无线多媒体传感器网络QoS 保障问题
孙 岩,马华东
(北京邮电大学智能通信软件与多媒体北京重点实验室,北京100876)
摘 要: 作为一种全新的信息获取和处理技术,无线多媒体传感器网络在军事、工业、商业、环保中具有广阔的应用前景.无线多媒体传感器网络感知媒体丰富、数据量大,处理任务复杂等显著特点,使其QoS 保障问题的研究极具挑战性.本文就此问题,总结了无线多媒体传感器网络的QoS 需求及其当前所面临的技术挑战.从MAC 层、网络层、传输层、应用层、交叉层以及中间件六个方面,着重描述了无线多媒体传感器网络QoS 保障的国内外研究进展.最后,分析了当前亟待解决的问题以及未来的研究趋势.
关键词: 无线传感器网络;多媒体;QoS
中图分类号: TP393.02 文献标识码: A 文章编号: 0372-2112(2008)07-1412-09
The QoS Guaran tee Problem for Wireless Multimedia Sensor Networks
SUN Yan,MA Hua -dong
(Bei jing Ke y Laboratory o f Intelligent Te lecommunications So ft ware and Multi me dia ,Be ijing U niversity o f Posts and Te lecommunic ations,Bei jing 100876,China )
Abstract: Wireless multimedia sensor network is a novel information acquiring and processing technology.Its potential appl-i cations s pan a wide spectru m from military to indus trial,from commercial to environmental monitoring.The disti nct features of w i re -less multi media sensor networks,such as various media category,great data amo u nt,complex pro cessing task,make the issue of QoS guarantee in wireless multimedia sensor networks is challenging.This paper explores this issue,and discusses the QoS requi rements and technical challenges faced in this field.In particular,this paper summarizes the current research progresses from six aspects:M AC layer,network layer,transport layer,application layer,cross layer and middleware.Finally,the problems to be solved and the research trend are als o pointed o u t.
Key words: wireless sensor networks;multi media;Qo S
1 引言
监测环境的日趋复杂多变,迫切需要将信息量丰富的图像、音频、视频等媒体引入到以传感器网络为基础的环境监测活动中来,实现细粒度、精准信息的环境监测.无线多媒体传感器网络(Wireless Multi media Sensor Ne tworks,WMSN)就是面向上述目标的一种新的无线传感器网络形式.近年来,W MSN 技术的研究已引起了科研人员的密切关注[1,2]
,不少学者开展了WMSN 方面的探索性研究.目前,在网络体系结构、节点硬件平台、通信协议设计、协同信息处理、能量节省策略等方面积累了一些研究成果;然而,WMSN 中服务质量(QoS)这一重要的研究领域尚未受到广泛关注.WMSN 所具有的感知媒体丰富、处理任务复杂等显著特点,使得WMSN 中
QoS 保障问题成为一项富有挑战性的研究课题.
QoS 差异性是WMSN 的一个重要特征.在不同的网络功能层面,感知和解释QoS 的方式也不尽相同.例如,应用层QoS 通常为用户和应用感知的质量;而网络层QoS 被定义为网络提供给用户的服务质量的一种尺度.QoS 指的是网络上的一个保障,即根据时延、抖动、带宽和包丢失率,提供给用户/应用一系列可测的服务属性.应用/用户并不关心网络如何管理资源以提供QoS 保障,他们只关注网络提供的服务本身,即直接影响应用质量的服务.从网络的观点来看,网络的目标是在最大化资源利用率的同时提供QoS 服务.在传统的数据网络中,QoS 需求源于大量出现的渴求端到端带宽资源的多媒体应用.端到端QoS 参数的差异直接导致了多媒体应用的不同QoS 需求.因此,多媒体应用与无线传感器网
收稿日期:2007-03-13;修回日期:2008-05-10
基金项目:国家/8630高技术研究发展计划(No.2006A A 01Z304);国家自然科学基金(No.90612013);北京市自然科学基金(No.4062024);教育部新世纪人才支持计划
第7期2008年7月电 子 学 报ACTA ELECTRONICA SINICA Vol.36 No.7
July 2008
络的结合产生的WMSN对QoS尤其敏感,迫切需要针对用户各类需求部署多种网络QoS机制.
网络自身的特征决定了其在QoS保障方面具有独特的约束.WMSN资源受限且众多类型服务共存,不同服务产生的QoS需求有很大不同,传统的QoS参数已经不足以进行描述.因此,需要补充定义新的QoS参数以测量不同类型数据的采集、处理和传输.通过测量这些QoS参数,网络设计者可以研究WMSN体系结构以及自适应的QoS保障机制.目前,WMSN中QoS保障问题的研究尚处于起步阶段.WMSN由于节点数目众多、密度大、网络资源受限且受环境影响,具有时变特性;加上网络节点失效和新增造成的网络拓扑动态性,使其QoS保障问题的研究更为复杂.QoS保障体系是WMSN设计的关键问题,研究WMSN的QoS保障问题具有十分重要的理论意义和实用价值:(1)有效利用网络资源,最大限度延长网络工作寿命;(2)平衡W MSN中众多服务的QoS 需求,对各类服务的QoS参数有效折中,最大限度地满足各类服务的质量要求;(3)满足WMSN中实时性应用的需要,以解决带宽资源有限时更易出现的网络拥塞;
(4)建立适于WMSN特点的QoS框架,满足多种业务对服务质量的不同要求.
针对W MSN资源受限、感知媒体丰富以及处理任务复杂等特点,本文总结了WMSN的QoS需求,着重探讨了WMSN中QoS保障所面临的技术挑战,并且从网络的各个功能层面(MAC层、网络层、传输层、应用层以及交叉层)和中间件方面详细介绍近年来国内外研究学者在无线传感器网络,特别是在WMSN中QoS保障方面取得的研究进展.最后,本文指出了当前亟待解决的问题,并展望其未来的研究趋势.
2WMSN的QoS需求
WMSN中用户关注的主要服务质量参数如下:
(1)系统寿命系统寿命定义为从系统部署到系统不能满足用户服务需求的时间.系统寿命主要受系统能耗的影响,WMSN中能耗主要在以下几个方面:1)计算、存储、传输以及媒体处理的功耗;2)维护网络拓扑连通性的功耗;3)保障最大网络覆盖率的功耗;4)保障定位精度的功耗;5)保证WMSN同步的功耗.
(2)传输效率多媒体信息的大数据量特性对传输效率(带宽)提出了更高的要求.首先,对于视频传感器节点来说,配置设置(如帧速率、摄像头的分辨率及压缩编码方式,都会影响传输所需要的带宽.其次,要确定在无线传输网上采用何种带宽策略及QoS机制.最后,要根据WMSN中各类服务的特点,合理地分配带宽,提高传输效率.
(3)时延多媒体信息所包含的信息含义与时间密切相关,具有时间连续性和实时性的特点.在W MSN 中,周期性的音视频流对时延非常敏感,要求很短的端到端时延.端到端时延主要由处理时延(包括模数变化,压缩编码等复杂计算)、发送时延、排队时延、中间节点的融合汇聚等处理时延以及汇聚节点的恢复和校验时延所构成.
(4)抖动抖动是WMSN中评价实时业务质量的主要指标之一,时延抖动对于音视频流来说是至关重要的.业务时延抖动指标主要受以下因素的影响:1)并发服务用户数;2)网络数据传送能力;3)中间转发节点的缓存能力.
(5)数据准确度数据准确度指的是在接收端汇聚节点恢复数据的精确性.数据准确度主要由以下6个因素决定:1)感知数据本身的准确性;2)与数据密切相关的位置和时间信息的准确性;3)采集数据预处理的精确性;4)数据丢包率;5)数据的差错率;6)数据恢复的正确性.
(6)数据新鲜度数据新鲜度指的是从传感器节点采集到数据并发送到中间存储节点(查询应用)或者汇聚节点的时延.数据新鲜度主要由发送时延和处理时延来度量.
(7)数据分辨率数据分辨率指的是数据恢复的时空粒度.由于在WMSN中对媒体数据的处理大多包括时空汇聚,因此数据分辨率受监测环境数据量的影响.
(8)覆盖率覆盖率反映了网络对物理世界的感知能力.对网络覆盖性能的测量使我们能够了解是否存在监测盲区,从而重新调整传感器节点分布或者添加传感器节点提高系统覆盖性能.因此,覆盖率计算已不单纯是部署问题,而是一个服务质量问题.
