无线传感网及相关研究

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1、无线传感器网络简介及相关研究主要内容主要内容 课题背景及意义课题背景及意义节约费用节约费用扩展性强扩展性强结构灵活结构灵活适应范围广适应范围广定义定义:将大量传感器节点组成自治将大量传感器节点组成自治网络，实现了对物理世界的网络，实现了对物理世界的动态智能协同感知。动态智能协同感知。无线传感网无线传感网应用广泛应用广泛典型应用典型应用：英特尔研究实验室利用无线传感器网络对缅因州“大鸭岛”生态监控。香港科技大学，浙江大学，浙江农林大学，上海交通大学等开发的“绿野千传”。http:/greenorbs.org 课题背景及意义课题背景及意义研究进展研究进展：军事：美国国防部提出的c4KISR计划：战

2、场的情报获取。2001年提出了“灵巧传感器网络通信”计划。通过数据融合，将大量信息集成一幅战场全景图。美国陆军近期又确立了“无人值守地面传感器群”项目。还确立了“战场环境侦查与监视系统”最近又确立了“传感器组网系统”民用领域：美国交通部1995”国家智能交通系统项目规划”因特尔公司于2002发布“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”。学术界：美国自然科学基金委员会2003年制定了无线传感器研究计划，在加州大学洛杉矶分校成立了传感器网络研究中心，展开“嵌入式智能传感器”。2009年，温家宝在无锡传感器工程技术研发中心提出了“感知中国”，其后中国传感器标准工作组成立。系统结构系统结构应用层：在应

3、用层上开发和使用不同的应用层软件物理层负责数据的调制，发送与接收目标是设计低成本、低功耗、小体积的传感器节点 数据链路层负责数据成帧，帧检测，差错控制以及无线信道的使用控制，减少邻居节点广播引起的冲突路由层：实现数据融合，负责路由生成和路由选择传输控制层：负责数据流传输控制，协作维护数据流是保障通信质量的重要部分路由协议路由协议基于查询基于查询监测中汇聚节点发送命令地理位置地理位置目标跟踪依据位置信息可靠路由协议可靠路由协议服务质量，可靠性，实时行基于能量感知基于能量感知 能耗、寿命路由协议分类路由协议分类：路由协议路由协议基于能量的路由协议基于能量的路由协议：汇聚节点汇聚节点源节点源节点A（

4、pa=2）B（pa=2）C（pa=2）D（pa=3）E（pa=1）F（pa=4）a1=1a2=1a3=2a5=2a4=2a6=1a8=2a9=2a10=2a7=2从源节点到汇聚节点的可能路径有:1:源节点-B-A-汇聚节点，路径上所有节点PA之和为4，在该路径上发送数据需要的能量之和为32:源节点-C-B-A-汇聚节点，路径上所有节点PA之和为6，在该路径上发送数据需要的能量之和为63:源节点-D-汇聚节点，路径上所有节点PA之和为3，在该路径上发送数据需要的能量之和为44:源节点-F-E-汇聚节点，路径上所有节点PA之和为5，在该路径上发送数据需要的能量之和为6路由协议路由协议汇聚节点汇聚节

5、点源节点源节点A（pa=2）B（pa=2）C（pa=2）D（pa=3）E（pa=1）F（pa=4）a1=1a2=1a3=2a5=2a4=2a6=1a8=2a9=2a10=2a7=2基于能量的路由协议基于能量的路由协议：能量路由策略：1，最大PA路由：42，最小能量消耗路由：13，最小跳数路由：34，最大最小PA节点路由：3路由算法路由算法-蚁群算法蚁群算法v蚁群算法起源：20世纪90年代意大利学者MDorigo，VManiezzo，AColorni等从生物进化的机制中受到启发，通过模拟自然界蚂蚁搜索路径的行为，提出来一种新型的模拟进化算法 蚁群算法，是群智能理论研究领域的一种主要算法。用该方法

6、求解TSP问题、分配问题、job-shop调度问题，取得了较好的试验结果本图为从开始算起，经过18个时间单位时的情形：走ABD的蚂蚁到达终点后得到食物又返回了起点A，而走ACD的蚂蚁刚好走到D点。则经过36个时间单位后，所有开始一起出发的蚂蚁都经过不同路径从D点取得了食物，此时ABD的路线往返了2趟，每一处的信息素为4个单位，而 ACD的路线往返了一趟，每一处的信息素为2个单位，其比值为2：1。依次下去最短的路径信息素越来越多。路由算法路由算法-蚁群算法蚁群算法v蚁群算法的示意图：路由算法路由算法-蚁群算法蚁群算法TSP旅行商问题 TSP问题（问题（Traveling Salesman Pro

