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無線傳感器網(wǎng)絡與網(wǎng)格結(jié)合研究畢業(yè)論文-文庫吧資料

2025-07-17 20:38本頁面
  

【正文】 戶端 應用層 負責應用程序提交 消息層 信包組裝與分析 數(shù)據(jù)層 數(shù)據(jù)壓縮 /解壓、加密 /解壓,格式轉(zhuǎn)換 應用層 負責應用程序提交 消息層 信包組裝與分析 數(shù)據(jù)層 數(shù)據(jù)壓縮 /解壓、加密 /解壓,格式轉(zhuǎn)換 服務端 圖 31 網(wǎng)格系統(tǒng)的消息通信模型 傳輸層 (TCP/IP、 UDP/IP) 北方民族大學畢業(yè)論文 無線傳感器網(wǎng)絡與網(wǎng)格結(jié)合研究 第 16 頁 具有全局的某些特性,而全局的特性在局部也有一定的體現(xiàn) ; 網(wǎng)格的構(gòu)建通過小的局域網(wǎng)格可以形成更大的網(wǎng)絡,其形成方式具有相似性。 (5)自相似性。由于網(wǎng)格沒有集中控制能力,因此,對于這種動態(tài)性 ,需要有一種機制來保障網(wǎng)格應用的運行不會遭受比較大的影響。 (4)動態(tài)性。 (3)自治性。組成網(wǎng)格的資源是異構(gòu)的,對于計算資源,有不同類型的計算機,不同的計 算方式,不同的計算接口,不同的系統(tǒng)構(gòu)架;同樣,對于存儲資源和其他資源,也面臨著這樣的問題。網(wǎng)格系統(tǒng)的層次通信模型和各層所支持的功能如圖 31所示。以層次通信模型為例,在計算網(wǎng)格中,由于節(jié)點的分布性、異構(gòu)性,要求提供高效可靠的信息傳遞機制來支持節(jié)點間的通信。這種網(wǎng)格調(diào)度方法的負載平衡屬于靜態(tài)的,適用于作業(yè)提交點服從均勻分布的情況。以應用程序調(diào)度方法北方民族大學畢業(yè)論文 無線傳感器網(wǎng)絡與網(wǎng)格結(jié)合研究 第 15 頁 中的分布式網(wǎng)格調(diào)度模型為例說明,它實現(xiàn)調(diào)度的其中一種方法是 ,設置多個網(wǎng)格調(diào)度器和一個中心管理節(jié)點。 網(wǎng)格調(diào)度主要由網(wǎng)格應用層完成。組成網(wǎng)格的資源可能是計算資源、存儲資源、數(shù)據(jù)資源、 儀器資源等,它們分布在地理位置不同的許多地方,而網(wǎng)格工作流關鍵技術研究并不是集中在一起的。網(wǎng)格特點大致包括五個方面 [11][12] 。計算網(wǎng)格是 狹義上的網(wǎng)格,包括分布式超級計算、高性能計算;數(shù)據(jù)網(wǎng)格是“數(shù)據(jù)超網(wǎng)”,其目標是開發(fā)出新一代速度更快、承受能力更大的數(shù)據(jù)網(wǎng)格,解決互聯(lián)網(wǎng)上提供的大量異構(gòu)數(shù)據(jù)共享;服務網(wǎng)格目標是滿足任意時空“按需索取”的服務 、 協(xié)同運算及多媒體服務。 從本質(zhì)上講,網(wǎng)格是一種網(wǎng)絡計算,它 利用互聯(lián)網(wǎng)把地理上廣泛分布的各種資源 (包括計算資源、存儲資源、帶寬資源、軟件資源、數(shù)據(jù)資源、信息資源、知識資源等 )連成一個邏輯整體,就像一臺超級計算機一樣,為用戶提供一體化信息和應用服務 (計算、存儲、訪問等 ),徹底消除資源 “ 孤島 ” ,最充分的實現(xiàn)信息共享。 北方民族大學畢業(yè)論文 無線傳感器網(wǎng)絡與網(wǎng)格結(jié)合研究 第 14 頁 第 3 章 網(wǎng)格技術概述 網(wǎng)格概念、特點 網(wǎng)格的 概念 網(wǎng)格是一種新興的技術,正處在不斷發(fā)展和變化當中。借助于航天器在外星體撒播一些無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點,可以對星球表面進行長時間的監(jiān)測。 WSN 的出現(xiàn)為建筑物狀態(tài)監(jiān)測提供了省時省力的技術手段。 由于建筑物不修補,可能會存在一些安全隱患。利用遠程監(jiān)控系統(tǒng),可完成對家電的遠程遙控 ; 利用無線傳感器網(wǎng)絡可以建立智能幼兒園,監(jiān)測孩童的早期教育環(huán)境,跟蹤孩童的活動軌跡,可以讓父母和老師全面地研究學生的學習過程 ; 在牛的脖子上套上 WSN節(jié)點,當牛接近圍欄時,上面的電子裝置探測到有牛接近圍欄,隨即模擬出驅(qū)趕牛的聲音,防止牛跑出電子樁劃定的放牧區(qū)域,這樣放牧人便可以坐在家 里 輕松自在地喝咖啡看電視 [6]。