(9)定位精度定位精度是指多个传感器节点协同估计的目标位置与目标实际位置之间的差异.定位精度的主要影响因素有:1)目标物理信号转化为传感器观测值的感知模型,以及相关的误差模型;2)参数估计方法的选择;3)参与定位的节点数目,即参加估计的观测值的数目;4)节点之间的同步性.
3W MSN中QoS保障的挑战
W MSN服务质量保障是个较新的研究课题,至今该领域研究成果,尤其是实用性成果并不多见.在继承了传统无线传感器网络QoS技术挑战的同时,服务的多样性决定了WMSN具有独特的技术挑战:
(1)资源受限:资源受限主要体现在能量、带宽、内存、缓存大小、处理能力以及发送功率等方面.WMSN中音视频流对带宽的需求很大,迫切要求简单有效的音视频压缩算法降低对带宽的占用.
(2)多种服务:WMSN支持的服务种类众多,不同种
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第7期孙岩:无线多媒体传感器网络QoS保障问题
类的服务对QoS的不同参数关注程度是不尽相同的,需要综合考虑并设计出尽可能同时满足多种业务流QoS 需求的QoS保障机制.
(3)海量数据:W MSN中节点采集的音视频数据量大,多相邻节点间采集大量的冗余数据,造成有限网络资源的浪费,需要采用数据融合降低冗余节约能量.但上述方法会影响音视频质量并复杂化QoS设计.
(4)实时性:多媒体信息对传输的时延要求很高, WMSN应采用更合理的业务调度和传输策略.目前, WMSN的带宽资源以及处理能力还相当有限.能否有效解决多媒体的实时传输问题,也是WMSN实用化的关键.
(5)平滑抖动:音视频的实时应用对于抖动十分敏感,即使是非常小的抖动也会给语音和视频的实时应用带来不可忽视的影响.因此,利用分布式处理平滑抖动是W MSN中重要的研究领域.
(6)同步:WMSN中同步包括三个层次的同步问题:节点时钟同步、多媒体数据源同步、多路媒体流同步. WMSN的同步问题还少有研究,而传统无线传感器网络的同步研究主要集中在节点时钟同步.
(7)媒体信息处理:媒体数据处理算法往往具有较高的时空运算复杂度,对于W MSN节点的处理能力是一个挑战.因此,需要对信息处理质量与计算复杂度进行折中,并发挥多节点协作的优势,设计出相应的分布式策略保障媒体信息处理的QoS.
(8)覆盖有效性:有效覆盖是保障QoS的基础.作为WMSN主要节点类型的视频传感器节点,感知范围是一个扇形,具有方向性感知特性.因此,传统的覆盖控制方法不能完全有效适用于WMSN,需要设计基于有向感知模型的新型覆盖控制方法以满足覆盖有效性需求.
(9)定位准确性:WMSN的目标定位不是一个独立的基础问题,而是涉及到多层次多方面的系列问题,迫切需要设计优化的WMSN目标定位策略.
(10)网络动态性:网络动态性通常是由无线链路故障、节点新增和失效、节点移动以及采用功耗管理和能量有效机制带来的节点状态转移所引起的,而网络的变化无疑会增加QoS保障的复杂性.
4WMSN中QoS保障研究进展
目前,专门针对WMSN中QoS保障的研究成果较少,相关研究成果主要集中在传统无线传感器网络的QoS保障策略,往往是针对某个功能层面或是特指某个应用场景.下面就按照MAC层、网络层、传输层、应用层、交叉层和中间件六个方面介绍传感器网络中QoS保障的研究现状.
411MAC层QoS保障研究
在WMSN中,除了兼容传统传感器网络的MAC层QoS需求,例如带宽、能耗、竞争能力、冲突避免以及信道干扰以外,还需包括两个新增的QoS需求:1)保证实时性数据包时延要求;2)针对不同服务的QoS需求,提供相应数据包适合的优先级.
国内外学者开展了大量能量感知的MAC层协议研究[2,3],但缺少从节能的角度考虑实时性调度和实时性保障.就实现机制而言,现存的MAC协议可分为三类:免竞争占用、竞争占用和混合机制,如图1所示.
A.免竞争占用
免竞争MAC机制通常基于TDMA、FDMA或者CD-MA[4].SMACS[5]是一种基于TDMA的分布式MAC层协议,通过合理安排信道占用时间以及带延时的随机唤醒机制,有效减小能量损耗.在EDF调度算法[7]的基础上,文献[6]提出一种基于F DMA的MAC协议,相邻簇使用不同的频率通信,各簇内节点间采用TD MA方式通信.该机制保障了实时性业务的传输、带宽以及时延限制.但是,多种频率在现有的传感器硬件平台上实现比较困难.文献[8]提出一种基于CDMA的MAC层机制,该机制可提供多簇间带宽资源的灵活配置、提高安全性及业务吞吐量,并减少了内部通道间干扰,有效地提高带宽利用率.但需要特殊的传感器硬件支持,实现代价较大.
B.竞争占用
基于竞争的MAC协议采用按需使用信道的方式,文献[9]提出一种分布式方法以支持传感器网络中区分服务.算法利用数据包的优先级来决定竞争窗口的大小,根据竞争窗口取值决定退避时间,从而使得高优先级数据包的退避时间更短一些.Q UIRE[10]针对大规模密集型传感器网络研究如何保证QoS需求且最大化MAC 效率.Q-MAC[11]旨在最小化网络能耗的同时,利用优先级机制区分网络业务以达到保证各类业务QoS的目的.文献[12]提出新型排队分析框架以研究单个节点上能耗和其他QoS需求的折中.
C.混合机制
混合机制结合了免竞争占用和竞争占用两种机制的优点,每一时间周期通常包括两个子周期:预约(竞争)周期和发送(免竞争)周期.文献[13]将整个网络分成若干网格,在同一个网格中的节点可以互相通信.节点在预约周期交换三条消息以预约发送/接收数据的时隙.一旦预约完成,节点可以在免竞争周期发送/接收数
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据.如果在时延最终期限之前,既可完成预约又可保证数据在免竞争周期成功发送,则保障了实时性业务的时延限制.
总结三类MAC 协议的优缺点,如表1所示.
表1 MAC 协议分类
类型
优 点
缺 点
免竞争占用有效减少碰撞,增加吞吐量,降低时延,保障了实时性业务传输,尤其适合于WMSN.
复杂性较高、需集中
控制,对节点硬件要求高.
竞争占用便于使用,易于扩展,适用于处理多种业务流.
无法像免竞争机制一
样为业务提供
实时性保证.
混合机制扩展性好,且控制开销和冲突开销较小,节省网络资源.
邻居节点间需要进行
同步.
综上所述,较之免竞争占用和竞争占用两种机制,混合机制更加适合于WMSN.混合机制不仅可以保证实
时性业务的时延约束,还可以提高资源利用率.采用合理的业务调度策略,混合机制在保证实时性业务的同时,还可最大化非实时业务的吞吐量,从而提高整个网络的带宽利用率.
412 网络层QoS 保障研究
WMSN 中QoS 感知的路由协议,其基本目标是为不同服务找到满足其QoS 需求的一条从源节点至汇聚节点的路径,其中路径约束条件包括带宽、时延、丢包率、搜索次数、距离、流量条件等.目前对WMSN 中QoS 感知的路由协议研究成果较少,本节从实时性、可靠性以及多QoS 参数约束三个方面深入探讨近年来传感器网络中QoS 路由协议取得的成果,如图2所示.
A.实时性
传统的实时性保障方法主要分为两大类,即综合服务和区分服务.在W MSN 中,由于网络资源的受限以及链路的动态变化,对每个流预留资源不利于业务扩展.因此,区分服务比较适合大规模的WMSN.
文献[18]提出了无线传感器网络中第一个QoS 感知的路由协议-SAR.该协议不仅考虑了每条路径的能量,还涉及端到端的延时需求以及待发送数据包的优先级.但需较大开销,不适于大型和拓扑频繁变化的网络.Akkaya 等[19]提出了一种WMSN 中服务感知、实时性保障的QoS 路由协议,引入区分服务的概念,保证这两类
数据包(事件驱动数据包,流媒体数据包)的QoS 需求.缺点在于对实时性业务流不支持多种优先级别.对WMSN 而言,多媒体业务流单一的优先级无法满足其QoS 需求.MMSPEED [20]是一种提供包转发机制的多路多速率路由协议.每一跳都以区分优先级作为数据包转发调度策略.该方法涉及有效性和可靠性两方面.文献[21]针对视频传感器网络中提出一种分布的路由机制,并引入优先级机制区分事件驱动和周期性的数据包.
