IPv6无线传感网

IPv6无线传感网（精选8篇）

IPv6无线传感网 第1篇

无线传感器网(wireless sensor network WSN)是微电子机械系统、计算机、通信、自动控制和人工智能的交叉发展的结果,它由:传感器节点(Sensornode)、汇聚节点(sinknode)和管理器节点3部分组成,用于对无人值守的监控区域的测控。传感节点监测数据并以多跳的方式通过路由节点把这些数据传送给汇聚节点。汇聚节点通过Internet或通信卫星与任务管理器节点(如手机、计算机等)进行通信[1]。

Zig Bee协议是由Zig Bee联盟制定的近几年发展起来的一种近距离无线通信技术,它功率低、成本低,以2.4GHz为主要频段,广泛应用于无线传感网[2]。

IPv6是IPv4的升级版本,是下一代互联网络的核心,它把IP地址长度由32位增加到128位,彻底解决了IPv4的地址短缺问题,同时它还具有地址自动配置,服务质量控制等多方面的优点[3]。

本文旨在设计一个基于Zig Bee技术的无线传感网与IPv6网的嵌入式协议转换网关,进行Zig Bee与IPv6的协议转换,使传感器将传感数据能在这两种不同的网络中进行传输。具体模型为:当有传感数据时,传感节点通过Zig Bee协议把传感数据封装成的Zig Bee分组格式,通过传感路由算法到达该传感网的协议转换网关,协议转换网关在接到Zig Bee分组后,把传感数据提取出来,交给IPv6协议栈,IPv6协议栈再通过以太网发给IPv6网络。反之,IPv6网络通过相反的方向将控制和配置数据发送给传感节点。在这个过程中主要解决的问题有:1)把无线传感网虚拟成IPv6网,使外部网络能通过IPv6协议对传感接点进行配置和数据传送;2)协议转换模型的设计,传感数据的在Zig Bee协议和IPv6协议中如何实现转换;3)安全思想设计,无线传感网部署在无人监守区域,而且有广播特性,容易遭受攻击,需要可靠的安全设计。

1 无线传感网虚拟IPv6网

无线传感网的传感节点不具有IP地址,只有一个节点ID,要将无线传感网与IPv6网通信,我们必须将无线传感网中的传感节点与一个IPv6地址对应,外部网络使用这个IPv6地址与该传感节点通信,因此在外部来看,我们把传感节点虚拟成一个IPv6节点,如果我们把一个无线传感网的中的每个节点都进行虚拟,就可以把传感网虚拟成一个虚拟的IPv6网,在这个虚拟的IPv6网中,每个节点都有一个IPv6地址与外部IPv6网通信,但是在实际网络中还是使用节点ID进行分组传送。因此,在无线传感网与IPv6网之间的网关要进行一个虚拟,在转换网关内部,维持一个传感节点IPv6地址与传感节点内部节点ID的转换表,当收到IPv6网发给内部节点对应的虚拟IPv6节点时,在转换网关内部需要找到和虚拟IPv6地址对应的内部节点ID,并用这个ID进行传感网数据传送[4]。

如图1所示A是IPv6通信节点,对传感网发送配I置Pv和6控制数据分组,实现对传感网的控制,B为IPv6网与传感网的IP转v6换网关,主要进行IPv6地址与传IP感v6节点内部ID转换,分组格式转换等,C为与A进行通信的传感节点IPv,6它用节点ID和其他传感节点IPv进6行通信,在网关里,它被虚拟分I配D一个IPv6地ID址,D为与C对应的虚拟节点,在网关里1,C节A点被IP虚v6拟成D这个IPv6节点,D的IPv6地址和C的传感节点ID是唯一对应的。IP当v6 A发送配置或控制数据到传感节点C,转换网关B提取出ID目标IPv6地址,发现是D,然后在地址转换C表里找到D的IPv6地址对应C的节点ID,利用D这个节点ID重新组合成新的传感网A报文分D组I,Pv并6发给C,C在收到CID报文分组后进行相应的动C作。C

不足之处主要包括:WSN的大规模组网需要多个网关的参与,网关的存在使得WSN对移动性的支持不足等。

2 协议转换模型

网关要进行Zig Bee协议和IPv6协议的转换,必须分成两部分,一个是用于与IPv6网进行通信的IPv6协议栈,另一个是用于与传感网进行通信的Zig Bee传感网协议栈,如图2所示,与传感网通信的协议栈由物理层(PHY),安全层(SL),数据处理层(DPL),数据封装层(DEL)组成。各层功能如下:数据封装层的交互对象是IPv6协议栈的应用进程,完成的功能是IPv6协议栈与Zig Bee无线传感协议栈的应用层的数据接受、应答,以及由下层协议和上层应用程序发送过来的查询数据和应用数据的封装;数据处理层(DPL)是最复杂的层,它要完成传感网内部数据的融合,根据传感信息数据进行信息的更新、转换,然后再根据自己的转发策略进行转发,在这一层主要的数据结构是节点信息列表和地址转换信息表,节点信息列表记录了当前传感网络个节点的信息状态和路由信息,给传感数据的转发提供基本参考数据,地址列表记录了每个传感节点的节点ID和虚拟IPv6地址的对应信息,发往虚拟IPv6地址的报文都要在地址列表中找到对应节点ID才能在无线传感网中传输;安全层(SL)主要是解决网络层的汇聚节点攻击、链路层的碰撞攻击、物理层的拥塞攻击、以及传输层的洪泛攻击等常用网络攻击手段,在安全层,对接入的用户要进行认证,认证通过后才能收发数据,如果重复大量发数据则会被限制。当数据通过安全层的合法认证后才能交给上层协议进行处理。在图2中传感节点产生传感数据,形成WSN分组,发给转换网关,在协议转换网关,WSN数据经过安全层的人证,然后在数据处理层经过信息分析后交给数据封装层,封装层对数据进行封装处理后交给IPv6协议栈的应用层,应用层把数据封装成TCP数据段后交给网络层,网络层把数据段封装上IPv6头,形成IPv6报文并叫给链路层封装,链路层再交给物理层进行具体发送,发送给外部IPv6网络[5]。在另外一个方向上,协议转换网关收到外部IPv6网络的IP数据包后,交给传输层,传输层交给应用层,应用层交Zig Bee协议栈,在Zig Bee协议栈里,首先提取出数据,然后交数据处理层,在数据处理层里找到虚拟IPv6地址对应的节点ID,选择好转发策略,最后交给安全层,安全层通过安全认证后交物理层发送。最终将数据传给传感节点。

3 面向安全2的设计思想

无线传感网部署的时候都是部署在一些人不能到达的特殊地方,容易被人破坏,而且传感节点是使用无线传输容易被别人截获,容易被别人截获信号,并进行数据篡改和恶意攻击,使整个网络瘫痪或者能量耗尽。因此,无线传感协议的安全设计非常重要,本课题中对几种常见的攻击手法给出了应对措施,WSN拒绝服务攻击,有些攻击者只要掌握了查询分组的格式就可向传感网发送大量匿名查询分组,使节点忙于应付查询,从而达到耗尽网络带宽和传感器能量的目的,对这样的攻击,在协议转换网关的安全层加入认证机制,只允许认证用户建立对等连接,不允许外部的匿名连接。如果采用匿名连接可以考虑查询分组流量控制策略,对于频繁请求的匿名连接不进行处理,对同一个地址发送的多次查询请求也不进行处理。

4 结论

IPv6技术和Zig Bee技术是这几年发展起来的,给互联网和传感网带来革命性的变化,将两者结合进行协议转换是本课题的创新点。在测试中我们使用10个压力传感节点来构建一个无线传感网,网关无线通信模块采用射频芯片CC2430。处理器模块采用8051单片机,进行系统的整体控制与协议转换。与计算机的接口采用以太网(802.3)。软件方面移植一个嵌入式操作系统u C/OS-II,用于系统任务调度和进程通信等操作系统功能。在测试中,我们通过PC机通过IPv6网向网关发送组网命令后,10个节点都能加入传感网,并能进行相互通信。系统运行后能准确获取来自10节点的压力传感数据。由此证明本文所提设计思想可以在实际生产中进行应用,并具有良好的市场前景。

参考文献

[1]K.Akkaya and M.Younis.A Surveyof Routing Protocolsin Wireless Sensor Networks[J].Elsevier Ad Hoc Network Joumal,2005,3(3):325-349.

[2]W.Heinzelman,j.Kulik,and H,Balakrishnan.Adaptive Protocols for Information Disseminationin Wireless Sensor Networks.Proceedings of ACM International Conference of Mobile Computing and Networking.1999::174-185.

[3]C.Intanagonwiwat,R.Govindan,and D.Estrin.Directed difusion:A Scalable and Robust Communication Paradgm for Sensor Networks.Proceedings of ACM International Conference of Mobile Computing and Networking,2000:56-67.

[4]C.-C.Han,R,Kumar,R,Shea,E.kohler,and M.Srivastava.A Dynamic Operating System for Sensor Nodes.Proceddings of the 3rd Ineternational Conferenceon Mobile Systems.Applications and Services,2005:163-176.