利用無線傳感器網(wǎng)絡長時間收集人體的生理數(shù)據(jù),這對了解人體活動機能和研制新藥品都是非常有用的。 (3)醫(yī)療護理 無線傳感器網(wǎng)絡在醫(yī)療系統(tǒng)和健康護理方面的應用包括監(jiān)測人體的各個生理數(shù)據(jù) 、 跟蹤和監(jiān)控醫(yī)院內(nèi)醫(yī)生和患者的行動 、 醫(yī)院的藥物管理等。通過飛機或炮彈直接將傳感器節(jié)點播撒到敵方陣地內(nèi)部,或者在公共隔離帶部署無線傳感器網(wǎng)絡,能夠非常隱蔽而且近距離準確地收集戰(zhàn)場信息,迅速獲取有利于作戰(zhàn)的信息。 (1)軍事應用 無線傳感器網(wǎng)絡具有可快速部署、可自組織、隱蔽性強和高容錯性 等 特點,因此非常適合在軍事上應用。而隨著計算成本的 不斷下降 、 微處理器體積 的 越來越小以及 傳感器網(wǎng)絡的 實用性 , 已經(jīng)導致了 無線傳感器網(wǎng)絡 許多其他可能的應用 ,包括從基礎設施安全到工業(yè)傳感的應用。應用層的研究主要是各種傳感器網(wǎng)絡應用系統(tǒng)的開發(fā)和多任務之北方民族大學畢業(yè)論文 無線傳感器網(wǎng)絡與網(wǎng)格結(jié)合研究 第 12 頁 間的協(xié)調(diào),如作戰(zhàn)環(huán)境偵查與監(jiān)控系統(tǒng)、軍事偵查系統(tǒng)、戰(zhàn)場監(jiān)測與指揮系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、交通管理系統(tǒng)、災難預防系統(tǒng)、危險區(qū)域監(jiān)測系統(tǒng)、有滅絕危險的動物或珍貴動物的跟蹤監(jiān)護系統(tǒng)、生物醫(yī)學監(jiān)測、治療系統(tǒng)和智能維護等。在面向無線傳感器網(wǎng)絡的操作系統(tǒng)的支持 下,多個應用可以并發(fā)地使用系統(tǒng)的有限資源。 超寬帶技術 (UWB)是一種極具潛力的無線通信技術 , 具有對信道衰落不敏感、發(fā)射信號功率譜密度低、低截獲能力、系統(tǒng)復雜度低、能提供數(shù)厘米的定位精度等優(yōu)點,非常適合應用在無線傳感器網(wǎng)絡中。 IEEE [3]標準是針對低速無線個人域網(wǎng)絡的無線通信標準,把低功耗、低成本作為設計的主要目標,旨在為個人或者家庭范圍內(nèi)不同設備之間低速聯(lián)網(wǎng)提供統(tǒng)一標準。雖然對網(wǎng)絡所存儲的數(shù)據(jù)進行抽象會在一定程度上影響執(zhí)行效率,但可以顯著增強傳感器網(wǎng)絡的易用性。 (7)數(shù)據(jù)管理 從數(shù)據(jù)存儲角度來看,傳感器網(wǎng)絡可被視為一種分布式數(shù)據(jù)庫 。由于傳感器節(jié)點的易失效性,傳感器網(wǎng)絡也需要數(shù)據(jù)融合技術對多份數(shù)據(jù)進行綜合,提高信息的準確度。 北方民族大學畢業(yè)論文 無線傳感器網(wǎng)絡與網(wǎng)格結(jié)合研究 第 11 頁 (6)數(shù)據(jù)融合 傳感器網(wǎng)絡存在能量約束 , 減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量能夠有效地節(jié)省能量 。為了提供有效的位置信息,隨機部署的傳感器節(jié)點必須能夠在布置 完成 后確定自身位置。 RBS機制是基于接收者 接收者的時鐘同步 ;TINY/MINISYNC是簡單的輕量級的同步機制 ; TPSN采用層次結(jié)構(gòu)實現(xiàn)整個網(wǎng)絡節(jié)點的時間同步。如測量移動車輛速度需要計算不同傳感器檢測事件 的 時間差,通過波束陣列確定聲源位置 節(jié)點間時間同步 。 除此之外,為了確保數(shù)據(jù)融合后數(shù)據(jù)源信息的保留,水印技術也成為無線傳感器網(wǎng)絡安全的研究內(nèi)容。 (3)網(wǎng)絡安全 為了保證任務的機密布置和任務執(zhí)行結(jié)果的安全傳遞 與 融合,無線傳感器網(wǎng)絡需要實現(xiàn)一些最基本的安全機制:機密性 、點到點的消息認證、完整性鑒別、新鮮性、認證廣播和安全管理。 目前研究的重點是網(wǎng)絡層協(xié)議和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。同時, 隨 傳感器拓撲結(jié)構(gòu)動態(tài)變化,網(wǎng)絡資源也在不斷變化,這些都對網(wǎng)絡協(xié)議提出了更高的要求。