報文通過均衡器時,報文的源地址被重寫,把內部私有網路地址翻譯成合法網路IP地址,再返回給客戶,完成整個負載調度過程。

直接路由的應答連接調度和管理與網路地址轉換的調度和管理相同,但它的報文是直接轉發給真實伺服器。在直接路由應答中,均衡器不修改、也不封裝IP報文.而是將數據幀的媒體接入控制MAC(Medium Aceess Control)地址改為選出伺服器的MAC地址,再將修改後的數據幀在區域網上發送。因為數據幀的MAC地址是選出的伺服器,所以伺服器肯定可以收到該數據幀,從中獲得該IP報文。當伺服器發現報文的目標地址在本地的網路設備時,伺服器處理該報文,然後根據路由表應答報文,直接返回給客戶。

IP隧道是將一個IP報文封裝在另一個IP報文中的技術。該技術可以使目標為某個口地址的數據報文被封裝和轉發到另一個IP地址。用戶利用IP隧道技術將請求報文封裝轉發給後端伺服器,應答報文能從後端伺服器直接返回給客戶。這樣做,負載均衡器只負責調度請求,而應答直接返回給客戶,不需要再處理應答包,將極大地提高整個集群系統的吞吐量並有效降低負載均衡器的負載。IP隧道技術要求所有的伺服器必須支持IP Yunnehng或lP.封裝(Encapsulation)協議。

2 集群虛擬伺服器報文延遲的確定

通過一個裝有5台真實伺服器並使用網路地址轉換技術實現Linux虛擬伺服器的實際系統,可以得到有關請求和應答報文的時戳(Time Stamp)文件n根據這些文件.能夠計算出集群虛擬伺服器的模擬和建模所需數據。

為了確定隨機變數分布類型和參數,應該統計下列延遲:(1)從客戶到負載均衡器的傳播延遲(Transport Delay);(2)負載均衡器的應答延遲(Response Delay);(3)從負載均衡器到真實伺服器的傳播延遲;(4)真實伺服器的應答延遲;(5)從真實伺服器到負載均衡器的傳播延遲;f61負載均衡器對真實伺服器的應答延遲;(7)從負載均衡器到客戶的傳播延遲。

在實際系統產生的時戳文件中,問接地描述了上述各延遲時間。文件包含的內容如下:

當一個服務請求到達集群虛擬伺服器系統時,即產生帶有惟一序列號的同步請求報文(Synchronized Request Package),將該報文轉發到某一真實伺服器,同時建立該伺服器與客戶端的連接,每個這樣的連接都帶有惟一的埠號;該伺服器處理通過該連接的確認請求報文(Acknowledgement Request Package),直到伺服器收到結束請求報文(Finished Request Package)。對每一種類型的請求報文,系統都給予一個相應的應答報文。因此,在不同的報文時戳文件中,如果兩條記錄具有相同的埠號、報文類型和序列號,則它們是同一個請求或應答報文,對相關的時戳相減即可得到集群虛擬伺服器系統的模擬和建模所需的延遲數據。通過所編寫的C++程序即可計算這些延遲。

3 系統模擬模型

上述的集群虛擬伺服器實際系統的模擬模型如圖2所示,在負載均衡器、各通道、5台真實伺服器中通過或處理的均為請求或應答報文。

4 隨機變數模型的確定

對具有隨機變數的集群虛擬伺服器進行模擬,必須確定其隨機變數的概率分布,以便在模擬模型中對這些分布進行取樣,得到所需的隨機變數。

4.1 實際虛擬伺服器的延遲數據概況

在實際虛擬伺服器的負載均衡器、各通道和5台真實伺服器中,對請求和應答報文都有一定的延遲。部分報文延遲的統計數據如表1所示。

由表l中的數據可見,報文延遲的中位數與均值差異較大,所以其概率分布不對稱;變異系數不等於l,導致概率分布不會是指數分布,而可能是γ分布或其他分布。

4.2 隨機變數的概率分布

圖3為第一台真實伺服器到負載均衡器之間的通道報文傳播延遲直方圖,其中t為報文延遲時間,h(t)為報文延遲區間數。由圖3可知,通道內的報文傳播延遲數據近似服從γ分布或對數正態分布。

