传感器网络工作效率研究new 4页

第29卷增刊南京理工大学学报Vol.29Supp2005年10月JournalofNanjingUniversityofScienceandTechnology一一一一一一一Oct.2005传感器网络工作效率研究吴晓蓓，黄成，徐志良(南京理工大学自动化系，江苏南京210094摘要:该文简要介绍了传感器网络的构成，综合分析了传感器网络工作效率相关技术的研究，重点介绍了在传感器网络中与效率分析有关的系统节能策略、网络连通性问题及节点定位问题，提出了几种针对这些问题的解决方法。最后，指出了需要进一步研究解决的相关课题。关键词:传感器网络;节能;连通性;节点定位;工作效率中图分类号:TP29文献标识码:A文章编号:1005一9830(2005)S0一0046一04WorkEfficiencyofWirelessSensorNetworkWUXiao-bei，HUANGCheng，XUZhi-hang(DepartmentofAutomation,NUST,Nanjing210094,China)Abstract:Thispaperpresentsabriefintroductiontothearchitectureofwirelesssensornetwork(WSN)，makestheresearchontheclosetechniquesfortheworkeficiencyofWSN，andanalyzesproblemsofthetechniqueofenergyconservationinworkefficiency,theconnectednessofnetwork,andnodelocating.Thepaperalsoelabo-ratessolutionstotheseproblemsandproposesafewsuggestionsforfurtherstudies.Keywords:wirelesssensornetwork;energyconservation;connectedness;nodelocating;workefficiency传感器网络是一种基于无线局域网、由“侦测”功能发展起来的网络架构模式，可以实现信息的采1传感器网络构成集、处理、传输及利用。传感器网络具有高感知能力，能实现快速布局，且构成网络的传感器节点数量1.1传感器节点庞大，节点之间以自组织的方式构成等特点「’〕。传传感器网络由数量庞大的节点以自组织方式构感器网络在军事领域和民用领域中均有着非常广阔成，传感器节点构成了网络的硬件基础。节点具备的应用前景，如军事侦察、环境监测、医疗监护、城市3个功能:首先，作为现场信息采集单元要完成信息交通管理及有毒有害的工业场合等。已经引起了世的采集并按要求对采集到的信息进行适当的预处界许多国家军事界、学术界、工业界的高度重视。理，因此节点包括数据采集模块及数据预处理模块;在传感器网络的应用中，对其工作效率的研究其次，传感器节点还具有信息转发功能，将采集到的是十分重要的，它将直接影响到传感器网络设计中现场信息通过一定的方式传输到其他节点或信息处的鲁棒性、可靠性及对环境的适应性等问题。理中心，因此节点还必须包括通信模块来完成信息收稿日期:2005一06-08基金项目:南京理工大学科研发展基金作者简介:吴晓蓓(1958一)，女，教授，博士生导师，主要研究方向:智能控制、网络控制，E-mail;Wuxb@mail.njust.edu.en, 总第144期吴晓蓓黄成徐志良传感器网络工作效率研究的接收、传递等;第三，当节点处要实现某种控制作面是网络的具体结构;另一方面是网络中节点的电用时，还需要有控制模块。文献「2〕给出了传感器节源能量、器件故障以及各节点受干扰的情况。对随点的一种基本模型。应用中，并不是所有的节点都机布撒的传感器网络，其拓扑结构可能一直处于动需要控制模块。传感器节点的基本组成可以表示成态的变化中。节点的失效或废弃是传感器网络必然如图1的形式，它包括传感器、ADC,CPU及存储器、存在的。当传感器网络有节点失效时，对整个网络通信模块、控制模块及电源(能量)等，当不需要控制的信息采集及传输都具有一定影响，若在同一个局作用时，节点组成如图1中虚线框内部分所示。