理智部署无线传感网 第2篇

宾夕法尼亚州的一家电力公司想在自己的服务区域积极参与智能电网,覆盖他们的160万个客户,但这家电力公司很快认识到,部署传感器和通信设备需要相当高的成本。其高级顾问John Ahr说: “我们需要从远程仪表及其他设备收集数据,并且将收集来的数据与客户共享,以便客户能够在电力使用方面作出更明智的决策。但是我们又希望能减少投资,最好能继续使用原有系统。”

后来,该电力公司不得不求助于西弗吉尼亚州的奥古斯塔公司,这家公司最擅长利用客户的现有技术,整合从不同传感器网络系统获得的数据,从而降低成本。以这家电力公司为例,奥古斯塔公司的EdgeFrontier中间件和网络设备是整个项目的核心,通过一个智能电力系统通信及控制网络,把变压器监测仪、电力线传感器、电路交换机、电力感测设备、信息技术系统和互联网连接起来。

John Ahr说: “经过改造后,不但客户拥有了更多的信息,更了解自己的使用习惯和用电情况了,我们也能直接从客户处收集断电信息,帮助系统做出更快速、更合理的响应。另外,我们收集的有关温度和负载容量的变压器设备数据也极其重要。”

WSN为企业

节省开支

这个电力公司的案例表明了无线传感器网络(WSN)正在发挥更大的价值。据英国剑桥IDTechEx公司发布的《2009年至2019年无线传感器网络》报告称,到2019年,无线传感器网络将成长为产值近17.5亿美元的市场。

WSN由空间分布式自主设备组成,利用相互协作的传感器来监测物理或环境情况,如不同地方的温度、声音、震动、压力、运动或污染物。传感器网络中的每个节点通常配备无线电收发器或其他无线通信设备、小型微控制器和能量来源(通常是电池)。传感器节点大小不一,大的如同鞋盒,小的如同尘埃。

即便在当前经济不景气的形势下,很多公司也发现没有办法缩减对WSN的投资。Millennial Net公司市场营销副总裁Mark O’Hearne说: “领先的企业觉得正好可以趁这次经济衰退,减少运营中的浪费现象,以便衰退期间节省开支。如今,很多公司面临成本和环境方面的压力,于是积极评估及控制能耗。WSN非常适合翻新现有的建筑物和工业环境,达到节能减排的目的,为了确保投资回报,制定绩效指标很重要。之所以用户通常选择部署无线网络,是由于它安装起来干扰较小、成本较低,而且切切实实能带来有用的数据信息。” 一些公司表示,投入WSN后会得到可观的投资回报,因为它们收集及分析的数据通常有助于节省能耗、资源、人力和设备等方面的费用。

无线传感器网络为监测行业开辟了新天地,它们让企业能够实现业务转型。与传统有线网络相比,WSN能将计算功能进一步分发至传感器。因而,它有可能在更接近数据源的地方,将过滤及更有效地管理数据的方案分发至传感器,同时保持连接性、可视性以及与企业IT系统紧密配合。

这里有一个例子,充分说明WSN为用户带来的管理优势。Dust Networks公司的一个用户以前采用人工方式收集来自图表记录器的数据,该图表记录器与一批冷藏箱中的传感器探头相连接,训练有素的技术人员定期巡视仓库车间,检查每个图表记录器上的纸张记录。要是技术人员发现冷藏箱的温度超过正常范围,就只好扔掉贮藏的生物标本,并将损失情况告知客户。

后来,该客户在其中四个生物标本储藏室中采用了Dust Networks公司的SmartMesh IA-510和WirelessHART WSN解决方案,实现了数据监测及收集的自动化。每个传感器节点通过安装在冷藏箱里面的探头来测量温度,并通过无线射频网状网将数据发送到与以太网相连接的基站。这个新系统让技术人员可以远程查看实时数据,并汇集以往的传感器数据,用于生成客户报告。采用WSN方案后,把因温度过高导致标本失效的损失降到了最低。

明智的公司以眼下这次经济衰退为契机,在流程管理基础设施方面进行重大投入。由于提高了效率,因而获得了可观的近期回报。随着企业形势好转,工厂设备利用率回到正常水平,从长远来看效益会日益明显。

智慧部署WSN

WSN有众多不同的应用领域。企业运用WSN的最主要目的之一是为了获得“运营信息”,将智能化低成本的传感器硬件、无线通信和互联网结合起来,共同管理公司运营。这些即时信息能够改善后勤、紧缩库存、诊断问题及采取补救措施。

不过在部署之前,企业CIO要问一下自己: “如何有效地收集及处理众多数据,根据这些数据下一步需要采取什么措施。”数据要发挥作用,就得触发响应装置。比如出现边界入侵事件时,摄像头会自动开启; 农田里的温度达到一定值后,喷水装置会关掉; 超市冷冻箱的温度变得太高后,里面的警报器会发出警报。更智能的是,冷冻箱每隔五分钟会向后台电脑发送温度数据,如果冷冻箱温度过高,电脑上的警报器就会发出警报。如果监测频率还需要更高,那么电脑每隔一分钟就收集所有最低和最高温度,存储数据,检测异常情况,然后把统计数据绘成图表,由此确定冷冻箱最节能的设置。现在,超市连锁店可通过MSN把数据上传到总部,用于全面的商店运营管理和比较。

功耗又是另外一个问题,这涉及到日常维护成本: 传感器隔多久需要更换、电池能用电多久等,功耗太高会影响WSN的推广。荷兰的GreenPeak公司提供的基于射频(RF)的传感器网络技术,设计时很注意低能耗(2.4 GHz),让传感器靠一节小小的手表电池就能使用,寿命甚至比传感器本身还长(长短取决于传感器类型和使用模式),或者靠能源采集设备,那样根本就不需要电池。这使得传感器几乎不需要维护,减少了WSN的运营成本。

基础设施和网络管理的成本是无线传感器网络面临的又一个问题。不过专业的无线技术公司在设备的稳定性、覆盖范围和能源管理方面做出了很多努力,这方面的情况在显著改善。

可定制化也是部署WSN时需考虑的问题。例如为环境监测而开发的某解决方案中,至少有四个传感器可连接到一个eKo节点(系统中的某管理节点)上。一旦针对客户具体的监测要求进行了定制,eKo节点就能组成无线传感器网络。带标准天线的基站可充当收集点,接收部署的eKo节点发过来的数据,然后,现场数据传送到即插即用的eKo网关。这种独立式、嵌入式的Web服务器设备基于Linux操作系统,网关预先装有eKoView,这种安全的Web界面可用于查看实时数据、运行报告及设置警报。

IPv6无线传感网 第3篇

随着物联网技术的推进, 使得全面感知、可靠传递、智能处理成为总趋势。在物联网发展的过程中, 传感、传输、应用各个层面有大量技术出现, 导致产生不同的技术方案、多样的网络标志、各种不同的专用网, 使得相互无法联网, 因此应尽快统一技术标准, 形成一个管理机制。此外, IPv4通信网络不能提供足够多的地址空间来满足互联对象对地址的需求, 网络容量不够大, 不能满足大量智能终端、智能小物体之间的通信需求。智能小物体要求轻量级的通信协议, 网络要求具备自组织能力, 支持节点移动性管理, 而IPv6本身的特点能够满足以上要求, 因此IPv6的应用将使物联网的普及成为可能[1,2]。

近年来, 基于GPRS、Zigbee、WLAN (Wi-Fi) 、蓝牙技术以及超宽带 (Ultra Wide Band, UWB) 等技术在智能电表无线通信模块的设计中应用较多。随着美国及全球智能电网的建设, Zigbee将逐渐被IPv6/6Lo WPAN (IPv6 over Low Power WPAN) 标准所取代。微功率无线通信技术有着低成本、低功耗和对等通信的重要特征和优势。基于此优势, 本文对基于IPv6的无线传感网在智能电网高级测量体系中的应用进行了研究。

1 IPv6无线传感网

1.1 IPv6技术

IPv6技术是为了解决IPv4的弊端问题而提出的下一代IP协议, 也被称为下一代互联网协议, 在地址容量、安全性、网络管理、移动性以及服务质量等方面有了明显的改进, 为智能物件网络提供了非常有用的特性。IPv6把IP地址空间从32位扩展到128位, 可以表达超过3.41038种可能的数字组合, 使得IP地址不再受限。不再用以前的十进制表示法, 而采用冒号十六进制表示法, IPv6地址采用0位地址压缩法来表示。此外, 随着地址位数的增加, IPv6的地址分类与IPv4不同, 采用IPv6分类, 分为单播、组播及任意播地址。IPv6包头结构也相对简单很多, 有6个域和2个地址空间, 删除了IPv4中不常用的域, 加入了可选域和报头扩展。并且报头长度固定, 所以内存容量不必消耗过多, 提高了数据吞吐量。IPv6报头由一个基本报头和扩展报头组成, 扩展头可以灵活扩充, 以便日后扩充新增选项, IPv6安全性也明显增强, IPv6的网络层可实现抗重发攻击、数据拒绝服务攻击、防止数据会话窃取攻击、防止数据被动或主动偷听等功能。IPv6通过邻居发现机制能为主机自动配置接口地址和缺省路由器信息, 使得从互联网到最终用户之间的链接不经过用户干预就能够快速建立起来。

此外, IPv6在服务质量保证、移动IP等方面也有明显的改进。IPv6技术具有如下优势: (1) 地址量大, 每个物品都能有一个IP地址; (2) 端到端的传输, 使效率更高, 数据传输速度更快; (3) 有更严格的管理规范, 配合唯一确定的IP地址协议, 确保网络畅通; (4) 网络安全性更高, 防范黑客或病毒攻击, 更有章可循; (5) 可有线接入, 也可无线接入, 使用更方便。

IPv6的这些特点使之在电力行业中有广阔的应用前景。在配用电网中, 数据通信系统支撑网地位越来越重要, 智能配电网的经济运行、辅助决策、安全控制、设备管理、电能质量、智能预警、大规模储能、电动汽车变电站等, 以及智能用电的售电市场运营、需求侧管理、销售电价执行、供电质量保证、电能计量管理、供电服务等都需要数据信息传递, 大量的信息传递采用IP技术, 越来越多的设备采用IP地址, IPv6提供了足够使用的地址;在电力智能抄表系统中, 给每一个电力设备 (终端、集中器、智能表、采集器) 都分配一个IP地址, 简化了抄表网络软件结构, 也方便维护人员工作, 且减少参数的设置及通信流量, 因为设备可以实现点到点通信[3]。