B.可靠性事件驱动的服务对于数据传输的可靠性提出了非常高的要求,因此无线传感器网络路由中的一个重要方向是研究可靠的路由协议.通常,可靠路由协议利用节点的冗余性提供多条路径以保证通信可靠性以及实现网络负载平衡.
文献[22]提出预先建立和维护一组路径,不需要周期性洪泛就能恢复从数据源节点到汇聚节点的传输路径.ReInFor M [23]从数据源节点开始,考虑可靠性需求、信道质量等多种因素,确定所需的传输路径,实现可靠的数据传输.MMSPEED [20]利用源节点为每个数据包分配一个概率值(取决于数据包重要程度)以定义预期的可靠性,网络中各节点计算到达其邻居节点的概率值.源节点将概率值和跳往邻居节点的可靠转发概率嵌入到数据包中,并选择出通向目的节点的一组邻居节点,以达到预期的可靠性.这种机制缺点是需要在节点上额外存储更多的状态和跳往邻居节点的可靠转发概率.
C.多QoS 参数约束WMSN 提供的服务具有多种类型,且衡量每类服务QoS 的标准也不尽相同,因此在WMSN 中,应设计服务感知路由以支持多QoS 限制.
文献[24]提出通过选择资源充裕的传输路径以满足动态环境下的延时需求.多条路径的选择并行进行,以确保找到最适合的一条路径.该方法同时兼顾了可靠性和实时性需求.QSR [25]利用蚁群算法寻找最优路径,来满足四类不同业务流的QoS 需求.ASAR [26]针对WM -
SN 中三类基本服务:异常事件告警服务、信息查询服务
以及流媒体查询服务,分析了不同服务的QoS 需求,依据各类媒体数据包不同的QoS 需求,选择相应的路由以合理利用全网资源、提高网络性能.413 传输层QoS 保障研究
WMSN 的一个显著特点是数据量巨大,数据传输速率较高,因此,设计实时、可靠且具有拥塞控制机制的传输层协议非常必要.目前,对无线传感器网络传输层QoS 保证的研究主要集中于实时性、可靠性以及拥塞控制三个方面,如图3所示.
A.实时性
现有无线传感器网络中传输层QoS 保障很少考虑
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时延这一重要参数,针对时延受限的媒体设计实时性传输层协议的研究更是鲜有出现.
RTP是传统网络中传输音视频流的实时性传输协议.在此基础上,文献[27]针对Ad hoc网络设计一种多路实时性传输协议(MRTP),并采用数据分割(也作数据稀释)技术以降低实时性业务数据的排队时延,进而支持Ad hoc网络中实时性业务数据传输.该协议思想对于设计W MSN中实时性传输协议同样适用.
B.可靠性
目前主要有三种典型的保证可靠性的传输层协议.如表2所示.
表2保证可靠性的传输层协议分类
名称方法特点
RMST[28]基于汇聚网络层路由算法设计上的
可靠的多段传输协议,结合MAC层
重发机制、高速缓存模式以及应用
层的冗余来保证数据的可靠传输.缓存模式会带来传输时延,文中未涉及拥塞控制问题.
[29]基于事件到汇聚点的可靠性模型,
汇聚节点可靠的事件发现是基于若
干源节点提供的汇总信息而不是单
个传感器节点的报告.首次提出多端到端的可靠性传输概念;但文献未考虑时延.
PSPQ[30]基于一类应用而提出的可靠数据传
输协议,集中研究错误恢复机制,采
用快取慢存策略控制数据流.有效平衡中间节点的报文缓存数量.
综上,针对WMSN可能提供的众多服务,有待研究多种传输模型并存的可靠性传输协议.
C.拥塞控制
海量的多媒体数据包在W MSN中传输极易引起拥塞,迫切需要适当的拥塞控制机制.目前拥塞控制机制主要基于三方面:1)端到端,端到端路径较长时,会导致拥塞控制性能的下降.2)基于路径,当拥塞发生时,沿路径逐跳通知发送方,可快速地识别拥塞,并通过逐跳检测以防止拥塞发生.3)逐跳,关注拥塞检测并及时向所有邻居节点发送通知,以便快速采用合适的措施以防止即将发生的拥塞.
ESRT[29]是基于多相邻节点间时空相关性提出的传输协议.该协议通过控制网络中节点的数据采集频率以避免拥塞发生.文献[31]提出了一种自适应的资源控制策略,根据拥塞级别来调整资源供给,利用多节点感知数据和多路径缓解网络拥塞状态.文献[32]提出了一种能量有效的拥塞控制策略(CODA),主要采用接收方拥塞检测、开循环逐跳反压以及闭循环多资源调节等方法.414应用层QoS保障研究
应用层QoS通常指用户和应用的感知质量,W MSN 的应用层质量可以定义其应用级的QoS参数,使得下层协议可将应用级的QoS参数映射为系统级的QoS参数.应用层可利用来自底层的反馈调整编码、压缩、差错校验以及编码恢复级别.在WMSN中,实时流媒体的大量应用对音频/视频编码提出了更高的技术要求.无线传感器网络的自身特点决定了单个传感器节点很难支持复杂的MPEGx或者H.26x系列编码[33].相比之下,单个传感器节点支持静态图像编码及压缩(例如JPEG/JPEG 2000)相对可行[34].
近年来,很多应用层QoS保障的解决方案都是基于编码方法设计的,这些方案主要关注压缩及编码机制.我们将现有压缩编码的研究工作分为三类,参见表3.
表3压缩编码方法分类
类型方法特点
差分J PEG
编码[35~37]
节点周期性地产生一
个参考帧并发送到汇
聚节点.在两次发送
周期之间,节点只发
送当前帧和参考帧之
间的差异部分.
是一种简单的视频流编码解
决方案,可以降低处理能耗,
减少传输能量.但节能效果相
对有限.
分布式信
源编码[38~41]
具有感知重叠区域的
各节点发送重叠区域
的低分辨率版本到汇
聚节点,汇聚节点则
采用高分辨率技术重
建重叠区域的高分辨
率版本.
利用多节点数据相关性,大大
降低网络传输负载.但节点间
需要交换大量数据以决定重
叠级别等,势必会消耗部分能
量,另外,协作的多个节点需
要进行校准,对节点硬件要求
很高.
小波压缩多
层编码[42~44]
将图像编码为一个可
扩展的多层比特流,
不同层比特流具有不
同的服务质量.
能够灵活地适应信道状态,选
择最优层数等.较之其他编码
方法,该方法能提供较好的媒
体服务质量.但节点计算能耗
较高且传输过程中没有进行
数据融合,消耗能量较大.
另外,在WMSN应用层,一些研究人员提出在能量受限的情况下通过动态重构软件构件的方式获得理想的应用服务质量[45~47].
415交叉层QoS保障研究
支持多优先级媒体业务(媒体包括感知数据以及音视频)是WMSN中一个极富挑战性的研究课题.为满足实时业务的严格需求,协议栈各层的紧密关联是十分必要的,研究将不同协议层的节点协作,融合到统一的联合跨层设计框架的机制.
文献[48,49]先后提出了交叉层优化方法.Schaar 等[48]建议在充分理解应用于OSI栈的不同层的QoS保护和自适应策略的基础上,对不同参数间公平性进行评
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估.由此引发对交叉层优化的研究需求.作者提出了一个适用于交叉层优化的概念框架.但由于难于根据信道情况而派生针对排队、时延和能量等特征参数的表达式,网络信道情况和多媒体特征的频繁变化,需要这些特征参数也与之做出相应变化,因此,找到一个解决该框架描述的交叉层优化问题的方法是件很困难的事情,交叉层需要利用形式化方法建立最佳初始、不同阶段的策略以及适当的优化次序.另外,交叉层优化过程还需要考虑缓存大小、调制策略、不平等差错防护以及延迟感知等实际问题.
416 中间件QoS 保障研究
中间件技术可以有效屏蔽底层各类技术的细节.为使中间件能灵活地根据具体业务需求提供用户满意的服务,需要设计QoS 感知的中间件.目前,中间件技术大致分为两类(如图4所示):反应式中间件只是对网络配置的变化作出被动反应,改变应用的QoS 需求,实现动态负载均衡或者网络可伸缩性,这类中间件属于网络自适应性的范畴.而主动式中间件具有先行主动控制网络的能力,应用或者用户可以通过简单的QoS 请求主动控制网络配置
.
