关键字 |
| 容错，无线传感器网络，能源，路径碎片 |
介绍 |
| 传感器网络是由小型、轻量级无线节点组成的高度分布式网络，大量部署用于监测环境或系统。传感器网络的每个节点由三个子系统组成，分别是传感器子系统、处理子系统、通信子系统。传感器子系统用于感知环境，处理子系统用于对感知数据进行局部计算，通信子系统用于与相邻传感器节点进行消息交换。传感器网络的优点是健壮、可靠、准确和容错。传感器网络中的两个重要操作是数据传播。数据收集用于收集从单个传感器节点到接收器的观察数据。不同类型的传感器是地震，热，视觉，红外。 |
| 最近在小尺寸节点、低成本、电池供电设备方面的技术改进，能够进行本地处理和高效的无线通信。这样的节点称为传感器节点。这些传感器节点在办公大楼、工业厂房、读取特定区域的温度等各种应用中都具有很高的计算效率。每个传感器的寿命都是有限的，因此数据处理可能会由于电池电量、节点之间通信时的碰撞以及到达目的地的多路径链路而丢失一些感知数据。因此，为了在环境中放置传感器节点，我们必须首先分析地形(区域内)需要多少个传感器节点。我们可以在环境中随机放置传感器节点，也可以使用基于网格的方法来放置传感器节点。 |
| 一个传感器节点可以由四个基本部件组成。它们如下(a)传感单元:用于感知环境条件，如温度、压力等的传感器。传感参数通过ADC (Analog digital Converter)转换成数字形式。处理器单元包括处理器，如微控制器和存储器。(c)收发机单元包括无线发射机和接收机部分。(d)动力装置使用电池，为其余装置提供所需的电力。每个传感器节点都由电池供电，因此一旦部署到环境中，我们就不能更换或充电电池。其中整个传感器可以根据环境方面改变电池电量，当传感器节点处于活动状态时，电池电量将为75- 100%电池，它将感知环境并将感知到的数据传输到目的地。当传感器节点处于非活动状态时，电池电量为电池电量的10-40%，仅向其他相邻节点发送连接消息(Hello消息)以保持连接。 |
| 传感器网络中的节点数量可以比自组网中的节点数量大几个数量级。传感器节点更容易故障和能量消耗，其电池源通常不可更换或充电。传感器网络将具有在特定环境下查找位置的高精度传感数据的知识;因此，我们将使用定位系统。在传感器节点中，动员是可选的，因为对于某些任务，传感器节点应该从一个地方移动到另一个地方，以查找与应用程序相关的传感数据。传感器的动力单元可以是太阳能电池或电池动力电池，传感数据传输越多，消耗的电池就越多。传感器节点可能没有唯一的全局标识符(ID)，因此唯一寻址在传感器网络中并不总是可行的。 |
关键概念 |
传感器网络 |
| 传感器网络由大量的传感器节点组成，这些节点密集地部署在现象内部或非常接近现象。传感器网络中的节点数量可能比自组织网络中的节点数量高几个数量级。传感器节点分布密集。传感器节点在功率、计算能力和内存方面受到限制。传感器节点容易出现故障。传感器网络拓扑结构变化频繁。传感器节点主要采用广播方式，自组网大多基于p2p。传感器节点可能没有全局ID。军事应用监测友军、装备和弹药，侦察对方部队和地形战场监视，战斗损伤评估，核、生物和化学攻击探测。环境应用森林火灾探测，环境生物复杂性测绘，洪水探测，精准农业。 In Health applications Tele-monitoring of human physiological data, tracking and monitoring patients and doctors inside a hospital, Drug administration in hospitals. |
容错 |
| 容错能力是指在传感器节点故障时不中断传感器网络功能的能力。传感器网络的容错水平取决于传感器网络的应用。这些层次是物理层、硬件层、系统软件层、中间件层和应用程序[3]。物理层用于实现两个节点之间的通信。这就是处理调制解调和编码解码。主要用于降低成本和提高能源效率。在这一层会发生一些物理上的故障，如通信问题。二是硬件层面，包括计算引擎、存储子系统和电源。在这一层中，可能会发生一些故障，如电池和存储容量的故障和能量问题。三是系统软件，包括操作系统和实用程序。 That mainly used for communication path in routing and rerouting using the protocols. It is support distributed and simultaneous execution of the algorithm. Several protocols are used for coordinate the distributed actions. Next one is the middleware, which contains the various actions like data aggregation, data filtering and sensor fusion. These tasks are related to the sensor reading. In heterogeneous application that can substitute the readings of one type of the sensors with the readings of another type of sensor under the low overhead. Another one is how many sensors of each type should be placed on a particular node and on which positions. Last one is application, in this level also fault tolerance can be addressed. Main advantage in this level that can be used to address fault in any type of resource. |