部区域有较多的节点失效，剩余的节点有可能不能再有效的对区域内信息进行采集，或者采集到的信息不能及时的传输至信息处理中心，这时在网络中就出现监测盲点。出现这种情形时，需要采取一定的措施来提高该区域的感测能力，以提高整个网络的工作效率，比如可以在该区域再次布撒部分节点或通过一定的方式进行重构等。对传感器网络工作效率的研究可从以下4方面展开:(1)在信息采集阶段，主要考虑节点是否能够对区域内信息进行有效的监测，如节点工作是否可靠，是否已经覆盖整个区域以及如何将信息与节点图1传感器节点组成(SensorNode)进行相关联等，即传感器网络的组网技术及节点定传感器网络中的节点不但要完成信息的采集、位等问题;(2)在信息传输阶段，主要考虑网络是否传输、预处理等，有时还涉及到较为复杂的任务调度连通，信息能否有效且可靠的传输等，即网络的连通及管理，因此在传感器网络中节点还可能带有嵌人性问题及通信的可靠性问题;(3)在控制阶段(需要式操作系统以进行更有效的管理，嵌人式操作系统控制功能时)，控制器件是否完好;(4)节点的电源可以是通用的如UCOS一11等，也可以是专门针对传能量是否充足，是否能保证本节点正常工作。感器网络开发的操作系统，如UCBerkeley开发的事实上，上述4个方面对传感器网络的影响不是孤立的，它们之间既有联系又有独立。比如，当一TinyOS[3]。1.2组网技术个节点的电能完全用尽时，其它的环节即便是正常在传感器网络中，节点通过布撒、人工布置等方的该节点也完全失效;若电源能量没有用尽但不足，式，大量部署在感知对象内部或附近。这些节点通虽然可以施加一定功率的控制但效果不理想，表示过自组织方式构成无线网络，以协作的方式感知、采该节点部分失效，这时就要综合考虑邻近节点的作集和处理网络覆盖区域中特定的信息，可以实现对用。如何准确地将节点对传感器网络效率的影响描任意地点信息在任意时间的采集、处理和分析。述出来并加以分析和研究，是十分有意义的工作。大量的节点构成了传感器网络，而网络中各节点的相互关系则决定了网络的架构模式，包括节点3工作效率研究中的关键问题的空间位置、通信关系等[’]，这些关系直接影响传感器网络的性质和工作效率。空间位置由节点的布撒3.1系统节能策略方式而定。布撒方式主要有2种:一种是按一定要传感器节点的使用寿命直接影响到网络工作的求和规律进行布撒，这种情况下，往往手动配置节稳定性及使用效率，而直接影响使用寿命的是节点点，信息通过预定路径传输;另一种是按一定统计规有限的能源。传感器网络中的节点一般采用电池供律随机布撒，这种情况在模型形式上具有随机性和电，能量极其有限。节点不仅要完成信息的采集，还不确定性，节点间通过自组织的方式构成网络仁’〕，完要完成信息的变换、路由选择、信息传输及发射等，成现场信息采集，并将信息传输到信息处理中心。还可能要进行信息预处理及节点本身的一些管理，完成每一项功能都要消耗能量，一旦出现能量供应2传感器网络的工作效率不足将导致节点失效，从而造成网络拓扑结构的变化，直接影响到网络的稳定性、可靠性及工作效率。传感器网络需要完成现场信息的采集、传输及为延长节点的使用寿命以提高网络的稳定性和工作控制等，其工作效率主要受2个方面的影响。一方效率，在传感器节点设计过程中，可以采用一些技术 南京理工大学学报第29卷增刊和手段，如选择合理的设计方法、元器件，节约功耗，对于传输链路的连通性问题，可以用图论中有提高节点寿命等。降低系统功耗、延长节点使用寿关无向图连通的概念来表示，定义如下:命是传感器网络在迈向实用阶段时所必须要考虑的对无向图‘二(V,E)，如图中不存在孤立点，重要问题。实际设计过程中，一般都是同时从多个即任意两点间至少有一条路径，则称‘是连通角度出发考虑，尽可能延长节点使用寿命。简单介图[91。由于传感器节点都有一定的通信半径〔101，当绍几种常用的方法:(1)从硬件构成来看，首先要选节点间的通信距离小于通信半径时，正常情况下就择低功耗的器件，低功耗器件与传统器件相比可以可认为这两个节点是连通的。要保证传感器网络完大大降低器件本身的功耗;其次在满足信息采集要成信息传输，网络至少应保持单点连通，即必须确保求的前提下，优先选用无源传感器。这些方法在器在传感器节点的有效通信半径内，至少存在一个其件选用、电路设计等阶段就可以大大降低节点工作他的有效传感器节点。