反应式中间件感应无线传感器网络的属性(如网络可提供带宽、可靠性以及连通性等)变化时,它们会修改自身行为以适应网络变化.LimBo [50]
和Fargo [51]
通过重新安排数据的交换或者重新部署组件,以适应网络环境的变化.在更低层次上,Mobiware 等[52]提出通过适应网络数据流以支持不同层次的QoS.Spec tra [53]组件监视网络环境以及可用计算资源,从而决定在何处进行计算.
主动式中间件可以为应用程序屏蔽底层细节,主动配置网络.较之反应式中间件,主动式中间件能够更好地支持传感器网络应用.AutoSec [54]自动服务集成,通过提供应用程序的访问控制来管理传感器网络资源,使得QoS 请求得以满足.MiLan [55]提供了一个网络级功能的抽象,通过选择可用的传感器节点以达到配置网络的目的.M i Lan 的这种自组织机制不仅反映了网络动态性,也考虑了应用的主动需求,即应用通过简单的QoS 请求来主动地控制传感器网络的配置.M idFusion
[56]
利用贝
叶斯理论选择最优使用节点,和MiLan 不同的是,它不需要传感器类型的先验知识.MidFusion 和MiLan 就解释应用级QoS 需求这一问题,都没能提出标准的方法.Au -Vi M
[57]
则是一个分布于各类多媒体传感器节点的中间
件,支持用户定制QoS 需求,并根据这些需求调整网络参数,提供灵活的QoS 保障,提高整个W MSN 的服务质量.
综上所述,现有传感器网络中间件技术还存在如下缺陷:忽视传感器网络本身的特点,不利于管理能源耗费等问题;没有足够的灵活性来支持不同的协议栈或QoS 需求;目前中间件系统的平台大都是独立的,对参与的硬件设备要求过高.尤其对于数据流类型众多、QoS 参数要求多种多样的WMSN,设计灵活的中间件是十分必要的.
5 W MSN 中QoS 保障研究亟待解决的问题
在WMSN 中,需要充分考虑资源的有效利用,减少数据传输过程中不必要的能量消耗.在网络拓扑动态变化时,如节点新增和失效、无线链路故障,依然需要网络具有保证任务紧急业务QoS 需求的能力.另外,还要综合考虑WMSNs 中多种服务对QoS 参数的个性化需求.在此,我们认为WMSN 中QoS 保障研究中亟待解决的问题:
(1)通用的QoS 框架:传统网络中常用的区分服务模型和综合服务模型,由于其自身的复杂性使之不能很好地适用于WMSN,迫切需要设计出新型的、通用的QoS 框架.交叉层取代传统分层的设计方法有助于为W MSN 设计出更为简单有效的QoS 模型.
(2)服务相关QoS 参数的确定:WMSN 能提供多种
服务,如事件驱动服务、查询驱动服务、连续流媒体服务以及混合服务等,合理确定各类服务的QoS 参数,对研究QoS 保障机制尤为重要.
(3)多媒体数据源同步:指多个不同功能的传感器节点采集同一信息源时,不同类型数据之间的同步.保障音视频信号间的同步问题是WMSN 中一个值得研究的问题.
(4)媒体数据容错的传输机制:针对单节点数据质量差和准确度低的问题,研究媒体数据质量评价方法和容错的媒体数据传输机制.
(5)自适应的QoS 保障算法:对于WMSN 中多种服务,希望以最小的代价最大限度地满足各种服务对网络资源的需求,并提供最优的QoS 保障.因此,具有自适应能力的QoS 保障算法适合多种服务并存的WMSN.
(6)新型的音视频压缩编码算法:主要针对改善WMSN 流媒体的传输质量.传统的高速率编码算法大多计算复杂,不适合资源受限的WMSN.因此,迫切需要研究基于网络的流媒体分布式编码算法.
(7)无线信道:在偏远地区布设WMSN,需要格外关注无线信道的带宽变化、距离和环境的影响以及如何有效支持音视频流峰值速率等等,这些因素对混合数据包
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第 7 期孙 岩:无线多媒体传感器网络QoS 保障问题
的优先级划分和接入控制方面提出了全新的挑战.
(8)多媒体传感器节点:研究低能耗、体积小、功能灵活、可扩展的多媒体传感器节点的设计方法,有效地支持多媒体信息的采集、处理和传输.
(9)提供QoS保障的中间件:支持QoS保障机制的中间件是W MSN应用和网络之间的桥梁,设计灵活配置各类节点的分布式以及主动式的中间件,是WMSN 中非常有意义的研究方向.
(10)异构网络相连时不同QoS机制的协同工作方式:向WMSN发出QoS请求以获取WMSN数据的应用或用户往往来自传统网络.因此,如何处理多个异构网络间差异,并保证多个网络间无缝QoS业务应用有待深入研究与探讨.
6总结
WMSN作为一种新型的信息获取和处理技术,它更多地关注于音视频等大数据量、强实时性媒体的采集、处理和传输.本文阐述了W MSN中QoS研究的必要性,详细介绍的WMSN的QoS需求以及所面临的挑战,归纳和总结了国内外研究进展,主要包括MAC层、网络层、传输层、应用层、交叉层以及中间件QoS保障6个方面,并提出了研究工作中亟待解决的问题,期望本文的介绍能推动同行学者对WMSN中QoS问题的关注与研究.
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作者简介:
孙岩女,1971年9月出生于山东省兖
州市.2007年于北京邮电大学获工学博士学位,
现为北京邮电大学计算机科学与技术学院讲师.
感兴趣的研究方向:多媒体系统与传感器网络
E-mail:s unyan@https://www.doczj.com/doc/cc18026129.html,
马华东(见本期第1296页)
1420电子学报2008年
《无线传感器网络原理与应用》复习题 一、填空题： 1.无线传感器网络的三个基本要素是：、和。 2.无线传感器网络实现了、? 和的三种功能。 3.无线传感器网络包括四类基本实体对象：目标、观测节点、和 。 4.根据无线传感器网络系统架构，无线传感器网络系统通常包括传感器节点(sensor node)、和。 5.无线传感器节点通常包含四个模块，他们是：数据采集模块、、无线通信模块和。 6.无线传感器网络的协议栈包括物理层、、、传输层 和，还包括能量管理、移动管理和任务管理等平台。 7.无线传感器网络的MAC层和物理层协议采用的是国际电气电子工程师协会(IEEE)制定的协议。 8.无线通信物理层的主要技术包括、、调制技术 和。 9.在无线通信系统中，有三种影响信号传播的基本机制：、绕射和。 10.无线传感器节点处于、接收状态、侦听状态和时单位时间内消耗的能量是依次减少的。 11.无线传感器网络MAC协议根据信道的分配方式可分为、 和混合式三种。 12.根据无线传感器网络不同的应用可以将其路由协议分为五类，你知道的有：、、。（任意给出3种）。 13. IEEE 标准将无线传感器网络的数据链路层分为两个子层，即和。 14. Zigbee的最低两层即物理层和MAC层使用标准，而网络层和应用层由Zigbee联盟制定。 15. Zigbee协议中定义了三种设备，它们是：、和Zigbee终端设备。
16.Zigbee支持三种拓扑结构的网络，它们是：、和。 17.无线传感器网络的时间同步方法有很多，按照网络应用的深度可 以划分三种：、和。 18.无线传感器网络的时间同步方法有很多，按照时间同步的参考时 间可以划分为和。 19.无线传感器网络的时间同步方法有很多，根据需要时间同步的不 同应用需求以及同步对象的范围不同可以划分为和。20.无线传感器网络定位技术大致可以划分为三类：、和 。 21.无线传感器网络典型的非测距定位算法有、APIT算法、 以及等。 22.无线传感器网络的数据融合策略可以分为、以 及。 23.无线传感器网络的故障可以划分为三个层次：、和 。 24. 根据网络提供服务的能力可以将QoS分为3种等级，分别是：、 和。 25. 传感器网络的支撑技术包括：、、及安全机制等。 26. 无线传感器节点的能耗主要集中在模块。 二、名词解释： 1.无线自组织网络 2.无线传感器网络(WSN) 3.基带信号 4.模拟调制 5.数字调制 6.物理信道 7.逻辑信道 8.路由选择 9.路由协议
南京航空航天大学 硕士学位论文 基于无线传感器网络的环境监测系统设计与实现 姓名：耿长剑 申请学位级别：硕士 专业：电路与系统 指导教师：王成华 20090101
南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是一种集成了计算机技术、通信技术、传感器技术的新型智能监控网络，已成为当前无线通信领域研究的热点。 随着生活水平的提高，环境问题开始得到人们的重视。传统的环境监测系统由于传感器成本高，部署比较困难，并且维护成本高，因此很难应用。本文以环境温度和湿度监控为应用背景，实现了一种基于无线传感器网络的监测系统。 本系统将传感器节点部署在监测区域内，通过自组网的方式构成传感器网络，每个节点采集的数据经过多跳的方式路由到汇聚节点，汇聚节点将数据经过初步处理后存储到数据中心，远程用户可以通过网络访问采集的数据。基于CC2430无线单片机设计了无线传感器网络传感器节点，主要完成了温湿度传感器SHT10的软硬件设计和部分无线通讯程序的设计。以PXA270为处理器的汇聚节点，完成了嵌入式Linux系统的构建，将Linux2.6内核剪裁移植到平台上，并且实现了JFFS2根文件系统。为了方便调试和数据的传输，还开发了网络设备驱动程序。 测试表明，各个节点能够正确的采集温度和湿度信息，并且通信良好，信号稳定。本系统易于部署，降低了开发和维护成本，并且可以通过无线通信方式获取数据或进行远程控制，使用和维护方便。 关键词：无线传感器网络，环境监测，温湿度传感器，嵌入式Linux，设备驱动