7、blem）又译为旅行推销员问题、货郎）又译为旅行推销员问题、货郎担问题，假设有一个旅行商人要拜访担问题，假设有一个旅行商人要拜访n个城市，他必须选择所要走的路径，个城市，他必须选择所要走的路径，路径的限制是每个城市只能拜访一次，而且最后要回到原来出发的城市。路路径的限制是每个城市只能拜访一次，而且最后要回到原来出发的城市。路径的选择目标是要求得的路径路程为所有路径之中的最小值径的选择目标是要求得的路径路程为所有路径之中的最小值。从i城市到j城市选择的概率为：路由算法路由算法-蚁群算法蚁群算法基于蚁群算法的路由算法：蚂蚁具有找到蚁穴和食物源之间最短路径的能力，将这里理论用于源节点到目的节点最佳路

8、由的选择。主要特点两类网络蚂蚁，前行蚂蚁和后行蚂蚁。前行蚂蚁与数据包处在相同优先级的转发队列中，用于收集节点间的延迟；到达目的节点后，前行蚂蚁死亡，同时产生一个结构内容完全相同的后行蚂蚁，后行蚂蚁按前行蚂蚁的路线原路返回；处理后行蚂蚁的队列优先级较高，能够快速的将前行蚂蚁收集的网络状态信息返回给各网络节点；路由算法路由算法-蚁群算法蚁群算法基于蚁群算法的路由算法从本节点到下一节点的选择概率为：T表示：信息素E表示：剩余能量 表示：权重系数。路由算法路由算法-蚁群算法蚁群算法其中 Fdk表示：前行蚂蚁具体源节点的距离。表示：挥发的信息素。不好的路径逐渐消失表示：信息素的增量路由算法路由算法-蚁群

9、算法蚁群算法对蚁群算法的改进对蚁群算法的改进该进1：考虑能耗问题，延长整个网络的寿命该进2：减少节点包含的数据容量。使靠近目标点的节信息素 含量增大路由算法路由算法-蚁群算法蚁群算法MAC协议协议13网络效率网络效率2可扩展性可扩展性节省能量节省能量网络大多数以网络大多数以干电池，纽扣干电池，纽扣电池为主电池为主节点数目，密节点数目，密度变化，节点度变化，节点的加入，死亡的加入，死亡等因素等因素公平性，实时公平性，实时性，带宽利用性，带宽利用率率考虑因素其他协议其他协议随机竞争随机竞争时分复用时分复用.MAC协议协议分配固定使用时隙，分配固定使用时隙，避免干扰避免干扰随机使用无线随机使用无线信

10、道，重点考信道，重点考虑减少干扰虑减少干扰例如：频分复例如：频分复用，码分复用，用，码分复用，实现无冲突的实现无冲突的无线信道无线信道802.11MAC协议协议分布式协调：采用随机退避分布式协调：采用随机退避的方式减少数据碰撞发生的方式减少数据碰撞发生点协调：通过访问接入点协调点协调：通过访问接入点协调数据的收发数据的收发MAC协议协议ABCDABCD RTSCTS数据ACKNAVNAVMAC协议协议分布式协调分布式协调：DCF协议中的CSMA/CA机制示意图：SIFS:最短帧间间隔，使用SIFS的优先级最高用于需要立刻响应的服务 如:RTS，CTS等DIFS：DCF模式下的帧间间隔,用以发送

11、数据帧和管理帧。NAV：RTS CTS中带有的数据交换时间MAC协议协议节点侦听信道状态，当信道最终空闲下来时，节点使用二进制退避算法，进入退避状态来避免发生碰撞。退避时间=Random()*aSlottime其中，Random（）是竞争窗口0,CW内均匀分布的伪随机整数：CW是整数随机数，其值处于标准规定范围之内。aSlottime是一个时槽时间，包括发射，媒体传播时延，检测信道的响应时间等。MAC协议协议自组织算法自组织算法元胞自动机是一时间和空间都离散的元胞自动机是一时间和空间都离散的动力系统。散布在规则格网动力系统。散布在规则格网 中的每一中的每一元胞取有限的离散状态，遵循同样的元胞取