描述γ分布需要兩個參數:形狀(Shape)參數α和比例(Scahj)參數口,這兩個參數與均值M、方差V之間的關系是非線性的:

描述對數正態分布也需要形狀參數σ和比例參數μ,這兩個參數與均值M、方差V之問的關系也是非線性的:

式(1)~(4)都可以通過最大似然估計MLE(Maximum Likelihood Estimator)方法或最速下降法(Steepest Descent Method)求出。表2給出了甩這兩種方法求出的從第一台真實伺服器到負載均衡器之間通道內的報文延遲概率分布參數。

使用累積分布函數和Q-Q圖可以校驗並進一步確定上述通道內報文傳播延遲的概率分布。取用表2中的參數,可以得到γ分布的累積分布函數,如圖4所示,其中t為報文延遲時間,F(t)為報文延遲的累積分布函數。為作比較,實驗分布也畫在該圖中。γ分布和對數正態分布的Q-Q圖如圖5所示。

由圖4和圖5可以看出,γ分布較好地擬合了該通道內的報文傳播延遲數據分布。其他通道報文延遲直方圖也有類似形狀。經計算和分析,這些通道的報文傳播延遲概率分布也近似服從γ分布。

根據表1中的數據以及相關的直方圖都難以確定在負載均衡器和真實伺服器中報文延遲的理論分布。因此,採用實驗分布作為其模型。

5 模型模擬

在建立了圖1所示的集群虛擬伺服器的系統模擬模型並確定了其隨機變數的分布特性後,可以採用由美國布魯克斯自動化公司(Brooks Automation)開發的模擬軟體Automod輸入該模型,並通過在Automod環境中編程進行集群虛擬伺服器的模擬和分析。

在Automod的模擬過程中,可以直接利用軟體提供的資源(Resource)作為各種報文數據處理的單元;系統各部分的報文排隊活動可以直接通過排隊(Queue)實現;建立一個負載產生器,等效為在Inlemtet上使用虛擬伺服器的客戶。

通過採用Automod的屬性變數(Attribute Variable)可以解決負載均衡器的雙方向報文處理功能的問題。負載均衡器使用輪轉調度演算法(Round Robin Scheling),即假設所有真實伺服器的處理性能均相同,依次將請求調度到不同的伺服器。

驗證模擬模型可以分別在實際虛擬伺服器系統和Automod的模擬模型中從以下兩方面進行對比:(1)在負載均衡器、各個真實伺服器和通道中排隊的應答或傳播報文數量;(2)真實伺服器及負載均衡器的cPU利用率。例如,當使用實際的應答或傳播報文延遲數據時,在Automod的模擬模型中,如果設置一個較低的資源量,則在模擬過程中就會發現大部分的負載都被堵在真實伺服器的排隊中,即真實伺服器處理報文的能力過低,無法與實際系統的狀況相比;如果設置一個較高的資源量,則意味著伺服器的並行處理能力增加,真實伺服器的利用率提高,負載就很少或不會滯留在真實伺服器的排隊中。因此,在Automod中可以根據實際情況調整模擬模型的資源量大小。

如果在Automod中增加負載產生器的負載產生率,就等效為用戶訪問量增加,通過觀察排隊中的負載滯留比例,就可以發現系統的最大處理報文的能力以及系統各部分應答報文可能出現瓶頸之處。例如,將負載產生率增加一倍,雖然系統仍然可以處理所有的報文,但各台真實伺服器的平均利用率將達80%左右。顯然,這時系統應答報文的「瓶頸」為真實伺服器,有必要在系統中增添一台新的真實伺服器。

