无线传感器网络及其数据融合

江苏广播 电视大学学报 Journal of Jiangsu Radio&Television University 2006．6 Vo1．17 57 无线传感器网络及其数据融合 周海 峰 ，程宏兵 ，朱云程 1．江苏广播电视大学，江苏南京210036 2．南京邮电大学，江苏南京210003 3．南京人口管理干部学院，江苏南京210042 摘 要：集成了传感器、微机电系统和网络三大技术而形成的无线传感器网络(WSN)是一种全新的信息 荻取和处理技术。基于自组织机制和网内处理的数据融合技术能克服能量损耗与带宽的限制，极大地改善 了WSN的整体性能。无线传感器网络在军事、环境、健康、家庭和商业领域有着广阔的应用前景。 关键词：无线传感器网络；数据融合；自组织；网内处理 中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1008-4207(2006)06-0057一o4 计算机网络自产生之13起，尤其是2O世纪9O 年代初的迅猛发展，使人们的生活发生了极大的 变化。通信技术13新月异，近年来，无线通信更是 大行其道，各种无线通信应用层出不穷。无线通 信和有线通信相比较，无需对网络通信的物理通 道进行配置，具有很大的灵活性，并节约了网络设 施的成本，这使得它比有线通信具有更加光明的 前景。全球无线通信应用的规模，将很快超过有 线网络应用的规模。 一 、无线传感器网络(WSN) 1．WSN基本概念 将具有无线通信、数据采集和处理、协同合作 等功能的无线传感器节点协同组织起来，形成了 无线传感器网络(WirelessSensorNetwork，WSN)， 它是一类无线ad hoc网络。Ill WSN是当前信息技 术的前沿之一。无线传感器网络是由大量无处不 在的、具有无线通信与计算能力的微小传感器节 点构成的自组织分布式网络系统，在整个网络系 统中，大量的传感器节点收集、处理、交换来自于 外界环境的数据，最终传输到外部基站。该系统 是能根据环境自主完成指定任务的“智能”系统， 它集成了传感器技术、微机电系统(MEMS)技术、 无线通信技术和分布式信息处理技术。 无线传感器网络与传统的无线网络(如第2 代和第3代移动通信网络)有着不同的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 目标， 后者在高度移动的环境中通过资源管理策略最大 化带宽的利用率，同时为用户提供一定的服务质 量保证。无线传感器网络与无线局域网络也有所 不同，无线局域网络通过优化路由和高效的资源 管理协议来保证高的数据吞吐量，并且支持静止 和低速移动的节点进行通信。在无线传感器网络 中，以传输数据为目的，并不要求支持高速的数据 传输速率。另外，除了少数节点需要移动以外，大 部分节点都是静止的，因为它们通常运行在人无 法接近的恶劣甚至危险的远程环境中，能源无法 替代，设计有效的策略延长网络的生命周期成为 无线传感器网络的核心问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。 2．WSN的体系结构及其关键技术 无线传感器网络包括分布式传感器节点、接 收和发送器、互联网以及用户接口界面等，其中传 感器节点是基本和核心单元，它由传感单元、处理 单元、通信单元和电源等组成。无线传感器网络 一 般采用分层体系结构，本文给出的分层协议由 物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组 成。其中，物理层可以采用先进的无线射频传输 收稿 日期：2006—05—24 作者简介：周海峰(1978一)，男，江苏无锡人。江苏广播电视大学信息工程系教师。 维普资讯 http://www.cqvip.com 周海峰．等：无线传藤器网络及其数据融合 技术，如OFDM、UWB、MIMO，甚至CDMA技术等； 也可以采用传统的红外线传输技术。WSN的体 系结构如图1所示。 传 图 1 WSN网络体系结构 在无线传感器网络中，为了节约能源，延长电 池的使用时间，当无数据发送、接收以及转发时， 网络中的节点会很快自动调整为休眠状态，这使 得系统的路由拓扑结构发生变化，需要重新建立 路由。为了避免网络拓扑结构的不稳定，建议网 络节点变为休眠状态前，检查是否会造成网络路 由结构变化，如果发生变化，禁止该节点转为休眠 状态。由于节点容易进行“活动”和“休眠”状态 的转变，同时无线链路易遭受时间选择性衰落、频 率选择性衰落、空间选择性衰落、干扰和噪声等因 素的共同影响，需要把物理层的信号质量及时汇 报给MAC层，同时MAC层也需要及时和网络层、 传输层以及应用层进行信息交互，传统的分层协 议体系管理模式在无线传感器网络中并不是最佳 的，所以跨层的网络管理成了保证无线传感器网 络高效工作的先进技术之一。与跨层协议结构相 对应的控制技术包括：能源管理、QoS管理、无线 资源管理、移动性管理。为了能够可靠地进行数 据传输，需要节点能够提供具有特定服务质量 (QoS)要求的各种无线业务，其中的 QoS技术必 须具有充分的灵活性和自适应特性。