1.2 IEEE802.15.4标准

IEEE802.15.4低速无线个域网协议 (Low-Rate Wireless Personal Area Network, LR-WPAN) 是为低功耗、低数据速率应用而设计的标准无线通信技术, 最大数据率为2.5105 bit/s, 最大输出功率为1 m W。IEEE802.15.4标准在物理层 (Physical Layer, PHY) 和媒体访问控制层 (Media Access Control, MAC) 规定了许多机制, 其余协议主要参照和采用现有的标准, 设计用于精密、低功耗、低成本嵌入式设备 (如传感器) 。IEEE802.15.4针对的是低复杂度、低功耗、低数据速率的短距离网络, 规范重点是低复杂度和低成本的收发器, 其目标是将普通小型电池的使用寿命延长至几年。2003年, IEEE推出了IEEE802.15.4-2003标准, 这一标准构成了Zig Bee协议, 同时成为Wireless HART、ISA100a和6Lo WPAN等协议的基础。IEEE802.15.4-2006标准也于2006年9月份正式发布。因此, IEEE802.15.4在智能物件领域颇受欢迎[4]。

1.3 6 Lo WPAN协议

2004年11月, 互联网工程任务组 (Internet Engineering Task Force, IETF) 设立了6Lo WPAN协议工作组, 专门针对IPv6协议在IEEE802.15.4上的实现进行研究并已提出数份草案, 这标志着IPv6与无线传感器网络 (Wireless Sensor Network, WSN) 的结合进入了协议的标准化进程。6Lo W-PAN技术采用的是IEEE802.15.4规定的物理层和MAC层, 与Zig Bee技术不同之处在于, 6Lo WPAN技术是在IPv6的网络层和MAC层之间加入一个适配层, 有效支持IPv6。在网络层上使用IETF规定的IPv6, 采用IPv6协议栈, 其协议栈参考模型如图1所示。

目前, 无线网只采用专有协议, 由于IP要求较高的内存和带宽, 降低运行环境要求以适应微控制器及低功率无线连接成为一种需求。而6Lo WPAN本身具有的低功率运行使得将IP引入无线通信成为可能。6Lo WPAN技术能够实现IPv6技术和无线传感器网络间的无缝连接, 特别适用于嵌入式IPv6这一领域, 使大量电子产品不仅可以彼此之间进行组网, 还可以通过IPv6协议接入下一代互联网。因此实现了IPv6协议所倡导的“IP Anywhere”理念。目前, IETF 6Lo WPAN工作组正计划将IEEE802.15.4完善为支持IP通信连接, 使其成为一类真正开放的标准, 最终完全实现与其他IP设备的互操作性。实现这一点后, 能够消除复杂的网关支持 (只需一道本地IEEE802.15.4协议网关) , 解决应用单一及网关安全问题, 简化管理进程[5]。

2 配网通信中相关协议栈模型

在智能电网配网通信相关开放标准的协议栈中, 所有层均进行标准化, 保证相互可操作性, 降低技术风险。智能电网配网通信相关开放标准参考模型如图2所示。

本文中采用的协议栈是智能电网配网通信相关开放标准参考模型的一部分, 支持IEEE802.15.4标准的IPv6。智能电表内置通信模块协议栈如图3所示。

1) 物理层:增强版IEEE802.15.4g安全增强, 链路可靠性增强且适用于工业级。

2) 数据链路层:IEEE802.15.4g为修正的智能电网网络, 优势为能得到智能电网的支持, 1 km传输距离, 传输速率>100 kbit/s, 拥有百万级终端数量, 有更大的传输帧, 能够发现邻近网络。

3) 适配层:IEEE802.15.4链路的最大传输单元只有127字节, 而IPv6要求链路支持最小为1 280字节的最大传输单元, 即使IEEE802.15.4g加大了帧长, 仍然需要带宽优化, 因此提出了适配层规范。适配层是IPv6网络和IEEE802.15.4 MAC层间的一个中间层, 功能是优化IEEE802.15.4帧中IPv6包的传输, 其向上支持IPv6对IEEE802.15.4媒介访问, 向下控制Lo WPAN网络构建、MAC层路由。适配层实现了链路层的分片与重组、头部压缩、组播支持、网络拓扑构建和地址分配。

4) 网络层:低功耗IP路由协议 (IPv6 Routing Protocol for Low-power and Lossy Networks, RPL) 是由互联网工程任务组的低功耗路由算法 (Routing over Lossy and Low-power Networks, ROLL) 工作组提出的, 该协议考虑了无线传感网的节点资源受限、低功耗、可靠性以及资源动态变化等特点, 具有节能、支持链路质量变化的优点。

5) 传输层:IPv6传感网中由于TCP协议比较复杂, 占用资源率高, 因此通常不用来作为传输层协议, 而采用简单的、占用资源率较低的用户数据报协议 (User Datagram Protocol, UDP) 作为传输层协议。

6) 应用层:采用轻量级的应用协议 (Constrained Application Protocol, Co AP) , Co AP协议基于表述性状态转移 (Representational State Transfer, REST) 架构, Co AP考虑到数据报长度的最优化和提供可靠通信。此外Co AP基于轻量级的UDP协议, 并且允许IP多播。

3 高级量测体系的应用

高级量测体系 (Advanced Metering Infrastructure, AMI) 是电网智能化的第一步, 是配电自动化等智能电网功能实现的基础。其主要由智能电表、本地通信网络、家庭网络 (Home Area Network, HAN) 、连接电力公司数据中心的Back-Haul通信网络、量测数据管理系统等组成。主要用来测量、收集、储存、分析用户用电信息。用户和电力公司通过AMI紧密相连。智能电表通过AMI的通信网络与供电公司服务器连接, 及时监控各家电的运行状况并发布用电信息。除此之外, 模型还设置了远程控制模块, 用户通过Internet可以进行远程遥控。

目前, 美国加州完成了第一阶段试验性200万户小区先进表计系统 (AMI) 的安装。初步分析显示, 节省电力可达16%~30%, 效益十分可观。AMI具有如下功能:测量并记录所有与电能消耗有关的数据和事件信息、向供电公司传送所有记录信息至供电公司、及时报告事件信息、破坏检查、远程停/复电、故障/停电检测、供电质量监视、需量控制以及与其他设备通信 (室内控制面板、负荷装置、家庭计算机以及其他公用事业表计) 。

本地信道的选择是用电信息采集系统稳定运行的关键。传统的电能表都装在楼层配电箱, 本文中提出的思路是把整个楼层电表与配网网关统一部署在车库, 电表与配网网关之间通过微功率无线的方式 (IPv6) 传输信号。采用微功率无线通信, 通信信道有其巨大的优势: (1) 具有无需布线、安装成本低、通信可靠性高、网络稳定、可跨台区抄表等优点; (2) 采用无线自组网通信技术, 工程安装简单、组网灵活、容易维护且能够寻找射频内的所有无线节点, 不受电力线拓扑网络的影响; (3) 无线网络的速率较高, 实时性好, 便于实现实时性要求高的增值服务, 如远程预付费等。电表的统一部署避免信号的“穿墙”问题, 实现了电表与网关之间的全IP, 实现了端到端的全透明连接[6,7]。

在集抄领域中, 无线信道的应用比较少, 因为低功率的无线通信受障碍物阻挡的影响比较大, 无法实现数据的可靠传输。

针对这些问题, 在本文居民楼的应用中, 把智能电表统一部署在地下一层的车库中 (见图4) , 智能电表中增加的无线通信模块在物理层与MAC层采用IEEE802.15.4g标准, 此标准用于智能电表等电池驱动型基础设施设备, 降低了通信时的功耗。抄表器使用动态IPv6路由协议RPL (RFC6550) , 抄表器不间断监控IEEE802.15.4无线信号强度检测器 (Received Signal Strength Indicator, RSSI) 以双向寻找“最佳路径”, 实施动态IPv6路由协议RPL (RFC6550) 。且使用对电力行业开放的470~510 MHZ通信频段, 发射功率小于50 m W的无线射频通信, 减少了相邻频段无线通信设备间的干扰问题, 保证了信号的可靠传输。

IPv6支持无状态自动配置的功能, 并且将6Lo WPAN技术作为IPv6与无线传感网的融合, 成为目前研究的热点, IPv6提供大量的IP地址, 使得6Lo WPAN设备能够使用IPv6地址互联互通, 并且可以接入互联网。IPv6无线传感网在智能电网高级测量体系的应用将成为未来的发展趋势。

本文中的配网网关上连骨干网终端接入, 是专门针对配网环境设计的多业务网关, 满足IEEE1613和IEC61850-3标准, 提供基于IP等标准协议的Smart Grid环境下, 最后1 km通信传输解决方案。网关的软件功能如下。

1) 三层IP路由:支持IPv4和IPv6单播和多播转发, OSPF v2和v3, 低功耗有损网络的IPv6路由协议RPL和静态路由。

2) 可靠性:状态流程, 路由协议能够重新启动。

3) 可管理性:状态能够回滚, 内嵌嵌入式事件管理器, 支持简单网络管理协议, 实现电表管理和拓扑展现。

4) 多接口:Wi-Fi、Wi MAX、以太网、2G/3G以及WPAN。

5) 安全性:支持IP隧道技术加密, 通过IEEE802.1X认证。

6) 智能电网特性:支持ANSI C12.22-2008数据通信网络接口协议规范和6Lo WPAN (RFC6282) 。

此外, 安全管理系统能够将GIS视图/安全/监控/报警/一体化展现。

4 结语

目前, 世界发达国家基于发展新能源、节能减排、改善供电服务质量、提高电网运行效率的需要等相继开展了智能用电的相关研究。我国智能用电服务逐步加大了对普通电力用户的关注度, 而非之前的单一以工业用户复合智能管理为主。基于此发展趋势, 加拿大综合电力共用企业拥有4个水力发电厂, 加拿大投资者拥有的最大配发电企业在AMI系统中部署了110 000个表计, 香港中华电力部署了5 000个表计作为试点。本文在居民楼中搭建的基于IPv6无线传感网的AMI系统, 采用微功率的无线通信技术, 使用对电力行业开放的470~510 MHz通信频段, 相比基于Zigbee的无线传感网, 在协议的兼容性、可扩展性、通信频段、无线发射功率以及下一代IP地址的核心问题上有了进一步改善。这些应用有效地监测了电力系统运行状态, 大大提高了电力系统的运行效率, 有效补充了无线传感器网络在电能生产、传输、分配、消费环节的广泛应用。

参考文献

[1]章欣.智能用电与现代量测技术[M].北京:中国电力出版社, 2011.