通過一個包括5台真實伺服器的實際虛擬伺服器系統。收集並計算了模擬和建模的樣板數據。依據系統報文延遲的中位數、均值、變異系數和直方圖等,確定了系統隨機變數的概率分布;採用最大似然估計方法和最速下降法,得到了通道概率分布的具體參數;根據Q-Q圖和累積分布函數進一步校驗並最終確定通道的概率分布形式。使用Automod軟體進行了模擬建模和編程,藉助模擬結果可以發現虛擬伺服器的最大處理能力和可能的「瓶頸」之處。通過及時定位系統「瓶頸」,可以有的放矢地進一步研究和改進系統,有效提高系統性能。所採用的模擬方法也可以用於其他領域的模擬建模或分析中。

在模擬模型中,負載均衡方式和調度演算法還需要進一步增加,以便於比較不同的虛擬伺服器系統。樣本數據也需要進一步擴充,以避免報文延遲的自相關性。

2. 5、簡要的說明無線感測器中的關鍵支撐技術,試舉出幾個應用關鍵技術的例子

作為一種新興的信息獲取和處理技術,無線感測器網路日益成為學術界及工業界關注的重點.鑒於感測器網路中節點移動的不可避免性和必要性,在考慮了無線感測器網路中移動節點的功能需求的基礎上,設計並實現了一種雙輪差分驅動,SMA模塊化電子系統結構的MDmoteZ移動節點.並且,針對室外應用環境的應用需求,設計並實現了一種四輪驅動的4WDmoteZ移動節點.同時,建立了一個基於無線感測器網路的網路覆蓋實例,從而為下面章節的節點部署與網路修復,以及定位與跟蹤等的研究提供了有效平台支撐.本文首先針對無線感測器網路中節點部署和網路修復問題展開討論,提出一種基於柵格簇劃分的優化覆蓋探測部署演算法,在每個柵格內移動節點通過Z形環境探測策略以完成柵格內的節點部署,同時,針對Dijstra最短路徑演算法進行改進,在更新最短路徑值與選擇最短路徑值最小的結點時,僅僅涉及結點的鄰居母親結點集合及標識集合中所有結點的鄰居母親結點集合與已標識集合的差集,因此減少了參與選擇計算的結點,進而提高了移動節點執行網路修復時的路徑規劃效率.在感測器網路中,位置信息對感測器網路的監測活動至關重要.提出了一種針對無線感測器網路的自適應定位演算法。

3. 物聯網無線感測器網路的應用領域有哪些

主要特點

大規模

為了獲取精確信息,在監測區域通常部署大量感測器節點,可能達到成千上萬,甚至更多。感測器網路的大規模性包括兩方面的含義:一方面是感測器節點分布在很大的地理區域內,如在原始大森林採用感測器網路進行森林防火和環境監測,需要部署大量的感測器節點;另一方面,感測器節點部署很密集,在面積較小的空間內,密集部署了大量的感測器節點。

感測器網路的大規模性具有如下優點:通過不同空間視角獲得的信息具有更大的信噪比;通過分布式處理大量的採集信息能夠提高監測的精確度,降低對單個節點感測器的精度要求;大量冗餘節點的存在,使得系統具有很強的容錯性能;大量節點能夠增大覆蓋的監測區域,減少洞穴或者盲區。

自組織

在感測器網路應用中,通常情況下感測器節點被放置在沒有基礎結構的地方,感測器節點的位置不能預先精確設定,節點之間的相互鄰居關系預先也不知道,如通過飛機播撒大量感測器節點到面積廣闊的原始森林中,或隨意放置到人不可到達或危險的區域。這樣就要求感測器節點具有自組織的能力,能夠自動進行配置和管理,通過拓撲控制機制和網路協議自動形成轉發監測數據的多跳無線網路系統。

在感測器網路使用過程中,部分感測器節點由於能量耗盡或環境因素造成失效,也有一些節點為了彌補失效節點、增加監測精度而補充到網路中,這樣在感測器網路中的節點個數就動態地增加或減少,從而使網路的拓撲結構隨之動態地變化。感測器網路的自組織性要能夠適應這種網路拓撲結構的動態變化。

