当前位置：文档之家 › 可补充结点的无线传感器网络拓扑结构

可补充结点的无线传感器网络拓扑结构

  • 格式：pdf
  • 大小：204.57 KB
  • 文档页数：5

可补充结点的无线传感器网络拓扑结构

高森1,张羲煌2

(1.无锡江南大学 无锡江南大学,江苏省 无锡市 邮编 214000

2.无锡江南大学 无锡江南大学,江苏省 无锡市 邮编214000)

摘要: 本文主要是提出一个基于长期监测环境无线传感器网络的路由设计,而能量有限在拓

扑设计中是一个十分重要的问题,由于不可补充结点的无线感应网生命周期的延长是有限的,

所以一个基于可补充节点的无线感应网拓扑结构很有研究的必要,在本文中,将会提出一个新

颖的基本可补充节点的无线感应网拓扑结构,并描述主要算法,最后指出未来的研究方向。

关键词: 无线传感器网络;自身定位;可补充

中图法分类号:TP311 文献标识码: A

A topology designed for WSN with renewable nodes

GAO Sen1, Zhang xihuang2

(1.Computer and science, Southern Yangtze University, Jiangsu Wuxi 214000;

2. Computer and science, Southern Yangtze University, Jiangsu Wuxi 214000 ;)

Abstract: A topology designed for WSN with renewable nodes for long-term detection and data

collection will be presented in this paper. Energy-limited is a critical issue in the topology design.

The increase of the lifetime of WSN with unrenewable nodes is limited, so a topology designed

for WSN with renewable nodes is needed. In this paper, a new topology for WSN with renewable

nodes will be presented, main algorithms are described, and the directions of research in this area

are introduced.

Key words: wireless sensor network; self-localization; renewable

1 引言

无线传感器网络(wireless sensor network,简称WSN),是由一组传感器协同的工作,进而采

集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息,并发布给观察者。

由于目前硬件条件的限制,开发可以使用太阳能,同时体积小而又廉价的微型传感器几乎

不可以实现,只能采用一次性的能源,这样就决定了一个不可补充节点的无线传感网生命周期

有限,虽然可以优化路由设计来延长其生命周期,但只是有限的延长。同时,各类算法一般都无

法很好的利用全部节点,在某些节点失效后,整个网络就无法继续工作。同时,如果某一部分节

点失效过多,会造成无法很好的监测所覆盖地区。从而整个网络就达不到监测要求。

可补充节点的无线传感网在很多场合可以表现的更好,相比不可补充的无线传感网,他有

如下优势:

1. 生命周期可以无限长。配合动态路由算法,可以更新节点,使网络一直持续工作。

2. 能量利用率高。在网络中,每一个节点能量都能全部被利用,不会产生浪费。

3. 监测覆盖不会有盲区。由于可以多次补充节点,节点可以很好的覆盖全部监测区域。

4. 能量使用效率高。节点分布均匀,数据传输就不会出现长距离单跳传输,减少能量消耗

和提高信噪比。在需要长期监测的场合中,多次投放节点的成本远低于多次重新部署节点,或

者更换能源。因此基于可补充节点的无线传感网的拓扑和路由研究是非常有必要的。

2 本文的拓扑设计简介

本文提出的网络结构采用双层路由结构。网络由多个大小相同且形状为正六边形的子网

簇群组成,每个子网采用一个星形网结构。如图表1所示 大黑点为主头节点,与之相连的为从

节点。

图表 1 图表 2

在每一个子网簇群中,分为头节点区和子节点区,如图表2所示

这种双层路由结构有以下特色:

1. 因为结构简单,两层路由都非常易于维护。外层路由因为节点位置固定,几乎不用处理

路由问题。内层为星形网,并且节点数目有限(1-28个),维护也非常容易,不用消耗太多资源来

维护路由。

2. 收集数据反应快。从外层网的结构可以看出,要收集任何一点子网(节点)的数据都由

多条路径可走,并且经过的节点数目都是相同的。(这也是采用正六边形的一个主要原因)。

3. 可以很容易的实现新投放入节点吸收问题的和原有结点的因为各种原因而耗损的替

换问题,并且代价很小下文会详细说明

4. 由于外层网的六边形结构。只要几个不同的通讯频率就可以让整个网络互不干扰的

通讯。

5. 任意两个子网间建立的链路都近似是直线,可以减少传输数据时的能量消耗

6. 子网分布平均。收集数据没有盲区。

7. 有很强的适应能力,可扩充性强。

2 网络的初始化

下面就网络的形成和工作过程来说明这个结构:

第一步,网络定位。投放工程完成后,所有节点在规定时间段内进行自身定位,关于WSN

自身定位的问题,目前已经有许多系统和算法能够解决,例如近年来提出的一些循环求精算

法,如Cooperative ranging,Two-phase positioning,n-hop multilateration primitive。在这里就不详

细讨论了。

第二步,产生头节点。定位完成后,每一个节点根据预定义的数据来确定自己所属哪个子

组簇,然后进入休眠状态,节点等待随机时间后苏醒。在子网头节点区中的节点苏醒后开始检

测所在的子网有无头节点工作,没有的话,把自己提升为头节点,开始工作,若已有头节点在工

作,则继续进入休眠。考虑到网络的容错性,可以让每个子网有一到多个副头节点来备份主头

节点的数据,由于只要和主头节点通讯,所以不用消耗太多能源,在主头节点能量用尽或物理

损坏时,可以替换主头节点工作。

第三步,产生从节点每一个子网有6小大小相同的梯形从节点区,在节点区的节点苏醒后,

开始检测所在的从节点区有没数量大于规定的从节点在工作,如果没有,就作为从节点开始工

作,否则继续休眠。

从节点开始工作后,首先同所在子网的头节点建立链路,根据具体要求每一个从节点区可

以有一到多条链路同头节点连接,其中一条为主链路,其它为冗余链路,同样,在主链路失效后,

可以替换其工作,然后从节点再同相邻的从节点区的从节点建立链路,这样整个网络的初始化

就完成了。 2.1网络的节点吸收和替换

其实这两个部分是同时实现的。在每一个子网中。不论是头节点区和从节点区,都有一

定量的节点是闲置的。这些节点并不是一直闲置,他们只是处于休眠状态。 同时所有新投放

的节点进入子网时都是处于休眠状态。不用去维护。

当从节点失效或者能量用尽导致链路中断时,头节点就从失效点所在从节点区的冗余链

路选一条连接。并让其代替原来链路的所有功能。同时当有新从节点苏醒时,建立一条新的

冗余链路。当冗余头节点失效时,一样也是当有新头点苏醒时,建立一个新的冗余头节点。当

头节点失效时,由冗余头节点来完成相应的工作。当两个同时失效时。则等待新的头节点苏

醒重新构建子网。

2.2网络的运行

数据的采集可以分为几种:

采集指定点数据:由于各个子网位置固定,在正六边形网格中,只要定向传播请求就可以

达到目的地,至于路径可以走随机路径来让能量消耗平均分到每一个子网中。sink节点在a

处。需要采集b点的数据信息。可以选择的路线是有很多种的,但是消耗的能量都大致相等,

可以每次走不同的路线来平均消耗不同子网的能量,避免一个子网能量消耗太多。由于传来

的信息中包含sink节点所在的位置,传回数据时就可以以刚才建立的链路传播。以减少能量

的消耗。

监测数据变化:在这种情况要,sink节点先广播自己位置。每个子网持续监测自己所在的

地区,当有数据变化超过阈值时,才向sink结点发送数据,由于已知sink节点位置,可以和上述

方法一样建立传输链路。

全局数据监测:同样,sink节点先广播自己的位置,所有节点定时向sink节点传送数据,在

传输过程中同时进行数据的融合。

3.1算法简介

网络组建:

当节点被投放后开始按照以下算法可以组建子网:

步骤一,节点等待固定一个时间片后苏醒,如果自身位置尚未确定,就进行自身定位(相对

位置或者绝对位置均可).根据自身的位置判断是否属于头结点区,如果是进入步骤二,如果不

是就进入步骤四.

步骤二,判断在头节点区是否已有头节点在工作,没有的话就开始作为头节点工作.如果

有的话进入步骤三.

步骤三,判断是否有足够的冗余头节点在工作,如果没有就开始作为冗余头节点工作,如

果有的话进入休眠.

步骤四,判断是否有主从节点在工作,如果没有就进入步骤六,如果有的话进入步骤五

步骤五,判断是否有足够的冗余从节点在工作,如果没有就作为冗余从节点工作,如果有

的话进入休眠.

步骤六,与主节点通讯,如果通讯成功,就作为主从节点工作;如果无法通讯,就继续休眠.