[2]瓦舒尔, 丹克尔.基于IP的物联网架构、技术与应用[M].北京:人民邮电出版社, 2011.

[3]谢开, 刘永奇, 朱治中, 等.面向未来的智能电网[J].中国电力, 2008, 41 (6) :19–22.XIE Kai, LIU Yong-qi, ZHU Zhi-zhong, et al.The vision of future smart grid[J].Electric Power, 2008, 41 (6) :19–22.

[4]IEEE 802.15.4—2006.Part 15.4:wireless medium access control (MAC) and physical layer (PHY) specifications for low-rate wireless personal area networks (WPANs) [S].2006.

[5]于亮亮.智能用电小区无线自组织网络方案设计[D].北京:华北电力大学, 2011.

[6]徐辉, 陈四根, 李全胜.低压载波集抄系统平台设计[J].黑龙江电力, 2009, 31 (1) :51–53.XU Hui, CHEN Si-gen, LI Quan-sheng.Design of centralizedmeter-reading system platform with lower voltage carrier wave[J].Heilongjiang Electric Power, 2009, 31 (1) :51–53.

IPv6无线传感网 第4篇

⑴设计要求。第一, 在单片机系统之上运行协议栈, 要求兼容性要强。在以太网的基础之上, 通过IEEE802.15.4MAC功能的借助, 进而实现对数据包的传送。第二, 其基本功能必须全面实现, 比如协议、ICMPv6等。第三, 确保相关协议能够正确运行, 比如TCP、ICMPv6等, 可以充分利用校验、字段计算、处理等方式。第四, 实现简单的应用层协议。通过远程终端的使用, 可以进行登录、管理以及控制等功能。

⑵分层与模块化设计。协议栈功能由以下四个方面组成:第一, 事件触发接口层。其功能主要是对网络数据格式进行定义, 并且实现对网络的应用。第二, TCP/IP网络协议层。主要对数据传输到目的地的方式进行定义。通过TCP将两台主机连接, 确保传输的可靠性。而IP协议则可以选择路由, 以及进行寻址。第三, NIC网络接口核心层。它的主要功能将发送接口提供给上层, 并且对物理介质进行屏蔽, 将下层协议进行发送。第四, 网络设备驱动接口层。其功能是接发来自物理介质的数据, 同时可以设置最大数据包。

在整个设计当中四大模块的功能有以下几个方面:第一, 网络接口核心模块。将统一的网络发送接口提供给网络协议, 并且对物理介质进行屏蔽, 以及配送来自下层的包向合适的协议。第二, 事件接口模块。当特定的TCP/IP事件发生时, 应用程序被调用, 而且该接口可以输出应用程序的数据。第三, SNMP网管模块。主要功能是各个节点与MIB有关的信息。第四, 配置显示调试命令模块。主要提供用户配置, 以及对界面进行调试。在正常运行程序之前, 通过超级终端进行配置, 并且进行管理。

2协议栈的实现

IPv6协议栈的实现主要分为六大模块。

⑴系统功能模块设计。TCP/IP是分层描述的, 其在协议层当中具有独立性。如图1所示, 是系统功能模块示意图。

⑵剪裁协议栈。可以进行以下三个方面的剪裁:第一, IP模块。不支持IP的扩展报头, 由于使用嵌入式系统, 对于扩展报头的使用较少。这就要求在进行设定之时, 必须比以太网最大传输单元小, 应该小于一千五百字节。第二, ICMPv6模块。能够对信息报文当中的请求进行支持, 同时进行应答, 对于存在错误的报文无法到达目的地, 并且支持超时报文。第三, 邻居发现模块。主要对地址解析、重复性探测进行支持, 省略了路由器功能。

⑶实现IPv6模块。其主要的处理流程如图2所示。

其主要能够实现两个功能:首先, 实现IPv6数据包的收取工作, 并且将其进行必要的处理之后, 再将数据包传送至其他模块进行处理。其次, 接收来自上层的数据, 对报文进行选路, 进行封装之后再发送。

⑷实现ICMPv6模块。第一, 应答报文。回答来自ICMPv6的报文请求, 因为格式与报文类似, 所以只需要在报文基础之上进行合理修改。将报文当中的类型值进行改变, 并且需要进行再次计算和校验, 将报头的目的地址和来源进行交换, 然后发送。第二, 如果处理当中发现报头不是TCP、UDP和ICMPv6, 则可以进行不可达报文的发送。

⑸实现邻居发现功能模块。其是整个协议栈当中的核心部分, 通过邻居发现功能, 可以找到该链路之上的其他主机和路由器。由于该协议无法支持路由功能, 因此对于路由通告报文不需要进行发送, 但必须能够接收。

⑹实现TCP、UDP模块。在这一点之上和Pv4对于报文的处理相同, 然而由于结构存在差异性, 所以在该模块当中的IP地址方面要进一步扩展。包括对数据结构、操作进行扩展, 以满足使用需求。

综上所述, 针对无线传感器网络IPv6协议栈的设计和实现, 需要立足两者之间的特性, 达到设计要求, 实现各个模块之间的功能。这就要求在之后的工作当中还需要进一步完善和改进, 扩大其优势。

摘要：IPv6作为下一个版本的互联网协议, 其具有不可比拟的优势。以下主要通过无线传感器网络IPv6协议栈的设计和实现, 对人们的生产生活有着重大的现实意义。

关键词：无线传感器,IPv6协议栈,设计,实现

参考文献

[1]李凤国.基于6LoWPAN的无线传感器网络研究与实现[D].南京邮电大学, 2013.

[2]吴伟.基于IPv6的无线传感器网络协议栈的实现[D].南京邮电大学, 2013.

[3]韩庆普.融合IPv6的无线传感器网络接入技术研究[D].大连理工大学, 2013.

IPv6无线传感网 第5篇

关键词：无线传感器网络,IPv6,报文压缩

1 引 言

无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)[1]是由众多部署在特定区域内的具有无线通信能力与计算能力的微型节点组成,通过无线通信方式自组织形成的一个智能网络系统,其目的是获取网络覆盖区域中感知对象的信息,并用多跳传送的方式传递给观察者。WSN在生态环境监测与保护、医疗护理、军事应用和智能家居等领域拥有广阔的应用前景,是21世纪产生巨大影响力的技术之一。在实际应用中,将WSN与Internet相连能够让观察者对WSN进行远程监控,而作为下一代的Internet网络协议,IPv6[2]巨大的地址空间、邻居发现、地址自动配置等特性可以满足WSN的应用需求,因此将WSN与IPv6结合符合WSN的发展方向,具有重要意义。

IEEE802.15.4[3]是针对低速无线个域网(LR-WPAN)制定的协议,包含了物理层和MAC层规范,具有数据传输速率低、功耗低、成本低等特点,符合WSN的应用需求,被广泛应用于WSN领域。IEEE802.15.4协议中的节点被分为两类,全功能设备(full-function device, FFD)和简化功能设备(reduced-function device, RFD),FFD功能强大,能够跟FFD和RFD通信,RFD只能跟FFD通信。WSN网络层中的节点分为网关节点、路由节点和终端节点三类,网关节点和路由节点属于FFD,具有路由功能;终端节点属于RFD,没有路由功能。网关节点负责整个网络的管理以及与外网的通信,路由节点负责终端节点的管理和报文转发,终端节点负责数据的采集。典型的mesh[4]拓扑的WSN如图 1所示。

IEEE802.15.4协议中,物理层的最大载荷长度为127字节,其中MAC帧头部的最大长度是23字节,帧尾校验序列长度为2字节,如果考虑链路层的安全协议,还要去掉21字节(AES-CCM-128)的安全头部开销,剩下的MAC层载荷长度为81字节。此外,IPv6头部长度为40字节,所以只能留给上层协议(例如UDP)41字节,而UDP协议的头部长度为8字节,因此只有33字节留给应用层数据,所以需要对IPv6头部进行压缩或者分段。为此本文提出了一种基于IEEE802.15.4的IPv6头部压缩方法,以降低传输IPv6报文的能量损耗。

2 IPv6头部压缩

2.1 IPv6头部格式

IPv6头部长度为40字节,其中32个字节为源地址和目的地址,其余8个字节为其它信息,其结构如图 2所示,格式图中上方为域长度,单位为比特,下方为域名称。

其中,Version为版本域,对于IPv6值为6。TC(Traffic Class)域为业务流类别域,指明为该报文提供了某种区分服务。FL(Flow Label)域为流标签域,用于标识属于同一业务流的报文。PL(Payload Length)域为载荷长度域,表示IPv6头部之后的报文长度,单位为字节。NH(Next Header)域为下一个头部域,表示IPv6头部之后所跟的头部的协议类型。HL(Hop Limit)域为跳限制域,节点对报文进行一次转发之后,这个域的值就会被减1,如果跳限制域的值为0,这个报文会被丢弃。SA(Source Address)域为源地址域,表示IPv6报文源节点的地址。DA(Destination Address)域为目的地址域,表示IPv6报文的目的节点的地址。这个地址可以是单播地址、组播地址或者任播地址。

