时间：2022-11-30 02:30:01 | 来源：信息时代
时间：2022-11-30 02:30:01 来源：信息时代
无线传感器网络生命周期 : 无线传感器网络开始工作到指定百分比的传感器节点无法与汇聚节点进行通信的时间间隔。与无线传感器网络生命周期相关的是传感器节点的生命周期。传感器节点的生命周期是指从传感器节点开始工作起到传感器节点失效的时间间隔。
无线传感器网络生命周期是衡量传感器网络好坏的一个重要的依据。一个无线传感器网络无论传输数据多么准、多么快,如果其生命周期极短,那么这个无线传感器网络不是一个实用的网络。衡量一个无线传感器网络的优劣,首先要看该网络的生命周期有多长,最多能工作多长时间,是否能满足用户所需要的应用时间。
使无线传感器网络的生命周期最大化是无线传感器网络追求的重要目标之一。通常,传感器的体积很小,只能携带十分有限的电池,并且传感器分布地域广,工作区域环境复杂,有些区域人员不能到达,所以不能通过更换电池来补充能源。
一方面是改进传感器硬件,在设计传感器节点时,保证能量供应的持续性是一个重要的设计原则。使传感器能携带更多的能量,从而达到延长传感器网络的生命周期的目的。无线传感器节点能量消耗的模块主要是包括数据感知模块、数据处理与控制模块和无线通信模块,而绝大部分的能量消耗是集中在无线通信模块上,约占整个传感器节点能量消耗的80%。另一方面是在软件上设计一些优化的算法来最大限度地节约能量,进而延长无线传感器网络生命周期。主要侧重数据采集和传输、路由协议算法的设计等方面。能量有效的数据收集策略通过高效利用能量来最大化无线传感器网络的生命周期,进而在有限的时间收集更多的数据。
在路由算法方面,提出了多种路由协议和启发式路由算法。无线传感器网络虽然属于无线通信网络,但与传统的无线通信网络相比,还有着很大的不同。传统无线通信网络设备没有能量约束问题,其研究的重点放在了如何提高无线通信的服务质量(QoS)上。而无线传感器节点是随机分布的,电池供电,无持久能量供应保证,无线传感器网络要求能够有效利用节点能量的路由协议。另外,在无线传感器网络中,路由协议还要考虑全网能量的均衡消耗,这样才能避免因为某些节点的过早衰亡而导致与部分子区域的连接失效,实现延长无线传感器网络的生命周期的目的。同时,无线传感器网络是以数据为中心的,这在路由协议中表现得最为突出,每个节点没有必要采用全网统一的编址,选择路径可以不用根据节点的编址,更多的是根据感兴趣的数据建立数据源到汇聚节点之间的转发路径。基于上述原则,存在多种类型的传感器网络路由协议。当前流行的几个无线传感器网络的路由协议如下:
信息协商协议(sensor protocol for information via negotiation,SPIN)。是一种以数据为中心的自适应路由协议,节点消息分为: 数据描述、数据请求和数据。目的是通过节点之间的协商,解决泛洪(flooding)协议和gossiping协议的内爆和重叠现象。
定向扩散(directed diffusion,DD)协议。是一种基于查询的路由机制。整个过程可以分为兴趣扩散、梯度建立和路径加强三个阶段。在兴趣扩散阶段,汇聚节点向传感器节点发送其想要获取的信息种类或内容。兴趣消息中含有任务类型、目标区域、数据发送速率、时间戳等参数。每个传感器节点在收到该信息后,将其保存在缓存中。当信息要求传遍整个传感器网络后,便在传感器节点和汇聚节点之间建立起一个梯度场,梯度场的建立根据成本最小化和能量自适应原则。一旦传感器节点收集到汇聚节点感兴趣的数据,就会根据建立的梯度场寻求最快路径进行数据传递。该协议的优点是: 使用数据聚合减少了数据通信量; 采用多路径使得健壮性较好; 通过查询驱动机制按需建立路由,避免保存全网信息; 汇聚节点能够根据自适应地采取增强或减弱方式来有效利用能量。
低能量自适应的聚簇分层协议(low-energy adaptive clustering hierarchy,LEACH)。是一种以最小化传感器网络能量损耗为目标的分层式协议。其实现过程分两个阶段: 成簇阶段和稳定阶段。该协议的主要思想是通过随机选择簇头节点,平均分担无线传感器网络的中继通信业务来达到平均消耗传感器网络中节点能量的目的,延长网络的生命周期。LEACH协议可以将网络生命周期延长15%。利用数据聚合,LEACH协议有效地减少了网络通信量。
对上述协议的比较分析表明,一个好的无线传感器网络路由协议应具备如下特征:
(1)动态选择路径的能力:汇聚节点的生命周期直接影响到整个传感器网络的生命周期。在信息的传递过程中,汇聚节点的使用频率最高,能量消耗最大。当某一个汇聚节点的能量消耗过大时,传感器网络能够根据汇聚节点的能量消耗状况,动态地选择能量消耗少的节点,进行信息的传递,平衡整个网络的汇聚节点的能量消耗,可以延长传感器网络的生命周期。
(2)动态选择汇聚节点的能力:汇聚节点的生命周期直接影响到整个传感器网络的生命周期。在数据传递过程中,汇聚节点的使用频率最高,能量消耗最大。当网络具有多个汇聚节点时,传感器网络需要根据汇聚节点的能量消耗状况,动态地选择能量消耗少的节点,进行数据的传递,平衡整个网络的汇聚节点的能量消耗,延长传感器网络的生命周期。
(3)快速的数据融合处理能力:多传感器的信息采集过程同时也是多信息的融合过程。网络的高运行效率要求传感器节点能够进行快速的信息融合和分离。
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