Abstract Wireless Sensor Network, a new intelligent control and monitoring network combining sensor technology with computer and communication technology, has become a hot spot in the field of wireless communication. With the improvement of living standards, people pay more attention to environmental issues. Because of the high maintenance cost and complexity of dispose, traditional environmental monitoring system is restricted in several applications. In order to surveil the temperature and humidity of the environment, a new surveillance system based on WSN is implemented in this thesis. Sensor nodes are placed in the surveillance area casually and they construct ad hoc network automatieally. Sensor nodes send the collection data to the sink node via multi-hop routing, which is determined by a specific routing protocol. Then sink node reveives data and sends it to the remoted database server, remote users can access data through Internet. The wireless sensor network node is designed based on a wireless mcu CC2430, in which we mainly design the temperature and humidity sensors’ hardware and software as well as part of the wireless communications program. Sink node's processors is PXA270, in which we construct the sink node embedded Linux System. Port the Linux2.6 core to the platform, then implement the JFFS2 root file system. In order to facilitate debugging and data transmission, the thesis also develops the network device driver. Testing showed that each node can collect the right temperature and humidity information, and the communication is stable and good. The system is easy to deploy so the development and maintenance costs is reduced, it can be obtained data through wireless communication. It's easy to use and maintain. Key Words: Wireless Sensor Network, Environment Monitoring, Temperature and Humidity Sensor, Embedded Linux, Device Drivers
1.简述无线网络介质访问控制方法CSMA/CA的工作原理 CSMA/CA机制: 当某个站点（源站点）有数据帧要发送时，检测信道。若信道空闲，且在DIFS时间内一直空闲，则发送这个数据帧。发送结束后，源站点等待接收ACK确认帧。如果目的站点接收到正确的数据帧，还需要等待SIFS时间，然后向源站点发送ACK确认帧。若源站点在规定的时间内接收到ACK确认帧，则说明没有发生冲突，这一帧发送成功。否则执行退避算法。 2.802.11无线LAN提供的服务有哪些？ ?802.11规定每个遵从该标准的无线局域网必须提供9种服务，这些服务分为两类，5种分布式服务和4种站服务。 分布式服务涉及到对单元（cell）的成员关系的管理，并且会与其它单元中的站点进行交互。由AP提供的5种服务将移动节点与AP关联起来，或者将它们与AP解除关联。 ?⑴建立关联：当移动站点进入一个新的单元后，立即通告它的身份与能力。能力包括支持的数据速率、需要PCF服务和功率管理需求等。 AP可以接受或拒绝移动站点的加入。如果移动站点被接受，它必须证明它自己的身份。 ?⑵解除关联。无论是AP还是站点都可以主动解除关联，从而中止它们之间的关系?⑶重建关联。站点可以使用该服务来改变它的首选AP 。 ?⑷分发。该服务决定如何将发送到AP的帧发送出去。如果目的站在同一个AP下，帧可以被直接发送出去，否则必须通过有线网络转发。 ?⑸集成。如果一个帧需要通过一个非802.11网络（具有不同的编址方案或帧格式）传输，该服务可将802.11格式转换成目的网络要求的格式 站服务4种站服务用于管理单元内的活动。 ?⑴身份认证。当移动站点与AP建立了关联后， AP会向移动站点发送一个质询帧，看它是否知道以前分配给它的密钥；移动站点用自己所知道的密钥加密质询帧，然后发回给AP ，就可以证明它是知道密钥的；如果AP检验正确，则该移动站点就会被正式加入到单元中。 ?⑵解除认证。一个以前经过认证的站想要离开网络时，需要解除认证。 ?⑶保密。处理加密和解密，加密算法为RC4。 ⑷数据传递。提供了一种数据传送和接收方法 3.简述无线传感器网络系统工作过程 无线传感器网络(WSN)是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，目的是协作地采集、处理和传输网络覆盖地域内感知对象的监测信息，并报告给用户 4.为什么无线传感器网络需要时间同步，简述RBS、TPSN时间同步算法工作原理？ 在分布式的无线传感器网络应用中，每个传感器节点都有自己的本地时钟。不同节点的晶体振荡器频率存在偏差，以及湿度和电磁波的干扰等都会造成网络节点之间的运行时间偏差， RBS同步协议的基本思想是多个节点接收同一个同步信号，然后多个收到同步信号的节点之间进行同步。这种同步算法消除了同步信号发送一方的时间不确定性。这种同步协议的缺点是协议开销大
无线传感器网络的特点 大规模网络 为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点，传感器节点数量可能达到成千上万，甚至更多。传感器网络的大规模性包括两方面的含义：一方面是传感器节点分布在很大的地理区域内，如在原始大森林采用传感器网络进行森林防火和环境监测，需要部署大量的传感器节点；另一方面，传感器节点部署很密集，在一个面积不是很大的空间内，密集部署了大量的传感器节点。 传感器网络的大规模性具有如下优点：通过不同空间视角获得的信息具有更大的信噪比；通过分布式处理大量的采集信息能够提高监测的精确度，降低对单个节点传感器的精度要求；大量冗余节点的存在，使得系统具有很强的容错性能；大量节点能够增大覆盖的监测区域，减少洞穴或者盲区。 自组织网络在 传感器网络应用中，通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方。传感器节点的位置不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系预先也不知道，如通过飞机播撒大量传感器节点到面积广阔的原始森林中，或随意放置到人不可到达或危险的区域。这样就要求传感器节点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。在传
感器网络使用过程中，部分传感器节点由于能量耗尽或环境因素造成失效，也有一些节点为了弥补失效节点、增加监测精度而补充到网络中，这样在传感器网络中的节点个数就动态地增加或减少，
从而使网络的拓扑结构随之动态地变化。传感器网络的自组织性要能够适应这种网络拓扑结构的动态变化。动态性网络传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变：①环境因素或电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效；②环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化，甚至时断时通；③传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性；④新节点的加入。这就要求传感器网络系统要能够适应这种变化，具有动态的系统可重构性。 可靠的网络 传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域，传感器节点可能工作在露天环境中，遭受太阳的暴晒或风吹雨淋，甚至遭到无关人员或动物的破坏。传感器节点往往采用随机部署，如通过飞机撒播或发射炮弹到指定区域进行部署。这些都要求传感器节点非常坚固，不易损坏，适应各种恶劣环境条件。由于监测区域环境的限制以及传感器节点数目巨大，不可能人工“照顾每个传感器节点，网络的维护十分困难甚至不可维护。传感器网络的通信保密性和安全性也十分重要，要防止监测数据被盗取和获取伪造的监测信息。因此，传感器网络的软硬件必须具有鲁棒性和容错性。