能源消耗 |
| 传感器节点能够监测各种环境条件，如温度、压力、附着物体的机械应力水平等。传感器节点的电池电量有限。在无线传感器网络中，采用了一些降低能量级别的技术。用于关闭收发器的节电模式可能并不总是有效的。只有在节能模式下运行的时间大于一定的阈值时，才属于节能模式。多跳也用于使用几个短跳的节能通信。 |
| 节点级和网络级采用节能技术。在节点级，动态电源管理是在没有事件发生时关闭传感器节点的多个组件。在动态电压缩放(DVS)中，处理器的计算负荷是千变万化的，因此提供给它的电压可以缩放到只满足瞬时处理需求。实时任务调度器应该通过预测计算和通信负载来主动支持分布式交换机。在网络级，计算-通信权衡决定了在每个节点上执行多少本地计算，以及应该将什么级别的聚合数据通信到邻居节点或BSs。流量分配和拓扑管理算法利用传感器节点数量的冗余来使用备用路由，使整个网络的能量消耗几乎是均匀的。 |
比较研究 |
| 本节包括对一些技术及其在提高系统性能和容错性方面的效率的研究。 |
安全高效的不相交多路径约束 |
| 安全高效的不相交多径结构[1]，保证了无线传感器网络良好的容错性能。在这些技术中采用了两种方法:SMRP和SEIF。首先，基于节点不相交路径的多路径路由协议(subbranch Multi-path routing Protocol, SMRP)大大提高了现有解决方案的网络寿命。此外，传感器之间的消息交换是非常优化的，因为我们的方案只需要每个节点一个消息就可以建立一个可靠的路由拓扑。第二种方法在上述多路径协议的基础上，开发了一种高效、轻量级的安全方案，命名为SEIF (Secure and efficient Intrusion- Fault tolerance protocol)。SEIF与现有的入侵容错解决方案不同，它提供了完全分布式的网络内执行，不需要在路由建立和安全检查时引用基站。 |
容错重路由的自适应算法 |
| 自适应容错重路由算法[4]，保证了无线传感器网络的容错重路由。传感器网络中的路由一直关注在发送数据之前构造从数据源到接收器的最佳路由的方法。提出一种算法，该算法与所选路由一起工作，以增加数据在通信故障时到达汇聚节点的概率。这是使用一种算法来完成的，该算法通过观察无线电活动来检测故障何时发生，然后在故障点采取行动，将数据重新路由到不同的节点，而无需从源重新开始另一条路径。增加源节点接收数据的百分比，而不使网络的能量消耗超出合理水平。 |
| Route将一些查询报文广播给其他节点，形成根在BS的节点的有向树图。该树是使用简单的最短路径优先方法形成的。无论树中给定节点的父节点是谁，都将在网络中转发其数据，直到到达BS。当由于某种原因父进程无法转发消息时，这种方案就会出现问题。可能是父节点经历了短暂的甚至永久的故障。也可能是网络中的另一个无线电广播与信息发生碰撞，或者只是在一般良好的无线电链路上偶尔丢失数据。 |
| 一种无线传感器网络传输失败时的分布式信息重路由算法。结果是从基于TinyOS的微粒硬件测试和大量TOSSIM模拟运行中获得的。To已经看到，To可以使用参数，例如重试次数，来调整算法，以提供高成功率，同时在良性和敌对环境中都保持节能。我们比较了增加DSF对能量和成功率的影响。我们提供了基于节点深度的结果，以表明该算法有益于网络中更远处的节点，那里更需要它，就像那些靠近BS的节点一样。 |
用于实时通信的无状态协议 |
| 采用无状态协议[5]实现实时通信，保证了传感器网络的良好性能。这种方法使用SPEED。为自组织网络开发了许多优秀的协议。然而，特设传感器网络有额外的要求，没有具体解决。这些需求包括实时需求和在计算能力、带宽和内存方面受到严重限制的节点。SPEED通过反馈控制和非确定性qos感知地理转发的新颖组合，在网络上保持理想的传输速度。这种MAC和网络层适应的组合改善了端到端延迟，并提供了对拥塞和空隙的良好响应。在GloMoSim上的模拟和在Berkeley motes上的实现表明SPEEDís与DSR, AODV, GF, SPEED-S和SPEED-T相比，性能得到了改善。开发一种新的协议，以满足自组织传感器网络在实时情况下的要求。SPEED还利用地理位置来做出本地化的路由决策。 The difference is that SPEED is designed to handle congestion and provide a soft real-time communication service, which are not the main goals of previous location-based routing protocols. Moreover, SPEED provides an alternative solution to handle voids against approaches based on planar graph traversal and limited flooding |
直接扩散 |