2.2 控制头部格式

IPv6头部的版本号是常数,载荷长度可以通过MAC帧的长度域计算出来,因此可以完全省略,其它域的压缩可以在压缩IPv6头部前加入一个压缩IPv6控制头[5]决定,压缩IPv6 头中各个域的顺序与正常IPv6头中各个域的顺序相同。本文定义的控制头部的格式如图 3所示。

控制头各个域含义如下:

Type:类型域,代表当前头部的类型,节点根据类型域的值对报文的剩余部分进行相应处理。值为0表示正常IPv6报文头部,节点处理时忽略当前字节其它内容,下一个字节开始为正常的IPv6报文头部;值为1表示为控制头部,其后为压缩IPv6报文;其它值为保留值留作它用。TC(Traffic Class):由于在大多数的WSN应用场景中,并不需要流量控制机制,所以28比特的TC域加上FL域被压缩到1比特,值为0表示默认优先级,值为1表示高优先级。当设置在高优先级时,报文的时间敏感度更高。。

NH(Next Header):8比特的NH域被压缩到4比特,保留下来的下一头部的值做了修改。值为0表示没有下一个头部;值为1表示选路头部(routing header);值为2表示正常UDP头部;值为3表示压缩UDP头部,值为4表示ICMPv6头部;其它值为保留值留作它用。

HLM(Hop Limit Mode):跳限制模式域,表示IPv6报文头部中的HL域的压缩模式。在多跳路由中, HL可以取任意值,所以一般不能对HL域进行压缩。不过,在某些场景中仍然可以对HL域进行压缩,例如:HL初始值为1,一跳过后就不再对报文进行转发;HL初始值为255,报文用于确认通信是否在一跳内发生等。值为0时表示IPv6头中保留8比特的HL域;值为1时HL=1;值为2时HL=255;其它值为保留值留作它用。

LL(LINK LOCAL):链路本地域,用于表示源地址和目标地址的64比特前缀是否是链路本地前缀(link-local prefix)。值为0时表示WSN内部节点与外部主机进行通信,源地址和目的地址的64比特前缀为全局子网前缀;值为1时表示WSN内部节点之间进行通信,源地址和目的地址的64比特前缀为链路本地前缀。

SAM(Source Address Mode):源地址模式域。值为0表示SA域不压缩;值为1时SA域长度为64比特;值为2时SA域长度为16比特;值为3时SA域长度为0。

M(Multicast):多播域,值为0表示目的地址为单播地址,值为1表示目的地址为多播地址。

DAM(Destination Address Mode):目的地址模式域,取值定义如图 4所示。

EA(External Address):外部地址域,为可选项,只有当LL=0时才可能需要,为128比特的外部地址对应的值。当SAM=3时EA为源地址,当DAM=3时EA为目的地址。

2.3 IPv6地址的压缩

2.3.1 无线传感器网络内部节点地址的压缩

IPv6地址通常由64比特的网络前缀和64比特的网络接口标识符(interface identifier)组成,在WSN中,节点具有相同的子网前缀,网络接口标识符则是通过IEEE802.15.4地址生成。IEEE802.15.4地址可能是长度为64比特的IEEE EUI-64地址,也可能是长度为16比特的短地址。使用IEEE EUI-64地址生成网络接口标识符时,只要将地址中的全局/本地位(第一个字节的第七位)反转即可[6]。使用16比特短地址生成网络接口标识符时,需要将短地址放在最后两个字节,第4、5字节为0xFFFE,其余字节置0,生成的网络接口标识符为0000:00FF:FE00:XXXX,其中XXXX为短地址。

将地址压缩到64比特时,保留的64比特为网络接口标识符;将地址压缩到16比特时,保留的16比特为IEEE 802.15.4短地址。解压时,如果LL域值为1,则地址的64位前缀为链路本地前缀FE80::/64,如果LL域值为0,则地址的64位前缀为WSN的子网前缀。

当LL=1,源地址和目的地址中有且只有一个被压缩到0比特时,被压缩到0比特的地址为网关地址。如果源地址和目的地址都被压缩到0比特,表示源节点和目的节点之间是邻居关系,IPv6头部的源地址和目的地址能够通过MAC层帧头部的源地址和目的地址获得。

2.3.2 无线传感器网络外部节点地址的压缩

当LL=0时,表示IP报文是由WSN内部的节点与WSN外部的主机通信,外部主机地址的前缀与WSN子网前缀不同,所以不能采用上述压缩方式。因为WSN内部节点与外部节点进行通信时必定会通过网关,所以可以由网关节点维护一个外部主机地址的列表,将外部主机地址映射到一个字节,压缩报文时,将该地址对应的模式值设置为3,将EA域的值设置为该字节的值,如果是DAM=3,那么WSN内部节点在转发报文时,将网关节点作为目的节点。

如果直接对所有与WSN内部节点通信的外部主机地址做映射,那么很快1字节的空间就会被耗尽,为了避免发生这种情况,将外部地址分为三种情况区别对待:

(1) 外部地址对应的主机与WSN内部多个节点进行交互,而且持续时间长,例如WSN的远程监控主机,这种情况可以由管理员直接在网关节点上配置,将该地址映射到一个固定的字节,这种映射关系只要管理员不手动删除就一直存在;

(2) 外部地址对应的主机只是对WSN内部节点发起临时性的会话,持续时间短,例如使用ping命令查询WSN内部某个节点是否存在,这种情况不需要对外部地址进行压缩。IPv6报文的下一头部域为ICMPv6时多为这种情况;

(3) 外部地址对应的主机与某个或某几个WSN内部节点有较长时间的交互,例如在外部主机和WSN内部节点之间传输数据,这种情况下网关节点可以自动将外部地址映射到某一个字节上,但是该字节是临时性的,具有有效期。网关节点在使用EA字节前,需要先将EA字节、EA字节对应的外部地址、EA字节的有效期一起发送给需要跟外部主机交互的WSN内部节点。WSN节点在EA字节的有效期过了以后不再使用EA字节,而是改用EA字节对应的外部地址。网关节点在EA字节有效期过了以后如果仍然会使用该外部地址,则需要再次执行外部地址映射步骤。IPv6报文的下一头部域为UDP时多为这种情况。

2.3.3 多播地址的压缩

为了节省能量,在WSN中尽量避免使用多播,不过由于多播报文要多次转发,所以对多播地址压缩还是有重要的意义。IPv6多播地址格式如图 5所示。

当多播地址为熟知(well-know)的链路本地多播地址时,可以取其最后8比特作为压缩后的多播地址,解压得到的地址为ff02::xx,xx为压缩后的多播地址。

2.4 性能分析

通过在压缩IPv6头部之前加入控制头部,可以根据不同的应用情景选择不同的压缩方案。当源节点与目的节点为邻居节点且跳限制域的值为特殊值时,可以将40字节的IPv6头部就压缩到2个字节,即2个字节的控制头部。当内部节点与网关节点通信时,可以将IPv6头部压缩到5个字节,包括2个字节的控制头部,2个字节的节点地址,一个字节的跳限制域。 当内部与外部节点通信时,可以将IPv6头部压缩到6个字节,包括3个字节的控制头部,2个字节的节点地址,一个字节的跳限制域。总之,在WSN中传输的大部分报文的IPv6头部都满足压缩的条件,且可以达到比较高的压缩比例。

3 IPv6扩展头部及UDP头部的压缩

3.1 IPv6扩展头部介绍

IPv6通过使用扩展头部(Extension headers)的方式来处理IPv6报文中的可选项,只有在选项被需要时对应的扩展头部才会被插入IPv6报文中。在RFC2460[2]中定义的6个扩展头部如下:

逐跳选项头(Hop-by-Hop Options header):此扩展头包含所经路径上的每个节点都必须检查的数据。在WSN中,节点采集和传输的数据基本不需要中间节点做特殊处理,因此暂时不使用逐跳选项头。

选路头(Routing header):此扩展头指明IPv6报文在到达目的节点的过程中经过的节点,包含沿途经过的各节点的地址列表,在WSN中选路头可以用于源路由。

分段头(Fragment header):此扩展头用于源节点对长度超出源端和目的端路径上MTU的报文进行分段。在WSN网络层使用分段机制面临着分段的路由问题,分段的丢失和恢复问题,会大大加重网络的负担;而且使用了头部压缩机制也会增加分段处理的复杂度。因此在WSN中必须避免网络层的分段,暂不使用分段头。

目的地选项头(Destination Options header):此扩展头包含由最终的目的地节点处理的选项。在WSN中目前并不需要这种机制,因此暂不使用目的选项头。

身份验证头(Authentication header)和封装安全性净荷头(Encrypted Security Payload header ,ESP header):身份验证头为IPv6报文提供完整性服务及身份认证。ESP头部用于允许IPv6节点发送和接收载荷经过加密的数据报文。在大多数情况下,WSN处理的数据并不是安全敏感的,没必要实现非常复杂的安全机制造成能量浪费,最基本的安全保障可以由链路层提供,因此暂不使用安全相关的扩展头部。

3.2 选路头部的压缩

在WSN中,可能存在部分路由节点的能力比其它路由节点能力更强,当这部分路由节点为源节点时,可以由它们保存通向目的节点的路径上的所有路由节点的地址,而不是只保存路径上的下一跳地址,从而节省路径上其它能力比较弱的节点的内存和能量。在这种情况下,需要采用源路由的方式进行路由,在报文中包含通向目的节点的路径上所有路由节点的地址。

IPv6中采用选路头部支持源路由的功能,在RFC2460[2]中只定义了Routing Type域等于0的选路头部,其格式见图 6。

其中,NH(Next Header)域为下一头部域,代表选路头部之后的头部的类型。HEL(Header Extension Length)域为扩展头部长度域,代表选路头部的长度,单位为8个字节,不包括前8个字节。RT(Routing Type)域为路由类型域,代表选路头部的类型,在这里值为0。SL(Segment Left)域为剩余段数域,代表剩余的路由段数,即通向最终目的节点前还需要访问的节点数。Reserved为保留域,初始值为0,接收时忽略。Addresses[1n]域代表要访问的地址列表,每个地址长度为128比特,地址数目为n。