動態性

感測器網路的拓撲結構可能因為下列因素而改變:①環境因素或電能耗盡造成的感測器節點故障或失效;②環境條件變化可能造成無線通信鏈路帶寬變化,甚至時斷時通;③感測器網路的感測器、感知對象和觀察者這三要素都可能具有移動性;④新節點的加入。這就要求感測器網路系統要能夠適應這種變化,具有動態的系統可重構性。

可靠性

WSN特別適合部署在惡劣環境或人類不宜到達的區域,節點可能工作在露天環境中,遭受日曬、風吹、雨淋,甚至遭到人或動物的破壞。感測器節點往往採用隨機部署,如通過飛機撒播或發射炮彈到指定區域進行部署。這些都要求感測器節點非常堅固,不易損壞,適應各種惡劣環境條件。

4. 簡述無線感測器網路路由協議分類方法的內容

無線感測器網路路由協議分類方法主要包括以下幾種:


一、按路由選擇策略分類


按路由選擇策略分類是無線感測器網路路由協議的一種主要分類方法。根據路由選擇的不同策略,可以將路由協議分為以下幾種:


1. 基於跳數的路由協議:這種協議在選擇路由時主要考慮跳數,即數據包從一個節點到另一個節點需要經過的節點數量。這種協議簡單高效,但可能在長距離傳輸時遇到能量消耗問題。


2. 基於能量的路由協議:考慮到無線感測器節點的能量有限,這種協議在選擇路由時會考慮節點的剩餘能量。這樣可以更有效地延長網路的生命周期。


3. 基於位置的路由協議:這種協議根據節點的地理位置信息來選擇路由。對於已知位置的感測器網路,這種協議能有效降低通信延遲和能耗。


二、按網路拓撲結構分類


按網路拓撲結構分類是另一種常見的無線感測器網路路由協議分類方式。根據網路拓撲結構的不同,可以將路由協議分為平面結構和分層結構兩大類。平面結構中所有節點地位相同,而分層結構中節點被分為不同的層級,不同層級的節點承擔不同的任務。分層結構可以更好地管理網路流量和能量消耗。


三、其他分類方法


除了上述兩種主要分類方法外,還有一些其他的分類方法,如按照通信范圍分類,按照信息類型分類。這些分類方法有助於更深入地理解和分析無線感測器網路路由協議的特性和性能。

5. 無線感測器網路的特點與應用

無線感測器網路是一種新型的感測器網路,其主要是由大量的感測器節點組成,利用無線網路組成一個自動配置的網路系統,並將感知和收集到的信息發給管理部門。目前無線感測器網路在軍事、生態環境、醫療和家居方面都有一定應用,未來無線感測器網路的發展前景將是不可估量的。

一、無線感測器網路的特點

(一)節點數量多

在監測區通常都會安置許多感測器節點,並通過分布式處理信息,這樣就能夠提高監測的准確性,有效獲取更加精確的信息,並降低對節點感測器的精度要求。此外,由於節點數量多,因此存在許多冗餘節點,這樣就能使系統的容錯能力較強,並且節點數量多還能夠覆蓋到更廣闊的監測區域,有效減少監測盲區。

(二)動態拓撲

無線感測器網路屬於動態網路,其節點並非固定的。當某個節電出現故障或是耗盡電池後,將會退出網路,此外,還可能由於需要而被轉移添加到其他的網路當中。

(三)自組織網路

無線感測器的節點位置並不能進行精確預先設定。節點之間的相互位置也無法預知,例如通過使用飛機播散節點或隨意放置在無人或危險的區域內。在這種情況下,就要求感測器節點自身能夠具有一定的組織能力,能夠自動進行相關管理和配置。

(四)多跳路由

無線感測網路中,節點之間的距離通常都在幾十到幾百米,因此節點只能與其相鄰的節點進行直接通信。如果需要與范圍外的節點進行通信,就需要經過中間節點進行路由。無線感測網路中的多跳路由並不是專門的路由設備,所有傳輸工作都是由普通的節點完成的。