功率控制機制調(diào)節(jié)網(wǎng)絡中每個節(jié)點的發(fā)射功率,在滿足網(wǎng)絡連通度的前提下,減少節(jié)點的發(fā)送功率,均衡節(jié)點單跳可達的鄰居數(shù)目;層次型的拓撲控制利用分簇機制,讓一些節(jié)點作為簇頭節(jié)點,由簇頭節(jié)點形成一個處理并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的骨干網(wǎng),北方民族大學畢業(yè)論文 無線傳感器網(wǎng)絡與網(wǎng)格結(jié)合研究 第 10 頁 其他非骨干網(wǎng)節(jié)點可以暫時關閉通信模塊,進入休眠狀態(tài)以節(jié)省能量 [2]。 傳感器網(wǎng)絡拓撲控制目前主要的研究問題是在滿足網(wǎng)絡覆蓋度和連通度的前提下,通過功率控制和骨干網(wǎng)節(jié)點選擇,剔除節(jié)點之間不必要的無線通信鏈路,生成一個高效的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡拓 撲結(jié)構(gòu)。 無線傳感器網(wǎng)絡關鍵技術 無線傳感器網(wǎng)絡作為當今信息領域新的研究熱點, 具有 多學科交叉 性 ,有非常多的關鍵技術有待發(fā)現(xiàn)和研究。這種以數(shù)據(jù)本身作為查詢或傳輸線索的思想更接近于自然語言交流的習慣。用戶使用傳感器網(wǎng)絡查詢事件時,直接將所關心的事件通告給網(wǎng)絡,而不是通告給某個確定編號的節(jié)點。 (6)以數(shù)據(jù)為中心 傳感器網(wǎng)絡是任務型的網(wǎng)絡, 其 節(jié)點采用節(jié)點編號標識。不同的傳感器網(wǎng)絡應用關心不同的物理量,因此對傳感器的應用系統(tǒng)也有多種多樣的要求。 (5)應用相關 性 傳感器網(wǎng)絡用來感知客觀物 理世界,獲取物理世界的信息量。由于監(jiān)測區(qū)域環(huán)境的限制以及傳感器節(jié)點數(shù)目巨大,不可能人工 “ 照顧 ” 每個傳感器節(jié)點,網(wǎng)絡的維護十分困難甚至不可維護。 (4)可靠性 傳感器網(wǎng)絡特別適合部署在惡劣環(huán)境或人類不宜到達的區(qū)域 。 (3)動態(tài)性 傳感器網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)可能因為下列因素而改變:①環(huán)境因素或電能耗盡造成的傳感器節(jié)點出現(xiàn)故障或失效;②環(huán)境條件變化可能造成無線通信鏈路帶寬變化,甚至時斷時通;③傳感器網(wǎng)絡的傳感器、感知對象和觀察者這三要素都可能具有移動性;④新節(jié)點的加入。這樣就要求傳感器節(jié)點具有自組織的能力,能夠自動進行配置和管理,通過拓撲控制機制和網(wǎng)絡協(xié)議自動形成轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)的多跳無線網(wǎng)絡系統(tǒng)。 (2)自組織性 在傳感器網(wǎng)絡應用中,通常情況下傳感器節(jié)點被放置在沒有基礎結(jié)構(gòu)的地方。 無線傳感器網(wǎng)絡特征 (1)大規(guī)模性 為了獲取精確信息,在監(jiān)測區(qū)域通常部署大量傳 感器節(jié)點,傳感器節(jié)點數(shù)量可能達到成千上萬,甚至更多。為了完成各種任務,傳感器節(jié)點需要 進行 監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的管理和處理、應答匯聚節(jié)點的任務請求和節(jié)點控制等多種工作。 (3)計算和存儲能力有限。由于節(jié)點能量的變化, 加上 受高山、建筑物、障礙物等地勢地貌以及風雨雷電等自然環(huán)境的影響,無線通信性能可能經(jīng)常變化,頻繁出現(xiàn)通信中斷 現(xiàn)象 ??紤]到傳感器節(jié)點的能量限制和網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域大,傳感器網(wǎng)絡采用多跳路由的傳輸機制。如何高效使用能量來最大化網(wǎng)絡生命周期是傳感器網(wǎng)絡面臨的首要挑戰(zhàn)。傳感器節(jié)點體積微小,通常攜帶能量十分有限的電池。 傳感器節(jié)點的限制 傳感器節(jié)點在實現(xiàn)各種網(wǎng)絡協(xié)議和應用系統(tǒng)時,存在以下一些現(xiàn)實約束 [4]。