当路由节点使用选路头部进行源路由时,源节点将要访问的地址列表保存在选路头中,剩余段数值设置为地址列表中的地址数目,IPv6头部的目的地址为路径上下一个路由节点的地址。报文在到达目的路由节点后,目的路由节点检查剩余段数是否与地址列表一致,如果一致且剩余段数的值为0,则表示该路由节点为该报文的最终目的地,节点继续处理报文的其他部分;如果一致但是剩余段数的值大于0,表示该节点不是报文的最终目的地,它将自己的地址从IPv6头部的目的地址域中取出,并与地址列表中对应的下一跳地址做交换,同时节点将剩余段数的值减1,然后将报文发往下一个路由节点。列表中的其它路由节点重复此过程直到报文到达最终目的地。

为了节省能量,需要对选路头部进行压缩,压缩后的选路头部见图 7。

其中,NH域从8比特压缩到4比特,意义与控制头部中的NH域值的意义相同。HEL域长度从8比特减少到5比特,单位改为2个字节,代表选路头部的长度,不包含前面两个字节,如果加上地址后选路头的长度不是2个字节的倍数,需要对选路头进行填充,可以得出压缩后的选路头部的最大长度为2*31+2=64字节。SL域从8比特压缩到4比特。AL(Address Length)域为地址长度域,选路头部地址列表中每个地址的长度大小为AL+1个字节。选路头部主要是用于WSN内部路由,因此可以将地址压缩,由于AL域长度为3比特,所以压缩地址的最大长度为8个字节。Addresses[1n]为要访问的地址列表,n为地址数目,每个地址的长度从16个字节压缩到AL+1个字节。

使用压缩选路头部可以大大减少报文长度,如果地址列表中有10个地址,采用正常选路头,Routing Type域取0,则总长度为168字节,采用压缩选路头,每个地址压缩到2字节,则总长度为22字节,压缩比率为13.1%。如果地址能够压缩到更短,还可以进一步提高压缩效率。

3.3 UDP头部的压缩

用户数据报协议(User Datagram Protocol,UDP)是一种无连接的传输层协议,提供面向事务的简单不可靠信息传送服务,其报文格式见图 8。

其中,Source Port域为源端口号;Destination Port域为目的端口号;Length域表示UDP报文的长度,单位为字节,包括UDP头部的长度;Checksum域为16比特的校验和。

WSN的传输层比较适合使用UDP协议,虽然TCP协议支持可靠数据传输,但是握手协议会造成更多的报文收发,消耗更多能量,因此不推荐使用。为了降低节点能量消耗,需要对UDP头部进行压缩,压缩后的UDP头部格式见图 9。

Length域可以用下层的长度值(例如IEEE 802.15.4头部的长度域值)减去IPv6头部长度和其他扩展头部的长度获得,因此可以完全忽略。对于Source Port域和Destination Port域,可以由管理员在节点布置前为整个WSN配置一个长度为12比特的端口号前缀,WSN中传送的UDP报文都使用该前缀,压缩时,将端口号设置为端口的后4比特,这样Source Port域和Destination Port域的长度加起来只有1个字节。Checksum域需要在目的节点参与报文的校验,所以一般不能压缩。通过压缩,可以将长度为8个字节的UDP头部缩小到3个字节。

4 实验结果

影响WSN性能的两个主要参数是节点的内存和能量,传感器节点的绝大部分能量都消耗在报文收发上,通过压缩IPv6协议栈的报文可以同时减少内存和能量的消耗。由于节点的处理器主频比较低,所以压缩和解压的过程不能过于复杂,而且WSN的动态性很强,随时有节点加入和离开,所以

压缩方案的实现最好不要依赖于太多与网络状态有关的参数。本文提出的压缩方案实现简单而且性能稳定,除了第3类外部地址,节点的压缩和解压方案不受网络的状态和其他节点状态的影响,不会因为某个节点的离开或失败而影响其它节点,造成无法解压;而第3类外部地址的解压也只与网关节点相关,由于网关节点通常是最稳定的,所以也不容易解压失败。

实验在crossbow公司的micaz节点上进行,节点处理器为Atmega128,射频芯片为CC2420,除网关节点外均使用两节1.5V的5号电池供电,节点在组网后形成的网络拓扑如图 10所示。

终端节点将采集到的传感器数据每隔10秒通过UDP报文发送给远程监控设备,应用层数据长度为20个字节。实验表明,在使用正常IPv6报文的情况下,网络的工作时间为93个小时,使用压缩IPv6报文的情况下,网络的工作时间为197个小时,可见本文给出的报文压缩方案能够大大延长节点的工作时间。

5 结 论

本文提出了一种无线传感器网络中的IPv6头部压缩方案,通过在帧载荷中加入控制头的方式控制IPv6头部的压缩,同时也提出了IPv6扩展头部及UDP头部的压缩方案。实验表明,本文提出的压缩方案能够有效地提高节点的生存期,对于WSN和IPv6技术的相结合具有一定的研究价值。

参考文献

[1] I. Akyildiz, W. Su, Y. Sankarasubramaniam, E. Cayirci. A survey on sensor networks[J].IEEE communications magazine, 2002,40(8):102-114.

[2] S.Deering, R.Hinden. RFC 2460: Internet Protocol, Version 6 (IPv6) specification[S]. December 1998.

[3] IEEE-TG15.4. Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-RateWireless Personal Area Networks (WPANs)[S]. June 2006.

[4] I. Akyildiz, Xudong Wang. A survey on wireless mesh networks[J]. IEEE communications magazine,2005, 43(9): 23-30.

[5] 徐军委,赵保华,屈玉贵.WSN中IPv6路由算法的研究[J].中国科学技术大学学报,2007,37(12):1534-1539.

无线传感网节能组网关键技术分析 第6篇

1 无线传感网的基本概念

无线传感网可视为多跳自组织的网络系统,其监测区域分布着大量的具备通信能力的传感器节点,连接方式为无线连接,通过节点实现与物理世界的交互与感知,将覆盖区域之内的监测对象的全部信息收集起来,经过初步的处理分析之后,发送至观察者。单个无线传感网系统,其传感器节点的数量成百上千,将采集而来的信息通过上一个节点发送至下一个节点,节点与节点之间产生信息汇聚的关系。无线传感网系统当中存在一个特殊的节点,即是“Sink”,其位置相对固定,主要负责信息的传输与上载,网络数据库以及Internet均是其信息上载的主要平台,进而实现资源的远程访问。无线传感网络基本结构和节点组成示意图见图1。

2 影响无线传感器网络能量效率的主要因素

2.1 MAC协议

MAC协议可具有分为2 种,分别是基于预分配机制的MAC协议与基于竞争机制MAC协议,采用哪种机制视具体应用而定。若网络数据传输比较频繁,建议采用基于预分配机制的MAC协议,如CDMA、TDMA等,可有效节约能量效率,原因在于基于竞争机制MAC协议需要发生多次交互关系,容易出现碰撞,导致网络能量消耗大增。假如网络数据传输比较稀疏,则建议采用基于竞争机制MAC协议,因为其出现碰撞的机率非常低,在不通信的情况下,传感器节点处于空闲状态,不会产生任何能量消耗。

2.2 路由协议

传感器节点的特征可概括为存储容量有限、能量有限、无线电发射距离有限。在确定无线传感网的路由算法之时需要兼顾上述3 点特征。在考虑能量效率的同时,也需要维持无线传感网的能量消耗平衡。一般情况下,不允许过于频繁地使用一条路径或者节点,即便其能量效率非常理想。该做法的主要目的在于避免相关路径或者节点的能量被过早地消耗殆尽,影响网络监测数据以及网络分割的完整性,进而出现网络失效的现象。

2.3 传感器硬件设计

无线传感网的传感器节点的工作范围基本上均是比较开放的频段,如433MHz、917MHz等。针对UHF频段而言,能量效率与天线效率可实现良好的匹配,在深亚微米技术的支持下,实现SOC(片上系统)。一般不采用能量消耗大的电路设计方法,如滤波器、CD/DC转换器等,也不采用超外差的接收方法,因为其基本上都是直接解调,不存在中频。感知部件是处于持续工作状态的,其余的部件则处于发射、接收、空闲3 个状态的不间断循环。传感器节点作为整个无线传感网能量效率的基础因子,其设计水平直接影响着后者的能量效率。传感器节点能量消耗情况见图2。

3 无线传感网节能组网关键技术

3.1 无线通信技术

现阶段,无线传感网并无固定的主流通信技术,部分的试验节点采用的均是较为纯粹的射频通信技术,包括CCI000、TRI000 等, 不存在附加性的MAC协议。IEEE802.15.4 技术能够高度契合无线传感网的设计要求,是其理想的主流通信技术选择,其主要优势在在于延时短、功耗低、规模大等方面,如今市面上已经有相对成熟的802.15.4 通信芯片。

除了IEEE802.15.4 技术之外,超宽带技术(UWB)同样是无线传感网节能组网的关键无线通信技术,其信道的敏感性好,基本上不会出现衰落的问题,并且信号功率谱的密度也比较低,系统更加简洁,定位精度可达到厘米的水准。如今,超宽带技术的技术方案主要可分为两种:一是DS-CDMA单频带方案,二是OFDM多频带方案,对于哪种方案更适合无线传感网节能组网目前业内尚无定论,仍有待研究。

3.2 介质访问控制技术

无线传感网数据链路层介质访问控制子层的关键任务是对共享信道的接入实现有效的控制,因为无线传感网的节点规模比较大,并且密集程度高,对节点能量造成了诸多的限制,所以实现无线传感网节能组网必须要注重介质访问控制技术。传统的MAC协议的设计目标仅是完成吞吐率的最大化以及时延的最小化,局限性非常突出。无线传感网组网的主要目标是节约能耗,而直接影响节点功耗的部件则是射频模块。