无线资源管 理，一方面是满足各种业务的QoS要求，另一方 面，能保证珍贵的无线资源高效使用。由于在无 线传感器网络底层会采用 OFDM、MIMO或者 UWB等先进物理层技术，这使得无线资源管理算 法必须能从传统的一维资源管理变为时空二维、 时频二维或者时空频三维。除了需要进行发射功 率控制与分配、速率分配与调整等基本无线资源 管理操作外，还需要紧密结合物理层采用的技术， 例如对于MIMO需要进行天线选择和空分复用管 理，对于OFDM需要进行子载波分配，移动性管 理是为了让无线传感器网络中的某些节点具有慢 速移动的功能，从而拓宽无线传感器网络的应用 范围。为了支持移动性，必须在物理层进行测量， 在MAC层进行切换控制操作，在网络层进行路由 调整和维护，而在上层需要进行数据缓存和拥塞 解决等。 在设计无线传感器网络时，基本的问题是克 服能量与带宽的限制 J。数据融合作为一个基本 的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ，其目的是减少传感节点间的传输量，达到 降低整个网络中的能量消耗和数据冲突。 二、WSN的数据融合 无线传感网中传感节点之间、传感节点与控 制中心之间必须进行通信，然后对通信结果做进 一 步处理。目前所有的通信都依赖于射频(RF)， 因此，通信时必须考虑的是在射频广播通信中有 限带宽这一问题。传感网络中数据包的建立和维 护，以及从监测点捕获的大量信号，将对射频媒介 的通信能力产生巨大的挑战。 无线传感网络中另外一个重大的局限在于传 感节点的低能耗需求，传感节点一般携带有限的、 不可替换的能源，通过更换数量众多的传感节点 的电池来维护传感节点能量的做法显然是不可取 的。因此，当传统的网络致力于获得高质量网络 服务时，传感网络协议则更多关注传感节点能量 的保持方面。对于传感网络中能量的耗费主要有 计算和通信两个方面。相关实验表明_3 J，在 100m 的通信线路上传输 lkb的数据包和 CPU执行 3Mb的指令所消耗的能量几乎是相同的，因此，传 感节点应注重于本地的数据处理而减少远距离的 数据传输，从而可以减少通信所带来的能量耗费 这一巨大的负担。 数据融合技术在传感网络中已经成为一个非 常有用的方法。基于自组织机制和网内处理的数 据融合技术可以减少WSN建立和维护的代价、消 除数据冗余、减少传输次数，从而减轻网络带宽的 负担及成千上万的数据包处理所带来的能量损 耗。下面就网络自组织性和网内处理两个方面对 数据融合技术进行讨论。 1．自组织性 传感器的工作原理是传感器之间不需要进行 任何的连接就可以工作，传感节点的优势主要是 能快速随机地配置到被监测区域，这也意味着这 些传感设备的无线连接不能配置成一种预定的拓 扑结构，操作时传感器很难甚至不能被访问，因 维普资讯 http://www.cqvip.com 江苏广播 电视大学学报 2006．6 59 此，这样的网络需要有自动操作的能力。并且由 于使用时间的因素，某些传感器由于能量耗尽而 又无法替换，所以，各传感器之间必须获悉彼此的 情况，并组成相应的网络，这种网络称为自组织 网络。 目前主要从两个方面来研究无线传感器网络 的自组织性，一个是数据扩散方法，另一个是网络 的拓扑结构，这两个方面是决定无线传感器网络 通信的关键因素。 (1)数据扩散方法。在WSN的数据扩散方法 中，以数据为中心的方法最令人关注。Kffshnama— chaff et a1．比较了以数据为中心和以地址为中心 的数据扩散方法，其区别在于数据从源点到汇点 的传送方式。在以地址为中心的数据扩散协议 中，每个源点各 自沿最短路径传送数据到汇点 (端一端)；在以数据为中心的数据扩散协议中， 源点传送数据到汇点所经过的路由节点能获悉数 据的 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 并在多个数据包之间进行聚合。 以数据为中心的数据扩散方法是在请求通信 时，传感节点发布已定义属性的数据请求，当其他 节点暂时没有该类数据时，将不会响应，但会记下 这样的请求，当后来有符合该属性的数据时，请求 数据节点和拥有该数据节点之间将会进行通信， 完成数据传送。以数据为中心的数据扩散方法的 优点在于：当需求的数据不存在时将不会发生数 据交换，但节点必须要周期性地更新请求，且请求 方和发送方节点之间必须保持路由信息。Direct— ed Diffusion方法是传感网络中重要的以数据为中 心的数据扩散方法。 (2)WSN拓扑结构。WSN的拓扑结构主要 分为聚合树和clustering两类。通过数据融合，两 种结构都能达到最小化传输成本以获得最大化 WSN生命周期的目的。目前典型的拓扑控制可 以分为以下几个方面：功率控制方面有基于节点 度的算法和基于临近图的算法，层次型拓扑结构 控制方面有LEACH算法、GAF算法、GAF改进算 法及TopDisc算法，启发机制方面的有STEM算法 和ASCENT算法。 (3)时钟同步。在WSN中为了节约能量，尽 最大可能使传感节点保持低能耗状态是十分必要 的，时钟同步机制在节约传感网络能量方面具有 重要的作用。