(五)以數據為中心

無線感測網路中的節點均利用編號標識。由於節點是隨機分布的,因此節點的編號和位置之間並沒有聯系。用戶在查詢事件時,只需要將事件報告給網路,並不需要告知節點編號。因此這是一種以數據為中心進行查詢、傳輸的方式。

(六)電源能力局限性

通常都是用電池對節點進行供電,而每個節點的能源都是有限的,因此一旦電池的能量消耗完,就是造成節點無法再進行正常工作。

二、無線感測器網路的應用

(一)環境監測應用

無線感測器可以用於進行氣象研究、檢測洪水和火災等,在生態環境監測中具有明顯優勢。隨著我國市場經濟的不斷發展,生態環境污染問題也越來越嚴重。我國是一個幅員遼闊、資源豐富的農業大國,因此在進行農業生產時利用無線感測器進行對生產環境變化進行監測能夠為農業生產帶來許多好處,這對我國市場經濟的'不斷發展有著重要意義。

(二)醫療護理應用

無線感測器網路通過使用互聯網路將收集到的信息傳送到接受埠,例如一些病人身上會有一些用於監測心率、血壓等的感測器節點,這樣醫生就可以隨時了解病人的病情,一旦病人出現問題就能夠及時進行臨時處理和救治。在醫療領域內感測器已經有了一些成功案例,例如芬蘭的技術人員設計出了一種可以穿在身上的無線感測器系統,還有SSIM(Smart Sensors and Integrated Microsystems)等。

(三)智能家居建築應用

文物保護單位的一個重要工作就是要對具有意義的古老建築實行保護措施。利用無線感測器網路的節點對古老建築內的溫度是、濕度、關照等進行監測,這樣就能夠對建築物進行長期有效的監控。對於一些珍貴文物的保存,對保護地的位置、溫度和濕度等提前進行檢測,可以提高展覽品或文物的保存品質。例如,英國一個博物館基於無線感測器網路設計了一個警報系統,利用放在溫度底部的節點檢測燈光、振動等信息,以此來保障文物的安全[5]。

目前我國基礎建設處在高速發展期,建設單位對各種建設工程的安全施工監測越來越關注。利用無線感測器網路使建築能夠檢測到自身狀況並將檢測數據發送給管理部門,這樣管理部門就能夠及時掌握建築狀況並根據優先等級來處理建築修復工作。

另外,在傢具或家電匯中設置無線感測器節點,利用無線網路與互聯網路,將家居環境打造成一個更加舒適方便的空間,為人們提供更加人性化和智能化的生活環境。通過實時監測屋內溫度、濕度、光照等,對房間內的細微變化進行監測和感知,進而對空調、門窗等進行智能控制,這樣就能夠為人們提供一個更加舒適的生活環境。

(四)軍事應用

無線感測器網路具有低能耗、小體積、高抗毀等特性,且其具有高隱蔽性和高度的自組織能力,這為軍事偵察提供有效手段。美國在20世紀90年代就開始在軍事研究中應用無線感測器網路。無線感測器網路在惡劣的戰場內能夠實時監控區域內敵軍的裝備,並對戰場上的狀況進行監控,對攻擊目標進行定位並能夠檢測生化武器。

目前無線感測器網路在全球許多國家的軍事、研究、工業部門都得到了廣泛的關注,尤其受到美國國防部和軍事部門的重視,美國基於C4ISR又提出了C4KISR的計劃,對戰場情報的感知和信息綜合能力又提出新的要求,並開設了如NSOF系統等的一系列軍事無線感測器網路研究。

總之,隨著無線感測器網路的研究不斷深入和擴展,人們對無線感測器的認識也越來越清晰,然而目前無線感測器網路的在技術上還存在一定問題需要解決,例如存儲能力、傳輸能力、覆蓋率等。盡管無線感測器網路還有許多技術問題待解決使得現在無法廣泛推廣和運用,但相信其未來發展前景不可估量。