| 对无线传感器网络[6]进行直接扩散，保证了无线传感器网络良好的容错性能。定向扩散由几个元素组成:兴趣、数据消息、梯度和增强。兴趣消息是指定用户想要什么的查询或询问。每个兴趣点都包含传感器网络支持的用于获取数据的传感任务的描述。通常，传感器网络中的数据是收集或处理的物理现象的信息。这样的数据可以是一个事件，是对感知到的现象的简短描述。在定向扩散中，数据使用属性-值对命名。传感任务(或其子任务)作为命名数据的兴趣分布在整个传感器网络中。这种传播在网络中建立了旨在“吸引”事件的梯度(即与兴趣相匹配的数据)。具体来说，梯度是在每个接收到兴趣的节点中创建的方向状态。 The gradient direction is set toward the neighboring node from which the interest is received. Events start flowing towards the originators of interests along multiple gradient paths. The sensor network reinforces one, or a small number of these paths. |
具有延迟保证的节能路由 |
| 具有延迟保证[2]的节能路由，保证了传感器网络的高效能量。采用线性规划和路由协议来保证无线传感器网络的能效。然后采用基于最小代价路径路由的迭代算法逼近LP解决方案，其中每一步都以分布式方式高效实现。论文的第二部分通过限制从每个传感器节点到采集节点的路由路径长度，将延迟保证纳入到节能路由中。用于传感器网络的路由协议，其目标是使第一个节点死亡之前的时间持续时间最大化。为了表明生存期可以通过网络上节点的最小生存期来估计，因为从AP断开的5%到50%的节点的时间非常小，并且AP的数据质量由于节点死亡而下降。通过限制从每个传感器节点到AP的路由路径的长度来提供延迟保证的节能路由。由于降低最大允许延迟而导致的电池寿命的降低被证明是相当大的，因为节点的不均匀分布和网络上不均匀的分组生成模式。 |
基于传输距离调整最大化网络寿命 |
| 基于传输距离调整[7]最大化网络寿命，使用CETT和DETL确保基于传输距离调整提高网络寿命。这两种算法分别用于获取不同节点分布的传输范围列表。CETT算法是一种从内到外逐级搜索具有最大网络寿命的近似最优生成传输树的算法。DETL算法基于影响每个电晕寿命的因素。每个电晕的传输范围和接收节点是影响网络寿命的两个因素。如果电晕具有局部最大的每节点能量消耗率(ECR)，即具有局部最小的生命周期，则需要调整其传输范围或接收节点以延长其生命周期。一种用于为不同节点分布分配每个电晕中传感器的传输范围的集中算法和分布式算法。这两种算法既能降低搜索复杂度，又能得到近似最优解的结果。在能量模型中，无线传感器网络中低功耗的数据接收、传输和处理。这些算法用于降低传感器网络中传输距离的功率。 Spanning transmission tree is used for energy efficient in sensor networks. This method is compared with other algorithm that is more efficient and reliable to increase the network lifetime based on transmission range adjustment in wireless sensor networks. Corona model are used for adjusting the transmission range for saving the energy to increase the lifetime of the network in wireless sensor networks. These methods are used to reduce the searching complicity and obtain the optimal solution in the sensor networks. |
结论 |
| 本文研究了无线传感器网络中与通信损耗和能量消耗相关的一些技术和算法。并对各种技术的优缺点进行了比较研究。链路、路径和能量消耗是无线传感器网络中普遍存在的问题。采用路由方法解决传感器网络中的路径故障和链路问题。为了节约能源，也采用了一些技术。针对这一路径和能量问题研究了各种方法，以帮助解决这一问题，提高无线传感器网络的性能。 |
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数字一览 |
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图2 |
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参考文献 |
- 李志强，李志强，李志强。无线传感器网络中多路径容错路由算法的研究。网络与计算机应用，2011;34(2):1380-97。
- Ergen SC, Varaiya P.的节能路由与延迟保证传感器网络。ACM无线网络2007:679-90。
- 法里纳兹·K, Miodrag P，阿尔贝托·桑吉奥瓦尼-文森泰利1。无线传感器网络的容错。加州大学计算机科学专业。
- 无线传感器网络中容错重路由的自适应算法。见:IEEE普适计算和通信研讨会国际会议论文集;2007.p . 542 - 547。
- 何涛，Stankovic JA, Lu CY, Abdelzaher T. SPEED:一种用于传感器网络实时通信的无状态协议。见:第23届分布式计算系统国际会议论文集;2003.46-55页。
- 李志强，李志强，李志强，刘志强。无线传感器网络的有向扩散研究。IEEE/ACM网络学报2003;11:2-16。
- 宋晨，刘敏，曹锦，郑勇，龚海海，陈海华。无线传感器网络中基于传输距离调整的网络寿命最大化。计算机通信2009;32:1316-25
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