摘要 无线多媒体传感器网络(Wireless Multimedia Sensor Networks，WMSN)是随着半导体技术的发展，在无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)中引入低功耗视频和音频传感器而形成的。无线多媒体传感器网络由于丰富的传感信息已经成为一个研究热点，被广泛应用于图像注册、分布式视频监控、环境监控以及目标跟踪等项目中。 由于传感器类型的变化，在基于无线多媒体传感器网络的目标跟踪过程中，需要采用不同于传统无线传感器网络的新方法和策略。本文提出了目标定位方法和基于动态分簇的目标跟踪架构，以提高目标跟踪的性能。 在提出的目标定位方法中，首先分析了无线音频传感器的信号衰减特性和传感器分布位置对目标定位精度的影响，形成目标跟踪的传感器节点选择原则。然后，分析了现有计算机视觉领域的摄像头标定技术和无线视频传感器节点的特点，利用监控区域有限点的位置坐标，通过CamShift单目标跟踪和双节点的平移特性，求解出摄像头标定的旋转矩阵R与内部参数矩阵K，从而通过视频传感器节点以低复杂度的方法完成了目标定位。 在动态分簇研究中，提出了基于动态分簇的目标跟踪架构，通过设计架构中的动态分簇算法以及路由协议，提高了目标跟踪的鲁棒性和精度，降低了目标跟踪的能量消耗。动态分簇算法基于运动目标的历史轨迹数据，对目标的将来轨迹和当前速度进行预测。通过预测结果优化选择簇头和簇半径，并以簇内节点完成目标跟踪。簇内普通节点完成目标的感知后，将数据发送给簇头。簇头完成目标定位，再将位置坐标发送给汇聚节点以完成目标跟踪。为了保证目标跟踪数据传输的可靠性，降低链路的丢包率，基于蚁群算法设计了最小能量消耗率路由协议，对链路的最大负载进行限制。 在具有安全机制的动态分簇协作处理研究中，首先利用节点的自定位功能，提出了基于位置坐标的任务分配算法TAAC。TAAC以最小的能量消耗为目的，以任务处理的实时性为限制条件，将计算与通信任务分配给目标附近的传感器节点，通过传感器节点的并行计算提高网络的处理能力，降低网络能量消耗。为了保证协作处理的安全，针对两跳分簇协作处理架构，提出一种新的密钥管理协议。通过建立簇密钥对，降低了密钥存储开销，解决了密钥对建立和更新过程中通信
基于无线传感器网络的桥梁安全检测系统 摘要 根据桥梁监测无线传感器网络技术的桥梁安全监测系统，以实现方案的安全参数的需要；对整个系统的结构和工作原理的节点集、分簇和关键技术，虽然近年来在无线传感器网络中，已经证明了其潜在的提供连续结构响应数据进行定量评估结构健康，许多重要的问题，包括网络寿命可靠性和稳定性、损伤检测技术，例如拥塞控制进行了讨论。 关键词：桥梁安全监测；无线传感器网络的总体结构；关键技术 1 阻断 随着交通运输业的不断发展，桥梁安全问题受到越来越多人的关注。对于桥梁的建设与运行规律，而特设的桥梁检测的工作情况，起到一定作用，但是一座桥的信息通常是一个孤立的片面性，这是由于主观和客观因素，一些桥梁安全参数复杂多变[1]。某些问题使用传统的监测方法难以发现桥梁存在的安全风险。因此长期实时监测，预报和评估桥梁的安全局势，目前在中国乃至全世界是一个亟待解决的重要问题。 桥梁安全监测系统的设计方案，即通过长期实时桥跨的压力、变形等参数及测试，分析结构的动力特性参数和结构的评价科关键控制安全性和可靠性，以及问题的发现并及时维修，从而确保了桥的安全和长期耐久性。 近年来，桥梁安全监测技术已成为一个多学科的应用，它是在结构工程的传感器技术、计算机技术、网络通讯技术以及道路交通等基础上引入现代科技手段，已成为这一领域中科学和技术研究的重点。 无线传感器网络技术，在桥梁的安全监测系统方案的实现上，具有一定的参考价值。 无线传感器网络（WSN）是一种新兴的网络科学技术是大量的传感器节点，通过自组织无线通信，信息的相互传输，对一个具体的完成特定功能的智能功能的协调的专用网络。它是传感器技术的一个结合，通过集成的嵌入式微传感器实时监控各类计算机技术、网络和无线通信技术、布式信息处理技术、传感以及无线发送收集到的环境或各种信息监测和多跳网络传输到用户终端[2]。在军事、工业和农业，环境监测，健康，智能交通，安全，以及空间探索等领域无线传感器网络具有广泛应用前景和巨大的价值。 一个典型的无线传感器网络，通常包括传感器节点，网关和服务器，如图1
2012年第12期福建电脑 一种层次型无线传感器网络的集中式节能分簇算法 陈振华 （钦州学院广西钦州535000） 【摘要】：无线传感器网络节点受能量有限、计算能力弱、存储空间小等特点的限制，需要设计高效节能的路由协议来延长网络的生存时间。本文提出一种集中式分簇算法CEEC，采用“定簇异头，集中控制”的方式，均匀分布各个簇，由基站根据各节点的能量状态和位置信息，选取簇内通信代价最小的节点作为簇头，使整个网络的能量开销最小，从而延长了网络的生存时间。 【关键词】：无线传感器网络；LEACH；簇头；CEEC；能量开销 0．引言 随着微机电系统（MEMS，Micro－Electro－Mechanism System）、片上系统（SOC，System On Chip）和无线通信技术高速发展，一种新的信息获取和处理模式：无线传感器网络（WSN，Wireless Sensor Network）产生并得到了快速的发展。无线传感器网络是由大量具有特定功能的传感器节点通过自组织的无线通信方式，相互传递信息，协同地完成特定功能的智能专用网络[1]。传感器节点具有能量有限、计算能力弱、存储空间小等特点，受这些特点的限制，设计高效节能的路由算法，减少网络能量消耗，延长网络的生存时间是设计无线传感器网络协议必须首先考虑的问题。 LEACH是一个较早提出的优秀的层次型无线传感器网络分簇协议，通过自适应分布式成簇和TDMA技术，可以有效地降低能耗，延长网络生存时间。但由于其簇头的选择是基于一个随机数来判断，并且没有实时考虑节点能量状态，能量的分布具有很大的随机性，容易出现能量分布不均匀、网络负载不平衡等问题，影响了网络的效率。本文在LEACH成簇思想的基础上，考虑了各节点的能量状态和能耗因素，提出了一种集中式节能分簇算法，由基站根据各节点的能量状态和位置集中选择簇头，使网络总能耗最小化，从而有效地延长了网络的生存时间。 1．LEACH算法简介 LEACH(low-energy adaptive clustering hierarchy)[2]是由MIT的Heinzelman等人提出的一种层次型网络分簇协议，其基本思想是通过随机地循环选择簇头,将整个网络的能量负载平均分配到每个传感器节点,从而达到降低网络能量耗费、延长网络生命周期的目的。 LEACH算法建立在网内所有节点都是同构且无线电信号的传送能耗各向同性的的假设上。在LEACH算法中,节点自组织形成不同的簇,每个簇只有一个簇头。所有非簇头节点将自己的数据发给所在簇的簇头节点,簇头节点在将数据融合后发送给基站。每个非簇头节点只需要知道自己所在簇的簇头信息即可，无须与周围节点通信，簇头也只需要维持很小的路由表。 LEACH的执行过程是周期性的,每轮循环的基本过程由簇头选择、簇的形成、时刻表的创建、数据传输阶段四个阶段组成。节点在［0，1］之间产生一个随机数，该随机数如果比系统中预设定的阈值大，则该节点在当前轮竞选成为簇头。节点成为簇头后，向周围节点广播自己成为簇头的消息，等候周围节点申请加入形成一个簇。簇头根据簇内节点的数量创建TDMA时刻表并通知每个节点何时开始传输数据。在经历一段时间后，新的一轮又从新开始。上述过程循环进行，直到所有节点失效。 LEACH算法是较早提出的一种层次型无线传感器网络的分簇算法,其思想影响了以后很多算法的设计。和平面路由算法相比,LEACH算法可以延长将近30%的网络生存时间[3]。但是,由于LEACH算法中簇头的产生具有极大的随机性,可能会出现部分簇头相距过近或部分区域的节点离簇头太远的情况,大大增加了节点的传输能耗,故不能有效地延长网络生存时间。而且由于簇头选举的随机性使得网络的簇头需要负担的节点数不 基金项目：广西自然科学基金（桂科自09236004） 13
1武警部队监控平台架构介绍与设计 1.1监控系统的系统结构 基站监控系统的结构组成如上图所示，主要由三个大的部分构成，分别是监控中心、监控站点、监控单元。整个系统从资金、功能以及方便维护性出发，我们采用了干点加节点方式的监控方法。 监控中心（SC）：SC的定义是指整个系统的中心枢纽点，控制整个分监控站，主要的功能是起管理作用和数据处理作用。一般只在市级包括（地、州）设置相应的监控中心，位置一般在武警部队的交换中心机房内或者指挥中心大楼内。 区域监控中心（SS）：又称分点监控站，主要是分散在各个更低等级的区县，主要功能是监控自己所负责辖区的所有基站。对于固话网络，区域监控中心的管辖范围为一个县/区；移动通信网络由于其组网不同于固话本地网，则相对弱化了这一级。区域监控中心SS的机房内的设备配置与SC的差不多，但是不同的是功能不同以及SS的等级低于SC,SS的功能主要是维护设备和监控。 监控单元（SU）：是整个监控系统中等级最低的单元了，它的功能就是监控并且起供电，传输等等作用，主要由SM和其他供电设备由若干监控模块、辅助设备构成。SU侧集成有无线传感网络微设备，比如定位设备或者光感，温感设备等等。 监控模块（SM）：SM是监控单元的组成部分之一，主要作用监控信息的采集功能以及传输，提供相应的通信接口，完成相关信息的上传于接收。
