無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期(數(shù)據(jù)庫(kù))

時(shí)間：2022-11-30 02:30:01 | 來(lái)源：信息時(shí)代

時(shí)間：2022-11-30 02:30:01 來(lái)源：信息時(shí)代

    無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期 : 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始工作到指定百分比的傳感器節(jié)點(diǎn)無(wú)法與匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信的時(shí)間間隔。與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期相關(guān)的是傳感器節(jié)點(diǎn)的生命周期。傳感器節(jié)點(diǎn)的生命周期是指從傳感器節(jié)點(diǎn)開(kāi)始工作起到傳感器節(jié)點(diǎn)失效的時(shí)間間隔。
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期是衡量傳感器網(wǎng)絡(luò)好壞的一個(gè)重要的依據(jù)。一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)論傳輸數(shù)據(jù)多么準(zhǔn)、多么快,如果其生命周期極短,那么這個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)不是一個(gè)實(shí)用的網(wǎng)絡(luò)。衡量一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)劣,首先要看該網(wǎng)絡(luò)的生命周期有多長(zhǎng),最多能工作多長(zhǎng)時(shí)間,是否能滿足用戶所需要的應(yīng)用時(shí)間。
使無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期最大化是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)追求的重要目標(biāo)之一。通常,傳感器的體積很小,只能攜帶十分有限的電池,并且傳感器分布地域廣,工作區(qū)域環(huán)境復(fù)雜,有些區(qū)域人員不能到達(dá),所以不能通過(guò)更換電池來(lái)補(bǔ)充能源。
一方面是改進(jìn)傳感器硬件,在設(shè)計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí),保證能量供應(yīng)的持續(xù)性是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)原則。使傳感器能攜帶更多的能量,從而達(dá)到延長(zhǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期的目的。無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)能量消耗的模塊主要是包括數(shù)據(jù)感知模塊、數(shù)據(jù)處理與控制模塊和無(wú)線通信模塊,而絕大部分的能量消耗是集中在無(wú)線通信模塊上,約占整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)能量消耗的80%。另一方面是在軟件上設(shè)計(jì)一些優(yōu)化的算法來(lái)最大限度地節(jié)約能量,進(jìn)而延長(zhǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期。主要側(cè)重?cái)?shù)據(jù)采集和傳輸、路由協(xié)議算法的設(shè)計(jì)等方面。能量有效的數(shù)據(jù)收集策略通過(guò)高效利用能量來(lái)最大化無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期,進(jìn)而在有限的時(shí)間收集更多的數(shù)據(jù)。
在路由算法方面,提出了多種路由協(xié)議和啟發(fā)式路由算法。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)雖然屬于無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò),但與傳統(tǒng)的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)相比,還有著很大的不同。傳統(tǒng)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備沒(méi)有能量約束問(wèn)題,其研究的重點(diǎn)放在了如何提高無(wú)線通信的服務(wù)質(zhì)量(QoS)上。而無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)是隨機(jī)分布的,電池供電,無(wú)持久能量供應(yīng)保證,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)要求能夠有效利用節(jié)點(diǎn)能量的路由協(xié)議。另外,在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,路由協(xié)議還要考慮全網(wǎng)能量的均衡消耗,這樣才能避免因?yàn)槟承┕?jié)點(diǎn)的過(guò)早衰亡而導(dǎo)致與部分子區(qū)域的連接失效,實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期的目的。同時(shí),無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)為中心的,這在路由協(xié)議中表現(xiàn)得最為突出,每個(gè)節(jié)點(diǎn)沒(méi)有必要采用全網(wǎng)統(tǒng)一的編址,選擇路徑可以不用根據(jù)節(jié)點(diǎn)的編址,更多的是根據(jù)感興趣的數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)源到匯聚節(jié)點(diǎn)之間的轉(zhuǎn)發(fā)路徑?；谏鲜鲈瓌t,存在多種類(lèi)型的傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。當(dāng)前流行的幾個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議如下:
信息協(xié)商協(xié)議(sensor protocol for information via negotiation,SPIN)。是一種以數(shù)據(jù)為中心的自適應(yīng)路由協(xié)議,節(jié)點(diǎn)消息分為: 數(shù)據(jù)描述、數(shù)據(jù)請(qǐng)求和數(shù)據(jù)。目的是通過(guò)節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)商,解決泛洪(flooding)協(xié)議和gossiping協(xié)議的內(nèi)爆和重疊現(xiàn)象。
定向擴(kuò)散(directed diffusion,DD)協(xié)議。是一種基于查詢的路由機(jī)制。整個(gè)過(guò)程可以分為興趣擴(kuò)散、梯度建立和路徑加強(qiáng)三個(gè)階段。在興趣擴(kuò)散階段,匯聚節(jié)點(diǎn)向傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送其想要獲取的信息種類(lèi)或內(nèi)容。興趣消息中含有任務(wù)類(lèi)型、目標(biāo)區(qū)域、數(shù)據(jù)發(fā)送速率、時(shí)間戳等參數(shù)。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)在收到該信息后,將其保存在緩存中。當(dāng)信息要求傳遍整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)后,便在傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)之間建立起一個(gè)梯度場(chǎng),梯度場(chǎng)的建立根據(jù)成本最小化和能量自適應(yīng)原則。一旦傳感器節(jié)點(diǎn)收集到匯聚節(jié)點(diǎn)感興趣的數(shù)據(jù),就會(huì)根據(jù)建立的梯度場(chǎng)尋求最快路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。該協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)是: 使用數(shù)據(jù)聚合減少了數(shù)據(jù)通信量; 采用多路徑使得健壯性較好; 通過(guò)查詢驅(qū)動(dòng)機(jī)制按需建立路由,避免保存全網(wǎng)信息; 匯聚節(jié)點(diǎn)能夠根據(jù)自適應(yīng)地采取增強(qiáng)或減弱方式來(lái)有效利用能量。
低能量自適應(yīng)的聚簇分層協(xié)議(low-energy adaptive clustering hierarchy,LEACH)。是一種以最小化傳感器網(wǎng)絡(luò)能量損耗為目標(biāo)的分層式協(xié)議。其實(shí)現(xiàn)過(guò)程分兩個(gè)階段: 成簇階段和穩(wěn)定階段。該協(xié)議的主要思想是通過(guò)隨機(jī)選擇簇頭節(jié)點(diǎn),平均分擔(dān)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的中繼通信業(yè)務(wù)來(lái)達(dá)到平均消耗傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能量的目的,延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。LEACH協(xié)議可以將網(wǎng)絡(luò)生命周期延長(zhǎng)15%。利用數(shù)據(jù)聚合,LEACH協(xié)議有效地減少了網(wǎng)絡(luò)通信量。
對(duì)上述協(xié)議的比較分析表明,一個(gè)好的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議應(yīng)具備如下特征:
(1)動(dòng)態(tài)選擇路徑的能力:匯聚節(jié)點(diǎn)的生命周期直接影響到整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期。在信息的傳遞過(guò)程中,匯聚節(jié)點(diǎn)的使用頻率最高,能量消耗最大。當(dāng)某一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)的能量消耗過(guò)大時(shí),傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠根據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)的能量消耗狀況,動(dòng)態(tài)地選擇能量消耗少的節(jié)點(diǎn),進(jìn)行信息的傳遞,平衡整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點(diǎn)的能量消耗,可以延長(zhǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期。
(2)動(dòng)態(tài)選擇匯聚節(jié)點(diǎn)的能力:匯聚節(jié)點(diǎn)的生命周期直接影響到整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期。在數(shù)據(jù)傳遞過(guò)程中,匯聚節(jié)點(diǎn)的使用頻率最高,能量消耗最大。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)具有多個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)時(shí),傳感器網(wǎng)絡(luò)需要根據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)的能量消耗狀況,動(dòng)態(tài)地選擇能量消耗少的節(jié)點(diǎn),進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞,平衡整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點(diǎn)的能量消耗,延長(zhǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期。
(3)快速的數(shù)據(jù)融合處理能力:多傳感器的信息采集過(guò)程同時(shí)也是多信息的融合過(guò)程。網(wǎng)絡(luò)的高運(yùn)行效率要求傳感器節(jié)點(diǎn)能夠進(jìn)行快速的信息融合和分離。