網(wǎng)絡中節(jié)點密集,數(shù)量巨大, 而且 傳感器網(wǎng)絡可以分布在很廣的地域。因此,網(wǎng)絡的自恢復性、抗毀性也是應解決的重點問題。 (4)通信能 力有限。 (3)計算能力和存儲容量有限。 (2)低功耗。 互聯(lián)網(wǎng)及衛(wèi)星 任務管理器節(jié)點 中心節(jié)點 /基站 用戶 傳感器布置區(qū)域 傳感器節(jié)點 圖 22 WSN 系統(tǒng)構(gòu)成 北方民族大學畢業(yè)論文 無線傳感器網(wǎng)絡與網(wǎng)格結(jié)合研究 第 7 頁 無 線 傳感器網(wǎng)絡特點 傳感器節(jié)點特征 無線傳感器節(jié)點作為無線傳感器網(wǎng)絡的重要組成部分,具有以下特點: (1)微型化。傳感器節(jié)點檢測的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點逐跳進行傳輸,在傳輸過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)可能被多個節(jié)點處理,經(jīng)過多跳路由到 基站 網(wǎng)關節(jié)點,最后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達管理節(jié)點。 圖 22 給出了一個典型的無線傳感器網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)。 傳感器節(jié)點還可能包括其他子單元,比如定位系統(tǒng)、功率發(fā)生器、移動管理器,許多 WSN 應用都依 賴這些子單元 [2]。收發(fā)信機將傳感器節(jié)點連接到網(wǎng)絡上。 ADC 將傳感器根據(jù)其觀測到的物理現(xiàn)象而生成的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,然后將其送給處理單元。 無線傳感器網(wǎng)絡原理 傳感器節(jié)點組成 北方民族大學畢業(yè)論文 無線傳感器網(wǎng)絡與網(wǎng)格結(jié)合研究 第 6 頁 一個傳感器節(jié)點由圖 21 所示的四個基本部分組成:感 知單元、處理單元、收發(fā)信機和功率單元。 無線傳感器網(wǎng)絡概念 一個無線傳感器網(wǎng)絡 (WSN)一般 由一組毫米般大小、設備齊全的微型機電系統(tǒng) (MEMS)裝置組成,覆蓋一個物理地理區(qū)域。第 5 章作為全文總結(jié)。網(wǎng)絡層主要完成監(jiān)測區(qū)域的數(shù)據(jù)采集、原始數(shù)據(jù)融合、組節(jié)點數(shù)據(jù)融合和向中心節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)的工作。第 4 章對無線傳感器網(wǎng)絡和網(wǎng)格兩者的結(jié)合技術進行研究,提出一個結(jié)合框架。第 1 章介紹了課題的研究背景、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和課題研究目標。將無線傳感器網(wǎng)絡與網(wǎng)格結(jié)合起來研究,就是提取兩者的優(yōu)點于一體,實現(xiàn)大量資源的捕捉、存儲、處理和共享,使其更具有應用價值。若想獲取真實世界的自然信息,必須依靠大量分布的傳感器。 研究目標 由于 無線傳感器網(wǎng)絡處理能力受限、存儲資源受限以及能量受限,單純靠自身的能力無法完成復雜的查詢,或者說即使可以完成復雜的查詢,但從發(fā)起查詢到得出查詢結(jié)果所需的時間很長,實際應用性很差。 SensorGrid[1]是將無線傳感器網(wǎng)絡和網(wǎng)格結(jié)合在一起構(gòu)成的復合系統(tǒng) ,它 采用分布式網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),由傳感節(jié)點、中間層和決策制定層構(gòu)成。 Harvard University 構(gòu)建了一個健壯、可靠的數(shù)據(jù)收集網(wǎng)絡 — Hourglass。 將無線傳感器網(wǎng)絡與網(wǎng)格結(jié)合研究,可以有效彌補無線傳感器網(wǎng) 絡自身的諸多缺點,而且還可使網(wǎng)格應用進一步擴展。 網(wǎng)格被稱為繼傳統(tǒng)因特網(wǎng)、萬維網(wǎng)之后的 第三代因特網(wǎng)應用 , 以其重要的戰(zhàn)略意義以及廣闊的應用前景成
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