根据节能组网的需求,无线传感网的MAC协议在常规情况下采用的均是“休眠/ 侦听”交互的信道机制,当节点处于空闲状态之时,可自行切换至休眠状态,降低空闲侦听的频率,继而减少能源消耗。现阶段,无线信道的访问方式可分为3 种,分别是:1立足于竞争机制,确保节点对于信道使用的随机性与独立性,尽量规避其余节点的影响;2采用TDMA方式,将具备独立与固定双重特性的信道分配到各个节点之上;3采用FDMA方式,实现信道分配的强制性,避免出现信道冲突,可延长网络的服务时间,对时延与吞吐率实现深层次的优化。

3.3 数据融合技术

采集返回传感器节点特定区域内的信息是无线传感网的核心功能,部分能量受到限制的节点均被部署在需检测的区域。如此一来,若某个区域的覆盖度比较大,则会出现邻近节点信息相似而冗余的弊端,再加上节点单独传输数据的形式会对通信带宽造成严重的浪费,过多地消耗网络节点的能量,导致无线传感网的生存时间被一再压缩。鉴于此,针对能量受到限制的无线传感网而言,需要采取数据融合技术来处理相似而冗余的信息,降低Sink节点的数据接收量,进而提高数据信息的采集效率。

针对无线传感网的任何一个协议层次,数据融合技术均可实现完美的结合。对于应用层设计而言,建议采用分布式的数据库技术,筛选数据,并将其分门别类,进而降低最终数据量。而在网络层当中,则建议采用路由技术结合数据融合技术的模式,对数据包的数量进行合理的削减,MAC层也是一样,在数据融合技术的支持下,降低数据信息的头部开销量。但鉴于数据融合技术会影响到无线传感网的算法鲁棒性,因此在实际的组网过程当中,必须要明确协议层次的侧重点。

4 结语

无线传感网节能组网的关键技术比较复杂,相关从业人员需要在明确影响无线传感器网络能量效率的主要因素的基础之上,采取合适的组网技术,与无线传感网的实际情况紧密结合,以期全面降低无线传感网的能源消耗,提高信道资源与数据信息的利用效率。

摘要：本文立足于无线传感网的基本概念,以影响无线传感器网络能量效率的主要因素为切入点,包括MAC协议、路由协议、传感器硬件设计方面,并据此简要分析了无线传感网节能组网的关键技术,涵盖无线通信技术、介质访问控制技术、数据融合技术方面的内容,以供参考指正。

无线传感网中数据融合算法研究 第7篇

一、无线传感网简介

1.1无线传感网的特点及性能介绍

无线传感网络在使用的时候, 拥有较大的网络规模, 传感器节点很多, 还能够得到冗余的设备的帮助, 对无线传感网覆盖的地区进行全面系统的检测。传感器的节点在无线网络中扮演着多重角色, 既能发送信息, 还能转发、接受信息。为了防止节点因电量不足无法工作, 就要求节点具有高效的自组织性, 还要实现节点的动态拓扑, 从而能够利用无线传感网络获得完整的信息。

1.2无线传感网的应用范围

(1) 军事方面的应用。兵法上说, “知己知彼, 百战不殆”, 所以在军事中, 如果想快速掌握敌军的武装和兵力情况, 就必须使用无线传感网来对敌军所在地区进行实时监测, 从而根据敌军的情况使用合理的方式来进行军事部署, 提高战略部署的准确性, 因而在与敌军对抗的过程中, 会降低不必要的损失。 (2) 医疗护理方面的应用。目前我国出现了远程医疗, 但是相关的技术还不够成熟, 如果技术人员加强对无线传感网的研究, 将无线传感网引入到远程医疗之中, 那么医生就可以根据无线传感网搜集到的病情来进行疾病的治疗, 发现疾病的时间会提前, 病人会得到及时的救治, 因而无线传感网会给人们带来很大的便利。 (3) 环境科学方面的应用。目前, 经济的快速发展引发了严重的环境问题, 无线传感网能够快速地搜集环境信息, 还能够向人们发出预警, 让人们在灾难来临之前做好准备。 (4) 智能系统方面的应用。随着科技的进步, 人们为了提高时间的利用效率, 在家用电器中应用智能系统, 这些智能系统在使用的过程中, 内部必须有传感器来对家用电器周围的环境进行检测, 并根据人性化的要求为人们提供舒适的环境, 减少人们生活中的不便, 提高人们的满意度, 进而激发工作热情, 提高工作效率, 促进国家经济的快速发展。 (5) 其他方面的应用。除了上述四个方面, 无线传感网还可以应用于工业制造, 可以对工业制造企业的大型机械设备进行监察。另外, 无线传感网还能应用于航空、目标追踪等领域。

二、数据融合算法在无线传感网中的应用

2.1数据融合技术中人工神经网络在无线传感网中的应用

数据融合技术中的人工神经网络在无线传感网中只占取少量的存储空间, 并且能够快速完成数据处理工作, 其最重要的功能就是能够模仿人的思维来对不确定的数据进行处理, 从而让数据使用者采取正确的方法。目前这种方法还不够完善, 研究人员要进行不断的调整与修正, 争取完美地应用人工神经网络。

2.2数据融合技术中RBF神经网络在无线传感网中的应用

要想在无线传感网中应用数据融合技术中的RBF神经网络, 必须要进行网络初始化, 并按照数据使用者的需求设定相关的数据, 设定完成后, 再对RBF神经网络进行检测, 检验其测量出的数据是否存在较大的误差, 如果误差较大, 找到原因并进行改进, 从而提高RBF神经网络信息处理的准确性。

2.3数据融合技术中模糊神经网络在无线传感网中的应用

模糊神经网络与人类的神经网络相比, 无法拥有自主学习和综合考虑的能力, 为了提高模糊神经网络在无线传感网中的应用, 在应用模糊神经网络的时候必须融合神经网络, 从而能够对数据进行正确的处理, 让人们采取正确的行动。

2.4数据融合算法分析

为了在无线传感网中应用数据融合技术, 无线网络必须拥有一个数据存储库, 在数据存储库中存入大量的可预见的事故的相关信息, 只有这样, 神经网络才能够快速地找到解决问题的对策。

三、数据融合算法在应用过程中需改进的几个方面

3.1提高数据融合质量

数据融合质量在很大程度上影响着数据融合算法在无线传感网中的应用, 如果数据融合的质量越高, 那么无线传感网搜集到的信息的准确度越高, 所以为了加快数据融合算法的应用, 必须努力提高数据融合质量。

3.2改进无线传感网的路由协议

在前面我们提到无线传感网中的节点会存在电量不足的情况, 而这一情况就是路由协议要解决的问题。改进的路由协议必须能够节约能源的作用, 从而确保无线传感网的网络覆盖范围。

3.3对无线传感网进行仿真和性能分析

IPv6无线传感网 第8篇

配电监测网络地理位置复杂,节点数量多[1];无线传感器网络具有自动组网及动态变化的拓扑结构特点,能够应用智能配电网的多种业务[2,3]。由于节点能量有限,容易造成节点过早失效,导致监测网络中断通信,采集数据不能传递到监测中心[4]。针对配网信息采集节点能量受限问题,本文将功率控制概念引入配电通信网路由优化算法,提出一种基于功率控制路由算法P_AODV(Power control AODV)来解决配电通信网无线传感器节点能耗优化与网络可靠传输问题。

无线传感器网络的功率控制技术是在保证通信基础上,调整和优化节点的发射功率和接收功率,进而实现能耗最小化[5]。近年来,许多专家对功率控制有深入研究,文献[6]利用节点剩余能量信息确定OLSR协议的覆盖范围,在范围之外利用AODV协议进行数据传输。文献[7]根据节点之间的距离确定设备发射功率,通过建立无线通信模型和网络模型来改进AODV算法。文献[8]提出能量阈值改进算法,通过路径能量感知算法来获取节点的剩余能量,利用最小开销函数进行路由选择。

本文通过对配电通信网拓扑结构进行分析,提出一种弱环状拓扑结构模型;其次在路由应答分组中添加上一跳位置信息、下一跳位置信息、路径节点剩余能量的数组信息、链路总能耗信息和链路权值信息,源节点根据链路性能函数对各条链路进行权值计算,选择权值大的链路作为传输路由;通过节点能耗模型和最佳路径选择机制完成路由建立,当网络中出现失效节点时,下游采集节点借助中继节点来构建弱环状模型完成通信。仿真结果表明,本文算法既能通过较小发射功率完成数据通信,又能达到节能目的;同时最佳路由模型保证了路径稳定性和通信可靠性。

1 配电通信网拓扑结构分析

1.1 配电网拓扑结构分析

配电网管理对象[9,10]包括变电所、配电变压器、配用电线路、隔离开关和电容器等设备,在地理位置和逻辑上具有紧密的关系。

配电网的拓扑分析[11]是根据配电网管理对象之间的连接关系,把配电网络视为线与点的拓扑结构,对其中的电源结点和开关结点进行边线分析。配电网拓扑结构如图1所示。

1.2 配电无线自组织网拓扑结构设计

配电网在正常运行时视为树状结构;在故障处理或网络重构运行时,可能会在短时间内出现数量很少的环网,形成弱环网络[12]。本文受配电网弱环状结构的启发,结合目前配电通信网的现状和无线传感器网络特点,提出一种弱环网的配电通信模型,配电网无线传感自组网拓扑结构图如图2所示。

在配电主线路安装汇聚节点,在配电网的监测区域布置采集节点,将中继节点布置在汇聚节点的周围,便于形成环状通信。在图2中,在网关节点的周围布置汇聚节点形成环状主干网的拓扑结构,负责主干线路上汇聚节点以及采集节点的数据汇聚与转发;在支路上采集节点自组织形成通信网络,将采集数据传递给汇聚节点;当监测网络中处在主干线路的部分汇聚节点出现失效时,借助中继节点构成弱环状模型,将采集信息传回控制中心。