2监控系统的分级管理结构及监控中心功能 基站监控系统的组网分级如果从管理上来看，主要采用两级结构：CSC集中监控中心和现场监控单元。CSC主要设置在运营商的枢纽大楼，主要功能为数据处理，管理远程监控单元，对告警信息进行分类统计，可实现告警查询和存储的功能。一般管理员可以在CSC实现中心调度的功能，并将告警信息进行分发。而FSU一般针对具体的某一个基站，具体作用于如何采集数据参数并进行传输。CSC集中监控中心的需要对FSU采集的数据参数进行报表统计和分析，自动生产图表并为我们的客户提供直观，方便的可视化操作，为维护工作提供依据，维护管理者可以根据大量的分析数据和报表进行快速反应，以最快的速度发现网络的故障点和优先处理点，将人力资源使用在刀刃上。监控中心CSC系统的功能中，还有维护管理类，具体描述如下： 1）实时报警功能 该系统的报警功能是指发现机房里的各种故障后，通过声音，短信，主界面显示的方式及时的上报给操作者。当机房内的动力环境，空调，烟感，人体红外等等发生变量后，这些数据通过基站监控终端上传到BTS再到BSC。最后由数据库进行分类整理后存储到SQLSEVRER2000中。下面介绍主要的几种报警方式： 2)声音报警 基站发生告警后，系统采集后，会用声卡对不一样的告警类别发出对应的语音提示。比如：声音的设置有几种，主要是以鸣叫的长短来区分的。为便于引起现场维护人员的重视紧急告警可设置为长鸣，不重要的告警故障设置为短鸣。这样一来可以用声音区分故障的等级，比方某地市的中心交换机房内相关告警声音设置，它的开关电源柜当平均电流达到40AH的时候，提示声音设置为长鸣，并立即发生短信告警工单。如果在夜晚机房无人值守的情况下：
无线传感器网络的应用与影响因素分析 摘要：无线传感器网络在信息传输、采集、处理方面的能力非常强。最初，由于军事方面的需要，无线传感网络不断发展，传感器网络技术不断进步，其应用的范围也日益广泛，已从军事防御领域扩展以及普及到社会生活的各个方面。本文全面描述了无线传感器网络的发展过程、研究领域的现状和影响传感器应用的若干因素。关键词：无线传感器网络；传感器节点；限制因素 applications of wireless sensor networks and influencing factors analysis liu peng (college of computer science,yangtze university,jingzhou434023,china) abstract:wireless sensor networks in the transmission of informa- tion,collecting,processing capacity is very strong.initially,due to the needs of the military aspects of wireless sensor networks,the continuous development of sensor network technology continues to progress its increasingly wide range of applications,from military defense field to expand and spread to various aspects of social life.a comprehensive description of the development
一、课题研究目的 针对目前中国的交叉路口多，车流量大，交通混乱的现象研究一种控制交通信号灯的基于无线传感器的智能交通系统。 二、课题背景 随着经济的快速发展，生活方式变得更加快捷，城市的道路也逐渐变得纵横交错，快捷方便的交通在人们生活中占有及其重要的位置，而交通安全问题则是重中之重。据世界卫生组织统计，全世界每年死于道路交通事故的人数约有120 万，另有数100 万人受伤。中国拥有全世界1. 9 %的汽车，引发的交通事故占了全球的15 % ，已经成为交通事故最多发的国家。2000 年后全国每年的交通事故死亡人数约在10 万人，受伤人数约50万，其中60 %以上是行人、乘客和骑自行车者。中国每年由于汽车安全方面所受到的损失约为5180 亿(人民币)，死亡率为9 人/ 万·车，因此，有效地解决交通安全问题成为摆在人们面前一个棘手的问题。 在中国，城市的道路纵横交错，形成很多交叉口，相交道路的各种车辆和行人都要在交叉口处汇集通过。而目前的交通情况是人车混行现象严重，非机动车的数量较大，路口混乱。由于车辆和过街行人之间、车辆和车辆之间、特别是非机动车和机动车之间的干扰，不仅会阻滞交通，而且还容易发生交通事故。根据调查数据统计，我国发生在交叉口的交通事故约占道路交通事故的1/ 3，在所有交通事故类型中居首位，对交叉口交通安全影响最大的是冲突点问题，其在很大程度上是由于信号灯配时不合理(如黄灯时间太短,驾驶员来不及反应)，以及驾驶员不遵循交通信号灯，抢绿灯末或红灯头所引发交通流运行的不够稳定。随着我国经济的快速发展，私家车也越来越多，交通控制还是延续原有的定时控制，在车辆增加的基础上，这种控制弊端也越来越多的体现出来，造成了十字交叉路口的交通拥堵和秩序混乱，严重的影响了人们的出行。智能交通中的信号灯控制显示出了越来越多的重要性。国外已经率先开展了智能交通方面的研究。 美国VII系统(vehicle infrastructure integration)，利用车辆与车辆、车辆与路边装置的信息交流实现某些功能，从而提高交通的安全和效率。其功能主要有提供天气信息、路面状况、交叉口防碰撞、电子收费等。目前发展的重点主要集中在2个应用上: ①以车辆为基础; ②以路边装置为基础。欧洲主要是CVIS 系统(cooperative vehicle infrastructure system)。它有60 多个合作者，由布鲁塞尔的ERTICO 组织统筹，从2006 年2 月开始到2010年6月，工作期为4年。其目标是开发出集硬件和软件于一体的综合交流平台，这个平台能运用到车辆和路边装置提高交通管理效率，其中车辆不仅仅局限于私人小汽车，还包括公共交通和商业运输。日本主要的系统是UTMS 21 ( universal traffic management system for the 21st century , UTMS 21)。是以ITS 为基础的综合系统概念,由NPA (National Police Agency) 等5个相关部门和机构共同开发的，是继20 世纪90 年代初UTMS 系统以来的第2代交通管理系统，DSSS是UTMS21中保障安全的核心项目，用于提高车辆与过街行人的安全。因此，从国外的交通控制的发展趋势可以看出，现代的交通控制向着智能化的方向发展，大多采用计算机技术、自动化控制技术和无线传感器网络系统，使车辆行驶和道路导航实现智能化，从而缓解道路交通拥堵，减少交通事故，改善道路交通环境，节约交通能源，减轻驾驶疲劳等功能，最终实现安全、舒适、快速、经济的交通环境。
《无线传感器网络》 一、填空题（每题4分，共计60分） 1.传感器网络的三个基本要素：传感器、感知对象、用户(观察者) 2.传感器网络的基本功能：协作式的感知、数据采集、数据处理、发布感知信息 3、 3.无线传感器节点的基本功能：采集数据、数据处理、控制、通信 4.无线通信物理层的主要技术包括：介质选择、频段选取、调制技术、扩频技术 5.扩频技术按照工作方式的不同，可以分为以下四种：直接序列扩频、跳频、跳时、宽带 线性调频扩频 6.定向扩散路由机制可以分为三个阶段：兴趣扩展阶段、梯度建立阶段、路径加强阶段 7.无线传感器网络特点：大规模网络、自组织网络、可靠的网络、以数据为中心的网络、 应用相关的网络 8.无线传感器网络的关键技术主要包括：网络拓扑控制、网络协议、时间同步、定位技术、 数据融合及管理、网络安全、应用层技术 9.IEEE 标准主要包括：物理层。介质访问控制层 10.简述无线传感器网络后台管理软件结构与组成：后台管理软件通常由数据库、数据处理 引擎、图形用户界面和后台组件四个部分组成。 11.数据融合的内容主要包括：多传感器的目标探测、数据关联、跟踪与识别、情况评估和 预测 12.无线传感器网络可以选择的频段有：_800MHz___915M__、、___5GHz 13.传感器网络的电源节能方法：_休眠（技术）机制、__数据融合 14.传感器网络的安全问题：(1) 机密性问题。 (2) 点到点的消息认证问题。 (3) 完整 性鉴别问题。 15.规定三种帧间间隔：短帧间间隔SIFS，长度为 28 s a)、点协调功能帧间间隔PIFS长度是 SIFS 加一个时隙(slot)长度，即78 s b)分布协调功能帧间间隔DIFS ，DIFS长度=PIFS +1个时隙长度，DIFS 的长度为 128 s 16.任意相邻区域使用无频率交叉的频道是，如：1、6、11频道。 17.网络的基本元素SSID标示了一个无线服务，这个服务的内容包括了：接入速率、工作 信道、认证加密方法、网络访问权限等 18.传感器是将外界信号转换为电信号的装置，传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电 路三部分组成 19.传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成 20.物联网是在计算机互联网的基础上，利用RFID、无线数据通信等技术，构造一个覆盖 万物的网络。RIFD无线识别、嵌入式系统技术、能量供给模块和纳米技术列为物联网关键技术。 二、基本概念解释（每题5分，共40分） 1.简述无线网络介质访问控制方法CSMA/CA的工作原理 CSMA/CA机制: 当某个站点（源站点）有数据帧要发送时，检测信道。若信道空闲，且在DIFS时间内一直空闲，则发送这个数据帧。发送结束后，源站点等待接收ACK确认帧。如果目的站点接收到正确的数据帧，还需要等待SIFS时间，然后向源站点发送ACK确认帧。若源站点在规定的时间内接收到ACK确认帧，则说明没有发生冲突，这一帧发送成功。否则执行退避算法。