由于传感器节点的失效是一所需功耗，达到节能的目的。(2)从算法复杂度来种普遍存在的情况，因此上述这种单点连通的网络看，算法越复杂，计算所消耗的能量也越多，文献[5]在信息传输链路上是不可靠的。为保证网络能可靠给出了节点计算所需消耗的能量模型，所以在满足的工作，网络应具有一定的连通度，如2点连通或多功能要求的前提下，所用算法应尽可能简单，或采用点连通〔川。这儿以一个简单的例子来进行说明，图一些低功耗的算法，如路由算法中的LEACH[61算法2中，节点1,7之伺存在一条信息传输路径1->3-*等。(3)从信息传输来看，信息发射所消耗的能量7;图3中，节点1,7之间存在4条信息传输路径1->题高于计算所消耗的能量，无线射频的发射能量与2-5-7,1-3-7,1-6-7和1-4-70距离的平方成正比[7l，多跳通信方式比单跳方式更节约能量，所以传感器网络中多数采用多跳传输的方式，但采用多跳通信后，网络的拓扑管理以及传输链路将相对更复杂，这在应用中是要注意的。(4)从功能管理来看，实际工作时，节点上所有的工作单元不必时刻保持在正常的工作状态，因此可以采用休眠一唤醒方案。文献〔8」将节点的实际工作情况分为5种工作状态，在操作系统的调度下进行切换，在满足系统功能需要的前提下，节省功耗，延长节点使用寿命。图2单点连通图3.2网络连通性问题图2中，一旦节点3失效，节点1的信息将无法为有效地采集信息并进行可靠传输，传感器网传输;图3中，即使节点3失效，节点1的信息还可络必须是连通的。与传感器网络的基本功能对应，以从其他3条信息传输链路到达节点7，只要这4条网络的连通性从下面2个角度来考虑:(1)从信息通路中的任意一条畅通，信息就可进行传输，显然，采集而言，传感器网络能够对区域内指定信息进行从网络结构而言，此时网络的健壮性大大增强。同有效采集，由于单个节点监测的空间范围有限，因此时也应该看到，随着连通度的增加，一方面网络的工所有节点的监测空间要能覆盖整个区域，此时采集作效率、健壮性得到提高，另一方面也增加了网络结到的信息经融合处理后可以满足要求，那么可认为构的复杂度及更多的通信开销等。所以在进行网络网络在信息层上是连通的;(2)从信息传输的链路设计时需要同时兼顾到多方面的影响。而言，节点采集到的信息必须要可靠的传输至目的地(可能是中间节点，也可能是信息处理中心)，因此网络传输的链路也必须是连通的。由传感器网络的组网技术可以知道，对于拓扑结构固定的网络，节点是手动配置的，因此可以保证传感器网络在信息层上是连通的;对于随机网，传感器网络在信息层上是否连通与布撒方式有关，为了保证对区域内信息的有效采集，往往将布撒的节点数取得较多且符合一定的统计规律，因此也以可保图3多点连通图证传感器网络在信息层上连通。 总第144期吴晓蓓黄成徐志良传感器网络工作效率研究此时传感器网络工作效率问题的研究就转化为5结束语能否保持网络连通性的问题，在此基础上可以开展传感器网络的研究目前还处于起步阶段，然而网络的鲁棒性、复杂性等研究。其巨大的应用价值越来越引起各方面的关注，正因3.3节点定位问题如此，其工作效率的研究也将凸显其重要性，如何评信息的一个重要特征就是具有时空性，信息的价传感器网络的工作效率是一个需要深人研究的问采集总是针对具体位置的被测对象而言，传感器获题，本文简要阐述了传感器网络效率研究的一些方得的数据在结合具体的位置信息后才有实际意义。向、内容，期望借此为进一步的研究提供一个良好的在传感器网络的实际应用中，孤立的一个节点或几基础。个节点的信息没有太大的实际价值。网络中得到的各个节点的信息在进行校准、关联后，统一时空上的参考文献:坐标，处理后的各个节点信息经一定的信息融合算法处理，获得区域内完整、有效且可靠的信息，在此r，，es1es1卫L尚志军，曾鹏，于海斌.无线传感器网络节点定位问题基础上可以进一步作出行为估计、态势评定等。在[J].计算机科学，2004,31(10):35一38.r，2对信息进行校准、关联时就需要对节点进行定位。es.L.JSinhaA,ChandrakasA.Energyyawaresoftware「A].Proc此外，传感器节点易受外界因素干扰而出现失VISIDesign[C].Calcutta:50一55,2000.