如图2所示,在正常通信状况下,汇聚节点B可通过路径B-C-D传到环状主干网,当节点C失效时,上游汇聚节点通过中继节点构成弱环状拓扑结构,把数据以路径B-A-E-F-G传递到环状主干网,通过主干网将数据传递到网关节点,网关节点经过数据融合上传到控制中心,从而完成对配电网络的信息采集。因此,弱环状配电通信模型提高了网络可靠性,减少因节点失效而造成网络中断的概率,满足电力通信业务的需求。

2 功率控制最佳路径选择模型

针对无线传感器网络节点能量受限的问题,在路由算法的设计中研究如何降低节点能耗,延长网络生存时间则显得尤为重要[13]。为了适应电力系统无线传感器网络具体应用需求,优化网络性能,本文在AODV路由算法的基础上,结合能耗模型和最佳路径选择机制,提出能量有效的路由优化算法,降低了网络能耗,提高了网络性能。

本文通过综合考虑链路传输能耗和节点剩余能量,以链路性能函数来确定最优传输路径,具体过程包括分析如下。

1)计算链路传输能耗

节点在数据传输中的能耗主要在数据接收和发送过程。假设在无线传感器网络的路由建立和分组传输过程中,节点发送或接收k位数据分组,与下一跳节点的距离为d时,则节点在发射数据时消耗的能量和接收消耗的能量[14]如等式(1)所示。

其中参数取值如式(2)所示。

由以上能耗模型可得无线传感器网络中节点n接收和发送k个数据包消耗的能量为

从而可得链路传输总能耗

其中,N为链路的传感器节点个数。

2)计算链路剩余能量标准差

链路的平均剩余能量体现了链路的数据传输能力,但链路平均剩余能量相对较高并不能说明链路性能较优。由于在传输链路中,可能会有个别传感器节点剩余能量较低,而个别节点剩余能量较高,网络中存在的这种节点能量分布不均将会导致在数据传输过程中剩余能量较低的传感器节点迅速失效。为了达到实现网络能量均衡的目标,提高整个网络性能,在最优路径的选择中考虑链路的剩余能量均衡度,采用链路中所有节点的剩余能量标准差remain作为最佳路径的选择标准。

3)最佳路径选择机制

能量最优路由选择算法采用数据传输链路的总能耗、链路平均剩余能量和剩余能量均衡度这三个影响链路性能的因素来确定最终的路由。通过定义网络性能函数F(j)计算不同传输链路的网络性能,作为路由选择的依据,选择一条链路上所有节点的最大性能函数的路径作为最佳路由。

设在链路j上节点平均剩余能量为Eremain,节点转发基本包的数量为k,由式(4)可得链路j的链路性能函数F(j)如式(5)所示。

由式(5)可知,在链路j上节点平均的剩余能量Eremain越大,链路数据传输总能耗Elink(j,k)越小,链路节点剩余能量标准差remain越小,则链路j的网络性能越好,接入最佳路由的可能性就大。

当RREP分组到达源节点后,源节点需要对i条路径的网络性能函数值作为权值进行比较,选择权值最大的链路作为最佳路由,即满足式(6)。

3 功率控制路由算法设计

本文分析配电网架的弱环状通信拓扑结构,提出一种基于功率控制的路由算法P_AODV来解决无线传感器节点在监测网络中降低能耗和可靠传输问题。首先采用无线传感器网络的能量消耗公式,根据两个邻居节点的距离来动态调整发射功率和接收功率,其次本文提出一个链路性能函数,在路由应答分组中,运用此函数计算到达该节点的网络性能值作为每条链路的权值,源节点决定选出一条权值最大的路由进行传输数据;通过节点能耗模型和最佳路径选择机制完成路由建立,当网络中出现失效节点时,下游采集节点借助中继节点来构建弱环状模型完成通信,提高了链路的可靠性。功率控制应用在AODV算法原理图如图3所示。

1)路由建立

当源节点采集到的数据要发送给目标节点时,首先在路由表中查找到达目标节点的路由信息,如果路由存在而且有效,就向下一跳节点发送数据;如果路由不存在或者路由存在但过期,源节点启动路由发现过程[15,16],包括正向路由和反向路由的建立。本文将最佳路由选择机制加入AODV路由算法,对RREP进行改进,添加上一跳位置信息、下一跳位置信息、路径节点的剩余能量数组信息、链路总能耗信息和链路权值信息。

反向路由的建立[17]:源节点首先在网络中向邻居节点广播路由请求分组RREQ,当收到有到达目的节点的路由或者预先设置的TTL值达到最大时,源节点停止广播RREQ。中间节点收到RREQ后,首先判断RREQ中的广播号是否被处理。如果处理过,丢弃RREQ;否则,需要进行处理,中间节点进行查寻路由表内是否存在到达目的节点的路由,如果存在且有效,则创建新的路由应答分组RREP,与源节点建立双向路由;否则转发RREP;目的节点收到RREQ后,首先判断RREQ的目的地址与自己的MAC地址相同,如果相同,创建新的RREP,与源节点建立反向路由;否则转发RREP。

正向路由的建立:目的节点在路由表中创建一个正向路由条目,并向上一跳节点发送RREP;中间节点收到RREP后,根据链路性能函数计算所在路径的权值,并将此权值更新到RREP的权值信息;源节点在设置的时间收到多个路径的RREP,源节点根据每条路径的权值进行比较,选取权值最大的一条路径作为传输数据的路由。

2)路由维护

无线传感器网络的路由协议具有维护路由、修复断裂路由、删除无效路由等功能。传输数据的路由节点通过中断信息来定期广播HELLO分组来维护所在路径的连接;休眠节点则无需进行路由维护工作[18,19]。当反向路径建立后,本文将无线传感器网络的能量消耗模型加入路由维护过程,确定路由上节点的发射功率和接收功率,在确保通信的基础上,以最小的功率来完成通信,从而实现对节点能耗的优化。

3)功率控制

在自组织网络中,节点不考虑能量消耗的因素,AODV的发射功率和接收功率是定值,为了保证通信的完成,发射功率和接收功率较大,但造成能量的浪费,增加数据冲突概率。

但在无线传感器网络中,节约能量消耗是关键技术,当两个节点能够相互通信并需要建立反向路由时,两个节点需要交换地理位置信息,计算出两者之间的通信距离,从而确定发射功率和接收功率。因此加入功率控制机制实现了节点发射功率的动态调整,既能实现节点能量的节省,延长网络的生存时间,又能提高传输的可靠性。

随着节点失效的增多,在后期的数据传输中,通过增大节点的发射功率来保证数据的传输,减少了网络丢失的分组,提高了通信的可靠性。

4 实验仿真

根据配电监测网络的特点,节点都处在静止状态,节点模型包含物理层模块,MAC层模块,路由层模块,应用层模块四层组成,以OPNET 14.5为仿真平台,分别对AODV和P_AODV三种算法进行了仿真。25个节点随机分布在1000 m1000 m的区域内,仿真时间为3 600 s,数据的发送间隔设置为2 s,MAC层采用802.11中的CSMA/CA的机制,物理层选择双向无线通信,采用跳频扩频技术[20,21]。仿真参数设置如表1所示。

仿真网络中设置了7个监测节点和1个汇聚节点,其中汇聚节点不进行能量计算。图4显示表明,在到仿真结束时,AODV网络中出现11个失效节点,而P_AODV网络中出现7个节点失效。这表明P_AODV算法能够减小节点的能量消耗,从而延长网络的生存时间。

图5表明P_AODV算法的吞吐量比AODV提高91%。P_AODV算法采用了最佳路径选择机制,选择了网络负载小的路由,保证了网络链路的稳定性,使网络的吞吐量得到了提高。

图6表明P_AODV算法的丢包率比AODV降低31%。P_AODV算法选择的路径性能高,稳定性高,减少网络中丢包的数量,提高网络的可靠性。

图7表明P_AODV算法的路由开销比AODV降低60%。由于节点的能量得到有效地调整,失效的节点数量减少,网络减少启动路由发现过程的次数,路由请求分组的数量减少,从而整个网络的路由开销降低。

图8表明P_AODV算法的平均时延比AODV大13.8%。由于P_AODV算法在建立路由过程中,为保证路由性能最佳,源节点需要进行的运算量比AODV大。但随着仿真时间的进行,P_AODV算法链路比较稳定,数据的传输延迟逐渐变小,体现了功率控制算法的优越性。

5 总结

针对配网信息采集节点能量受限问题,提出一种基于功率控制路由优化算法P_AODV,算法首先采用无线传感器网络的能量消耗公式,根据两个邻居节点的距离来动态调整发射功率,其次提出一个链路性能函数,源节点计算返回链路的权值,选出权值最大的一条链路进行数据通信,通过节点能耗模型和最佳路径选择机制完成路由建立,当网络中出现失效节点时,下游采集节点借助中继节点来构建弱环状模型完成通信。仿真结果表明P_AODV算法功率控制能够减少节点的能量消耗,延长网络的生命周期,提高网络通信的可靠性。

摘要：为解决无线传感器网络中节点能量过早耗尽问题,针对配电通信网,提出一种基于功率控制的路由优化算法PAODV。算法在配电通信网络拓扑分析基础上,提出一种弱环状结构模型;在路由应答分组中添加上一跳位置信息、下一跳位置信息、路径节点剩余能量的数组信息、链路总能耗信息和链路权值信息,源节点根据链路性能函数对各条链路进行权值计算;通过节点能耗模型和最佳路径选择机制完成路由建立,当网络中出现失效节点时,下游采集节点借助中继节点来构建弱环状模型完成通信。仿真结果表明,该算法能够有效地实现节能,延长网络的生命周期,同时提高网络吞吐量,降低丢包率和路由开销,具有较优的网络性能。