目前 WSN的网络时间同步机制有 RBS同步机制、TPSN时间同步协议、mini sync和 tiny sync同步算法、DMTS同步机制和 LTS机 制等。 2．网内处理 基于上述数据扩散方法和网络拓扑结构控制 算法，可以为WSN构建某一拓扑结构并设定路 由，每个传感器在网络中同时扮演感知外界环境、 路由其他传感器的作用。另外，在WSN中一些传 感器所产生的数据可能足以使网络发生拥塞，并 且这些产生的数据大多数对终端用户来说都是毫 无用处的。实际上，可以在这些数据传输之前先 进行一定的处理，这就是网内处理。网内处理因 为可以消除大量的冗余、无效数据，且部分传感器 的结果数据可以进行合并、融合，因此，可以极大 改善WSN的整体性能。 三、WSN的应用 MEMS支持下的微小传感器技术和节点间的 无线通信能力为传感器网络赋予了广阔的应用前 景，主要表现在军事、环境、健康、家庭和商业等领 域。当然，在空间探索和灾难拯救等特殊领域，传 感器网络也有其得天独厚的技术优势。 1．军事应用 C4ISRT(Command，Control，Communication， computing，Intelligence，Surveillance，Reconnaissance and Targeting)系统是军事领域的一个重要系统， 传感器网络是其中不可或缺的一部分。C4ISRT 系统的目标是利用先进的高科技技术，为未来的 现代化战争设计一个集命令、控制、通信、计算、智 能、监视、侦察和定位于一体的战场指挥系统。 2．环境科学 随着人们对环境的Et益关注，环境科学所涉 及的范围越来越广泛，通过传统方式采集原始数 据也越来越困难。传感器网络为野外随机性的研 究数据的获取提供了方便。比如，跟踪候鸟和昆 虫的迁移，研究环境变化对农作物的影响，监测海 洋、大气和土壤的成分等。ALERT系统中就有数 种传感器来监测降雨量、河水水位和土壤水分，并 依此预测爆发山洪的可能性。 3．医疗健康 如果在住院病人身上安装特殊用途的传感器 节点，如心率和血压监测设备，利用传感器网络； 医生就可以随时了解被监护病人的病情，进行及 时处理。传感器网络为未来的远程医疗提供了更 维普资讯 http://www.cqvip.com 60 周海峰。等：无线传礁器网络及其数据融合 加方便、快捷的技术实现手段。 4．空间探索 探索外部星球一直是人类梦寐以求的理想， 借助于航天器布撒的传感器网络节点实现对星球 表面长时间的监测，应该是一种经济可行的 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。 NASA的JPL(Jet Propulsion Laboratory)实验室研 制的Sensor Webs就是为将来的火星探测进行技 术准备的，已在佛罗里达宇航中心周围的环境监 测项目中进行测试和完善。 5．商业应用 自组织、微型化和对外部世界的感知能力是 传感器网络的三大特点，这些特点决定了传感器 网络在商业领域应该也会有不少的机会。比如， 嵌入家具和家电中的传感器与执行机构组成的无 线网络与Internet连接在一起将会为我们提供更 加舒适、方便和具有人性化的智能家居环境。 参考文献： [1] Gregory J．Pottle and William J．Kaiser，Embedding the [2] [3] [4] [5] internet：wireless integrated network sensors[J]．Com- munications of the ACM．2000(5)：51-58． Konstantinos Kalpakis，Koustuv Dasgupta and Parag Namjoshi．Maximum Lifetime Data Gathering and Ag- gregafion in Wireless Sensor Networks[EB／OL]． 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technology．Data fusion technology，based on organization mechanism and intemal process- ing，overcomes disadvantages of the energy loss and band width limit，thus improving the overall perform ance．The WSN has a wide range of applications in the military，environmental，health，fam ily，and commercial fields． Key words：wireless sensor network；data fusion；self organization；in network processing 责任编辑 天 尧 维普资讯 http://www.cqvip.com