效等异常情况，一旦网络中出现节点异常，根据节点[31UniversityofCaliforniaatBerkeley.TinyOS[Z].http二刀定位方法，可以快速发现异常节点，网络根据环境的webs.cs.berkeley.edu/tos.变化作出相应的应对措施，实现网络拓扑的自配[4]BulusuN,HeidemannJ,BychkovskiyV.Density-adaptive置[121，提高网络工作效率。beaconplacementalgorithmsforlocalizationinad-hocwire-为了实现节点定位，网络中应有一定比例的节lessnetworks[J].IEEEInfocom2002[C].NewYork,2002.[5]ChandrakasanA,BrodersenR.LowpowerdigitalCMOSde-点位置已知或者节点带有GPS功能，由于传感器网sign[M].Kluwer,MA:Norwel,1995.络的节点大多采用随机布撒的方式，因此采用节点[6]HeinzelmanWR,ChandrakasanA,BalakrishnanH,etal.带(TIs系统的方法更有利于实现节点定位。由于Energy-eficientcommunicationprotocolforwirelessmi-随机布撒的传感器节点数量较多，从经济角度看，所crosensornetworks[A].Proceedingofthe33rdHawaiiInter-有的节点都带有GPS功能显然不太现实，一种经济nationalConferenceonSystemScience[C].2000,8:8020.的做法是网络中部分节点带GPS功能，以这些节点[7]ShihE,ChoSH,IckesN,etal.Physicallayerdriverproto-作为参考节点(称为锚节点)，其余节点根据参考节colandalgorithmdesignforenergy-eficientwirelesssensor点的信息通过几何测量算法来计算出自身的位置。networks[A].Proceedingsofthe7thannualinternational文献〔6〕对这种带参考节点的节点定位方法作了比conferenceonmobilecomputingandnetworking[C].Rome较详细的综述。Italy.200卜272一287.[8]SinhuaA,ChandrakasanA.DynamicPowermanagementinwirelesssensornetwork[J].IEEEDesignandTestofCom-4研究展望puter,2001，18(2):62一74.仁9〕孙惠泉.图论及其应用〔M].北京:科学出版社，2004.传感器网络能否正常、可靠地工作直接影响着仁101MarkT.Jones,Chair.Distributedalgorithmsfortasking网络对现场信息的获取，通过对传感器网络工作效largesensornetwork[D].VirginiaPolytechnicInstituteand率的研究可以进一步研究提高传感器网络的生存周StateUniversity,2001.期的方法。在效率研究方面，不同的学科其研究重[11〕孙永进，孙雨耕，陈宝江，等.无线传感器网络1点和2点有所不同，主要有以下几个方面:(I)更有效的降点连通可靠性研究【J].传感技术学报，2004(3):379-385.低节点功耗，提高其可靠性，延长使用寿命;(2)保证网络通信畅通，且具有较高的连通度，使网络有效[12]CerpaA,EstrinD.Ascent:Adaptiveself-configuringsensornetworktopologies[R].TechnicalReportCSD一TR01-可靠的工作，同时要保持合理的网络复杂度及减小0009,UniversityofCalifornia,LosAngeles,ComputerSci-通信开销;(3)当节点能够移动时，如何实现准确定enceDepartment,2001位;(4)传感器网络对环境的适应性问题。