无线传感器网络的研究现状及发展 默认分类 2008-06-12 18:19:20 阅读910 评论0 字号：大中小 摘要：无线传感器网络(WSN>综合了传感器技术、微电子机械系统(MEMS>嵌入式计算技术．分布式信息处理技术和无线通信技术，能够协作地实时感知、采集、处理和传输各种环境或监测对象的信息．具有十分广阔的应用前景，成为国内外学术界和工业界新的研究领域研究热点。本文简要介绍了无线传感器网络的网络结构、节点组成，分析了无线传感器网络的特点及其与现有网络的区别。进而介绍现有无线传感器网络中的MAC层技术、路由技术、节点技术和跨层设计等关键技术。最后展望无线传俄器网络的应用和发展并指出关键技术的进步将起到决定性的促进作用。 关键词：无线传感器网络节点 MAC层路由协议跨层设计 Abstract: Wireless sensor network (WSN> is integration of sensor techniques, Micro-Electro-Mechanical Systems, embedded computation techniques, distributed computation techniques and wireless communication technique. They can be used for sensing, collecting, processing and transferring information of monitored objects for users. As a new research area and interest hotspot of academia and industries, Wireless Sensor Network(WSN> has a wide application future. This paper briefly introduced the wireless sensor network of networks, nodes, the analysis of the characteristics of wireless sensor networks and the differences wih the existing networks. And the MAC layer technology, routing technology, joint cross-layer design technology and key technology are introduced . At last the prospects of wireless sensor network are discussed in this article. Key Words: Wireless Sensor Network, node, MAC, routing protocol, Cross-layer design 一、概述 随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的发展进步，包括微电子机械系统 多媒体传感器网络综述 摘要：随着监测环境的日趋复杂多变，无线多媒体传感器网络应运而生，作为一种全新的信息获取和处理技术，多媒体传感器网络较之传统传感器网络更多地关注于音频、视频、图像等大数据量、大信息量媒体的采集与处理,在军事、民用及商业领域中具有广阔的应用前景。 关键词：多媒体传感器网络体系结构特点关键技术 0.引言 随着监测环境的日趋复杂多变，传统无线传感器网络所获取的简单数据愈加不能满足人们对环境监测的全面需求，迫切需要将信息量丰富的图像、音频、视频等媒体引入到以传感器网络为基础的环境监测活动中来，实现细粒度、精准信息的环境监测。由此，无线多媒体传感器网络(wireless multimedia sensor networks，WMSNs)应运而生[1]。 多媒体传感器网络是由一组具有计算、存储和通信能力的多媒体传感器节点组成的分布式感知网络，它借助于节点上多媒体传感器感知所在周边环境的多种媒体信息(音频、视频、图像、数值等)，通过多跳中继方式将数据传到信息汇聚中心，汇聚中心对监测数据进行分析，实现全面而有效的环境监测[2]。 1.多媒体传感器网络体系结构 一个典型的多媒体传感器网络通常由多媒体传感器节点(multimedia sensor)、汇聚节点(sink node)、控制中心(control center)等。 多媒体传感器节点散布在指定的感知区域内。其采集的数据沿着其他多媒体传感器节点逐跳进行传输，经过“多跳”路由传送节点，最后通过Internet网络或通信卫星到达控制中心。用户通过控制中心对传感器网络进行配置和管理。发布监测任务以监测数据，如图l所示[2, 3]。 文章编号:1004-9037(2009)02-0254-05 基于无线传感网络的大型结构健康监测系统 尚 盈 袁慎芳 吴 键 丁建伟 李耀曾 (南京航空航天大学智能材料与结构航空科技重点实验室,南京,210016) 摘要:针对大型碳纤维复合材料机翼盒段壁板结构,实现了基于无线传感网络的多点应变结构健康监测系统,采用自组织竞争神经网络成功判别了集中载荷模拟的损伤位置。本系统由传感采集子系统、无线传感网络子系统和终端监控子系统三部分组成。为了降低系统网络功耗及成本,提高系统的稳定性和可靠性,改善传感网络的实时性和同步性,设计了可直接配接无线传感网络节点的低功耗多通道应变传感器信号调理电路和基于无线传感网络的层次路由协议,开发了多通道应变数据采集、网络簇头转发和中继节点接收等主要软件模块。实验证明,相比于传统有线的监测方法和数据采集系统,基于无线传感网络的结构健康监测系统具有负重轻、成本低、易维护和搭建移动方便等优点。 关键词:无线传感网络;结构健康监测;层次路由协议;自组织竞争网络中图分类号:T P2;T P9 文献标识码:A 基金项目:国家“八六三”高技术研究发展计划(2007AA 032117)资助项目;国家自然科学基金(60772072,50420120133)资助项目;航空基金(20060952)资助项目。 收稿日期:2007-09-05;修订日期:2008-04-17 Large -Scale Structural Health Monitoring System Based on Wireless Sensor Networks S hang Ying ,Yuan Shenf ang ,Wu J ian ,Ding J ianw ei ,L i Yaoz eng (T he A ero nautic Key La bo rat or y o f Smart M ater ial and Str uct ur e,N anjing U niv ersit y o f Aer onautics and A str onautics,N anjing,210016,China) Abstract :Aimed at the large-scale structure and anisotropy nature o f the carbon fiber compos-ite material w ing box ,a large-scale structural health m onitoring system based on w ireless sen-sor netw orks is presented .A kind of artificial neural netw ork is designed to distinguish the damag e locatio n simulated by the co ncentrated load .The sy stem co nsists o f the sensor data ac-quisition,the w ireless sensor netw or ks,and the terminal monitoring sub-sy stem s.To im pro ve the performance o f the system ,the signal conditio ning circuit and the hierarchical routing pro -to col are designed based o n w ireless sensor netw orks ,the prog rams of data acquisition and Sink node are ex ploited.Experimental result pro ves that the system has advantag es of flexibili-ty o f deplo yment,low maintenance and deploym ent costs . Key words :w ir eless senso r netw or ks ;str uctural health monitoring ;hierarchical routing ;self -org anizing com petitive netw o rk 引 言 结构健康监测技术是采用智能材料结构的新概念,利用集成在结构中的先进传感/驱动元件网络,在线实时地获取与结构健康状况相关的信息(如应力、应变、温度、振动模态、波传播特性等),结 合先进的信号信息处理方法和材料结构力学建模 方法,提取特征参数,识别结构的状态,包括损伤,并对结构的不安全因素在其早期就加以控制,以消除安全隐患或控制安全隐患的进一步发展,从而实现结构健康自诊断、自修复、保证结构的安全和降低维修费用[1]。 无线传感网络节点具有局部信号处理的功能, 第24卷第2期2009年3月数据采集与处理Jour nal of D ata A cquisition &P ro cessing Vo l.24N o.2M a r.2009无线多媒体传感器网络综述
基于无线传感网络的大型结构健康监测系统_尚盈
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