12、有限的离散状态，遵循同样的作用规则，依据确定的局部规则作同作用规则，依据确定的局部规则作同步更新。大量元胞通过简单的相互作步更新。大量元胞通过简单的相互作用而构成动态系统的演化。用而构成动态系统的演化。元胞自动机定义元胞自动机定义：将 WSN 的海量节点视为元胞自动机中的元胞，则每个元胞分别对应于一个固定位置的传感器节点，每个节点具有一定的检测和计算能力。通过设计合理的活跃机制和元胞间的协同，就有可能以群体智能的方式实现 WSN 自组织基于元胞自动机的自组织算法（基于元胞自动机的自组织算法（CAS）元胞自动机是个元胞自动机是个 4 元组元组(L,S,N,f)L 则对应于 WSN 网络S 是有限

13、的状态集合N 是邻居半径的集合f 为状态转移函数 元胞自动机模型设计元胞自动机模型设计 自组织算法自组织算法元胞的位置是固定,对应于一个传感器节点；节点有活跃/睡眠 2 种状态，用 1/0 表示；每个节点都将有机会成为活跃节点；节点的状态由上个周期周围节点的状态决定；节点在这个周期内是活跃的，则下个周期睡眠基于元胞自动机无线传感网络特点基于元胞自动机无线传感网络特点：自组织算法自组织算法即每个元胞以以下 2 个阶段的方式工作：活跃/睡眠阶段。元胞根据唤醒规则选择自己处于活跃状态或睡眠状态：当处于活跃状态时，则对周围环境进行检测并进行必要的处理；而处于睡眠状态时，元胞将进入睡眠状态以节省能量。通

14、信方式 检测感知对于元胞 ，其检测范围为一个半径为 的圆形区域 ，当目标出现在该圆形区域内时，元胞会以一定的概率检测到它。检测区域的集合 为sensor(i)自组织算法自组织算法R 大小为传感器节点单跳通信距离监测概率为：虚警概率为：t 时刻 判定目标出现其他当的检测范围内存在目标时，的概率为范围内不存在目标时的概率为自组织算法自组织算法算法设计算法设计：WSN 系统中的每个元胞存在 2 个操作对象：演化规则和节点单元状态。演化规则如下：1,若节点在t 时刻为 1 状态，则在t+1时刻会转换为 0 状态；2,若节点在t 时刻为 0 状态，通过计算W(t)的值，超过某个预定的阈值 时，则该节点状

15、态转换为 1，并小范围的广播一个 signal 信号，通知邻居节点其状态改变了。接收到信号的邻居节点会在 t+1 时刻在其存储单元内把该节点的状态值由 0 改为 1。自组织算法自组织算法 影响状影响状态因素态因素每个传感器节点的检测范围是有限的，为了提高检测的准确性，希望目标周围的节点能较多的处于活跃状态。因此，离目标的距离越近，节点为 1 的可能性越大；反之越小。每个节点有0或1这2种可能的状态.若在t-1时刻为1,则t 时刻即变为0。若t1时刻为0,通过计算 W(t)的值,t 时刻可能变为1,或者继续保持为 0。在t-1时刻,邻居节点为1的数目越多，本节点为1的概率越小；邻居节点为 0 的

16、节点数目越多，本节点为1的概率越大；另外，距离目标越近的邻居节点，它的状态对本节点的影响也会越大。即节点的剩余能量越多，为 1 的概率越大，反之越小。自组织算法自组织算法 元胞自动机元胞 的活跃权值计算式G 为元胞在t-1时刻的状态；D 为元胞离目标的距离；d 是t-1时刻状态为 0 的邻居距离本节点的距离;E 为t-1时刻节点的剩余能量。自组织算法自组织算法仿真分析 感知区域大小为 100 m100 m，其中随机撒布 150 个性能指标相同的传感器节点。目标以 v=3 m/s 作匀速直线运动，起点为0,0，终点为100,80，运动轨迹在图中表示为实线，可以看出，该条轨迹展现了运动目标从进入感

17、知区域到离开的完整过程。自组织算法自组织算法设计性能指标如下设计性能指标如下：(1)节点唤醒概率 表示t 时刻所有处于活跃状态的元胞总数N：表示节点总数(2)节点利用率 表示t 时刻检测到目标的元胞节点总数图 2图 5 分别是 1,8,16,32 时刻节点的活跃情况。自组织算法自组织算法自组织算法自组织算法自组织算法自组织算法元胞自动机的自组织算法结论：元胞自动机的自组织算法结论：算法 A 表示所有节点的唤醒概率 w=1；算法 B 表示所有节点的唤醒概率 w=0.49 ；算法C 为本文算法；算法 D 表示所有节点的唤醒概率 w=0.35总结简要介绍了无线传感网系统简要介绍了无线传感网系统介绍了基于能量的路由介绍了基于能量的路由蚁群路由算法蚁群路由算法介绍了介绍了DCP MAC层协议层协议基于元细胞机的自组织算法基于元细胞机的自组织算法