头节点区的节点分为3种,主头节点,冗余头节点,和休眠中的头节点。主头节点负责维护

子网的数据传输,路由,以及数据处理,冗余头节点负责备份主头节点数据,包括路由表,并在主

头节点失效时,成为新的主头节点工作。 根据网络的具体要求,可以有1个或者多个冗余头节

点,当冗余头节点的数据少于规定的数目后,休眠中的节点苏醒后便有机会提升为冗余头节

点。休眠中节点是后备节点,用来补充能量用尽或者失效的头节点和冗余头节点。新设放的

节点进入网络后都是处于休眠状态的。作为后备节点等待机会工作。

从节点工作算法说明: 在一个子网中一共有6个从节点区,都与周围的子网相邻。在子节

点区是也是分为3类,主从节点,冗余从节点,和休眠中的从节点。主从节点是子网间主数据链

合集下载

无线网络中的拓扑结构设计

无线网络中的拓扑结构设计

无线网络中的拓扑结构设计

随着无线网络技术的不断发展，无线网络已经成为人们生活和工作中不可或缺的一部分。在无线网络建设中，拓扑结构设计是非常重要的一个环节。一个好的拓扑结构可以有效地提高无线网络的性能和稳定性，从而更好地为用户提供服务。

一、 什么是拓扑结构

拓扑结构是指网络中各个节点之间连接方式的布局。一种拓扑结构可以决定网络包传输的路径和传输的效率，可以影响网络的性能和可靠性。

二、 常见的拓扑结构

1. 星型拓扑结构

星型拓扑结构是指所有节点都与一个中心节点相连的拓扑结构。中心节点可以是交换机、路由器等网络设备。星型拓扑结构的特点是简单、易于维护和管理，但是当中心节点出现故障时，整个网络将会瘫痪。

2. 总线型拓扑结构

总线型拓扑结构是指所有节点都连接在一条总线上的拓扑结构。当节点之间需要通信时，数据会通过总线传输到目标节点。总线型拓扑结构的特点是成本较低，但是一旦总线出现故障，整个网络也会瘫痪。

3. 环型拓扑结构

环型拓扑结构是指所有节点按照环状相连的拓扑结构。节点之间需要通信时，数据会顺时针或逆时针地通过环传输到目标节点。环型拓扑结构的特点是不会瘫痪，但是当节点数量较多时，传输效率会受到影响。

4. 网状型拓扑结构 网状型拓扑结构是指所有节点之间都相互连接的拓扑结构。网状型拓扑结构的特点是灵活性强，故障节点影响较小，但是成本较高，维护和管理难度也较大。

5. 混合型拓扑结构

混合型拓扑结构是指多种拓扑结构的组合。常见的混合型拓扑结构包括星型与环型的组合、网状型与星型的组合等。混合型拓扑结构可以克服单一拓扑结构的缺点，提高网络的可靠性和稳定性。

三、 拓扑结构设计的原则

1. 稳定性原则

拓扑结构设计要保证网络的稳定性。当一个节点出现故障时，网络仍然能够正常运行，不会导致服务中断。

2. 性能原则

拓扑结构设计要保证网络的性能。在网络高负载或高流量的情况下，能够保持传输速度和质量，不会出现拥堵和延迟。

无线传感器网络之拓扑控制技术详解

无线传感器网络之拓扑控制技术详解

无线传感器网络之拓扑控制技术详解

拓扑控制技术是无线传感器网络中最重要的技术之一。在由无线传感器网络生成的网络拓扑中，可以直接通信的两个结点之间存在一条拓扑边。如果没有拓扑控制，所有结点都会以最大无线传输功率工作。在这种情况下，一方面，结点有限的能量将被通信部件快速消耗，降低了网络的生命周期。同时，网络中每个结点的无线信号将覆盖大量其他结点，造成无线信号冲突频繁，影响结点的无线通信质量，降低网络的吞吐率。另一方面，在生成的网络拓扑中将存在大量的边，从而导致网络拓扑信息量大，路由计算复杂，浪费了宝贵的计算资源。因此，需要研究无线传感器网络中的拓扑控制问题，在维持拓扑的某些全局性质的前提下，通过调整结点的发送功率来延长网络生命周期，提高网络吞吐量，降低网络干扰，节约结点资源。

应满足的性质拓扑控制算法的目标是通过控制结点的传输范围使生成的网络拓扑满足一定的性质，以延长网络生命周期，降低网络干扰，提高吞吐率。

一般假设结点分布在二维平面上，所有结点都是同构的，都使用无向天线。以有向图建模无线传感器网络，如果结点i的传输功率Pi大于从结点i到结点j需要的传输功率Pij，则结点i到结点j之间有一条有向边。所有结点都以最大功率工作时所生成的拓扑称为UDG图（Unit Disk Graph）。

拓扑控制应使网络拓扑满足下列性质中的一个或几个：

连通性为了实现结点间的互相通信，生成的拓扑必须保证连通性，即从任何一个结点都可以发送消息到另外一个结点。连通性是任何拓扑控制算法都必须保证的一个性质。由UDG图的定义可以知道，UDG图的连通性是网络能够提供的最大连通性，因此一般假定UDG图是连通的。所以，任何拓扑控制算法生成的拓扑都是UDG图的子图。

