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一、DSN概念與挑戰
DSN是由大量部署在各自作用區內的微型傳感器作為網絡節點,組成的一種分布式智能網絡系統,這種傳感器網絡系統具有節點信息互通迅速的特點,相互之間的聯系方式多選擇多跳(multi-hop)、對等(peertopeer)的無線通信方式。DSN可以作為局域網絡在脫機情況下進行獨立運行,也可以連接在Internet上利用互聯網進行遠程登陸和遠程控制。隨著DSN網絡信息系統的進步和發展,給通信協議的設計提出了一些新的挑戰:第一,資源受限,在DSN中每個微型傳感器也就是網絡的節點,因為是獨立工作狀態,所以只能攜帶有限的不可更換的電源,在電量和電壓供應上沒有保障,導致微型傳感器的運算能力和存儲能力都較弱;第二,可擴展性要求,DSN系統規模龐大,而且應用的領域并不確定,所以需要通信協議具有較強的可擴展性,能夠根據通信網絡的應用領域和應用環境進行實時調整;第三,環境適應性,創造DSN網絡信息系統的目的,就是要將它應用在長期無人值守條件下工作,在惡劣環境下微型傳感器遭遇惡劣環境和人為毀壞的幾率極大,要求通信協議能夠適應傳感器的這種高損失率,在有微型傳感器損失的情況下,依然能依靠現有傳感器節點進行信息處理和交互;第四,安全性,安全是系統可用的前提,DSN系統要在保證通信安全的前提下,降低系統維護費用,研究節能的安全算法;第五,實時性,DSN系統是一種信息的快速響應系統,一般被應用于航空航天、醫療等重要領域,在這種關系到人民群眾切身利益的行業領域應用,就一定要保證信息傳輸的實時性、保證信息的時效性。
二、通信協議研究進展
2.1物理層協議在當前的無線傳感器網絡領域,無線電傳輸是DSN的主流傳輸方式,運用無線電進行信息傳輸面臨的主要問題是,無線電頻段的選擇、編碼的節能化和調制算法設計。在頻率選擇方面,ISM頻段由于其自身無需注冊的系統開放性和頻段的大范圍可選擇性,成為當前無線電傳輸的主流,在這一頻段的無線電傳輸中共有433MHz和915MHz兩種頻段的收發器設計方法。
2.2數據鏈路層協議
2.2.1拓撲生成DSN的拓撲結構可以分為兩種,一種是平面結構,一種是層次結構。所謂的平面結構就是所有的網絡節點在網絡信息系統中處于平等地位,節點與節點之間不存在相互從屬的關系,這種網絡組織結構具有結構簡單維護方便的特點,每個節點都有自己固定的算法,所有的平等節點統屬控制系統管理,是一種典型的扁平化的節點管理方式,但是這種管理方式也存在著自身的缺陷,那就是因為系統中管理節點的缺失,節點之間協同的算法復雜,對協同信息的反應比較慢。層次結構是與平面結構相對應的節點結構,網絡信息系統的層次結構通常以簇的形式存在,所謂的簇就是一個傳感器節點的集合,在這一集合中集結了很多的節點,每個簇都以自身內部存在的邏輯規則約束簇內的信息節點,并結合簇的應用方向選擇出稱為簇首的節點,簇首模仿自身的算法機制對簇中的其他節點進行管理,這樣的根據應用目標不同以協議的形式,將信息節點約束成簇的節點管理方式極大的提高了網絡系統的可擴展性,方便了網絡系統的管理。
2.2.2信道介入方式現有的信道介入方法協議——MAC協議,由于在信息傳輸過程中復雜程度較高和能耗的問題無法解決,已經不適合在DSN中應用,研究人員基于對DSN系統特點的分析為DSN設置了特定的信道協議。研究人員針對DSN系統的特點開發出了SMACS協議和EAR協議,由這兩個通信協議進行信息管理,其中SMACS協議負責系統中節點的自動組網工作,EAR協議負責網絡系統中的移動節點的接入工作。這樣一動一靜兩個信道協議將網絡信息系統運行維護起來。
2.3傳輸層協議DSN系統自身的設計更加偏重于無線傳感節點的管理與控制,所以在信息傳輸和通信可靠性上存在弱點,其中最大的問題就是傳輸中出現錯誤的恢復機制。因為無線傳感器傳輸過程中信息錯誤是必不可免的,那么相關的錯誤恢復機制也在DSN設計時就已經存在,但是經過實踐的驗證,DSN自身的錯誤恢復機制,在信道通信質量下降的同時糾錯機制也開始出現糾錯率的下降。針對這一現象研究人員提出了逐跳(hopbyhop)的錯誤恢復機制,讓數據傳輸的中間節點參與到錯誤恢復中來,讓信息傳輸的每一跳都對上一跳形成的信息錯誤進行糾正,這樣的糾錯機制極大的提高了系統糾錯的效率,同時也避免了錯誤累積導致的通信質量下降。
三、結論
隨著社會生產的大規模集成化,無線傳感器網絡的應用將會越來越廣泛,而在無線傳感器網絡的建設過程中,通信協議的質量對信息網絡的質量有著直接的影響,一定要在需求分析的基礎上進行通信協議的編寫,保障無線傳感器網絡在社會生產中的積極作用發揮。
作者:秦偉單位:云南省科普資源信息中心