对称性指如果从结点i到结点j有一条边，那么一定存在从结点j到结点i的边。由于非对称链路在目前的MAC协议中没有得到很好的支持，而且非对称链路通信的开销很大，因此一般都要求生成的拓扑中链路是对称的。

网络拓扑知识：无线传感器网络拓扑结构的应用

网络拓扑知识：无线传感器网络拓扑结构的应用

网络拓扑知识：无线传感器网络拓扑结构的应用

无线传感器网络拓扑结构的应用

无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是由大量分散在一定范围内的无线传感器节点组成的网络，这些节点使用无线通信技术进行数据交互和处理。WSN具有自组织能力，即节点之间能够自主协作组成网络，形成分布式感知系统。为此，WSN的拓扑结构非常重要，因为拓扑结构的合理选择可以提高网络的性能和可靠性，并支持不同的应用场景。

WSN的拓扑结构有多种形式，如星型、树型、网状、环型等。其中，星型和树型结构是最简单的两种结构，星型结构适合场景中存在一个中心节点协调其他节点数据传输的场景，而树型结构适合有层级关系的数据汇聚需求，如城市环境监测、管道监控等。

WSN的网状拓扑结构是一种非常常用的结构，其节点之间构成了复杂的互连关系，数据可以通过多条路径传输，具有很好的冗余性，因此在对网络的传输质量和可靠性要求较高的场景中得到广泛应用。网状结构适合由密集节点组成的WSN，且节点之间具有高度互联的情况，例如工业生产过程监测、油田监测等。

一种比较新兴的WSN拓扑结构是虫洞拓扑结构，这种结构主要基于多边形划分技术，可以将观测区域分成多个相邻不重叠的多边形区域，每个区域内各部署一个无线传感器节点，节点之间通过虫洞隧道（Wormhole Tunnel）连接，形成一个高效、可靠、节能的拓扑结构。虫洞结构适用于大规模、复杂、多变的环境监测系统中，如防洪、防雷、气象预警等领域。

无线传感器网络拓扑结构的选择与应用，需要根据具体场景的需求进行选择，最终的目标是实现网络的高效性和可靠性。未来，随着技术的发展，WSN将在更广泛的领域得到应用，如智慧农业、智能家居、健康监测等领域，随之带来的是更加人性化的生活、更加高效的生产环境以及更加智能化的企业运营。

通信系统中的无线传感网络拓扑设计

通信系统中的无线传感网络拓扑设计

通信系统中的无线传感网络拓扑设计

无线传感网络是指通过无线传感器将分布式的传感器节点连接在一起，形成一个实时监测、收集和传输数据的网络系统。在通信系统中，无线传感网络的拓扑设计是一项重要的任务，它直接影响到网络性能、能耗和可靠性等关键指标。本文将讨论无线传感网络拓扑设计的原则、方法和应用。

一、无线传感网络的拓扑结构

在无线传感网络中，拓扑结构决定了节点之间的连接方式和通信路径。常见的拓扑结构包括星型、树状、网状和混合结构等。每种拓扑结构都有其适用的场景，需要根据具体的应用需求来选择。

1. 星型拓扑结构

星型拓扑结构是最简单的一种结构，其中一个中心节点连接着所有的传感器节点。这种结构适用于需要集中管理和控制的场景，但是节点之间的通信必须通过中心节点转发，容易造成网络瓶颈。

2. 树状拓扑结构

树状拓扑结构将传感器节点组织成一个层次化的结构，顶层节点连接着中间层节点，中间层节点再连接着底层节点。这种结构适用于需要分级管理和控制的场景，但是节点之间的通信路径较长，延迟较大。

3. 网状拓扑结构 网状拓扑结构中的节点可以直接相互通信，不存在中心节点。这种结构适用于通信距离较远、节点分布稀疏的场景，但是需要较多的通信资源。

4. 混合拓扑结构

混合拓扑结构将多种拓扑结构组合在一起，兼具各种结构的优点。这种结构适用于复杂多变的环境，可以根据实际情况进行灵活调整。

二、无线传感网络拓扑设计的原则

无线传感网络的拓扑设计需要遵循一些原则，以保证网络的性能和可靠性。

1. 覆盖率原则

网络中的传感器节点应该合理分布，以达到全局覆盖的要求。在设计拓扑时，需要考虑到被监测区域的形状、大小和特点，合理安排节点的部署位置，以保证网络能够覆盖到所有需要监测的区域。

2. 能量均衡原则

传感器节点的能量是有限的，拓扑设计应该尽量均衡节点的能耗，避免某些节点能量消耗过快导致网络的不稳定。可以通过节点轮流工作、选择合适的节点通信距离等方法实现能量的均衡利用。