无线传感器网络的网络管理 无线传感器网络技术

　　摘要：无线传感器网络是由许多能量和处理能力有限的传感器节点组成。传感器网络主要用来监测环境、建筑和结构和动物习性的监测。网络管理是任何网络，包括传感器网络的重要功能。而由于无线传感器网络的特点，对其管理要比传统网络都要困难，而其中网络管理的最主要方面是网络拓扑结构的管理。开发节能并且能够维护网络连接的拓扑的算法是非常必要的。本文介绍了网络管理的基本知识，以及如何应用在无线传感器网络中。文中主要描述了网络的拓扑结构，并且对现在主要的网络拓扑结构算法进行描述和比较。
　　关键词：无线传感器网络；网络管理；拓扑结构；节能
　　中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)18-31534-02
　　Network Management of Wireless Sensor Networks
　　DU Jing-lin1,SHI Lan2
　　(1.Nanjing University of Information Science and Technology Department of Electronic and information Engineering,Nanjing 21004,China;2. Department of Remote sensing,Nanjing 21004,China)
　　Abstract:Wireless sensor networks are networks consisting of small sensors that are limited in both power and processing. These sensor networks are often used in monitoring applications, such as the environment, structures and animal habitats. Network management is key function in all of networks, including sensor networks. The nature of wireless sensor networks makes networks management a more difficult than that of traditional networks. One main property of network management of sensor networks is topology management. This paper gives a brief background on network management and how it is used into sensor networks. It provides a more detailed look at topology management and some existing topology management algorithms.
　　Key words:Wireless sensor networks;network management;topology management;Energy conserving
　　
　　1 概述
　　
　　无线传感器网路是由许多能量和处理能力有限的传感器节点组成。这种网络能够用在许多不同的应用，包括环境监测、军事应用、结构控制与监测、野生动物习性的监测等。无线传感器网络在这些应用面临着许多挑战，其中最主要的问题是能力消耗问题。传感器网络是典型的无人看护网络，并且紧靠有限电池供电，因此节省能量是部署传感器网络非常关键的问题。
　　所有类型的网络都需要管理和维护。所有的网络管理都需要一些网络的管理形式，不同类型网络可能强调网络网络管理的不同方面。在网络的管理上通常有以下几种的不同的管理结构：集中式的管理、层次式的管理结构，分布式的管理结构。在集中式管理中，一个中心服务器用来执行网络管理应用角色；在层次式管理中，包括多个管理平台，通常有一个服务器和多个客户端组成网络管理应用；为了实现分布式网络管理功能需要分布式管理体系结构，这种结构也适合无线传感器网络的网络管理，在这种结构中，网络结构利用多个对等平台来共同管理任务。这种结构可以提供更好的扩展性、可用性和可靠性。
　　
　　2 网络管理
　　
　　无线传感器网络的网络管理与传统网络的网络管理相似，有着相同的管理任务不同的管理方式。例如，性能管理也包括监测网络保证网络的覆盖与连接。传感器网络中的安全管理非常困难，因为网络的自组织特点，采用无线通信以及资源有限。传感器网络中的管理一个主要目标是自主性，特别是在故障管理和自动配置中十分重要。由于传感器网络是无人看护网络，自主发现错误，自主修复的能力就非常重要；另一个主要问题是，当网络中一个节点实效后，不能影响整个网络的操作，不像传统网络设备出现故障后会影响一些用户甚至整个网络。
　　在传感器网络中的网络管理有一些新的功能，其中包括拓扑管理、能量管理以及编程管理。节省能量是传感器网络中的一个重要方面。节能可以在网络管理的不同层面和不同方式下进行。其中最通用的办法是当节点空闲关闭电源，现在又许多协议和算法建立都是为了节省能力。例如，为传感器网络开发的特别的MAC协议和路由协议，当传输数据时，高效的节省电池的能量。编程和代码管理是传感器网络中的另一个主要功能。传统的程序升级等功能是通过把节点连接到手提电脑或者PDA等设备上来实现，但是在大规模的网络管理中，这种方式很不显示现实，这就需要当某些节点需要更新程序时，通过网络把有限的数据报通过自组织网络传送过去。目前在程序升级领域也是一个非常活跃的研究方向。在无线传感器网络的网络管理中还有一些主要的思想与传统网络不同。节省能量是传感器网络的主要问题，次之就是如何高效利用带宽。一种方法就是通过提取网络一部分节点的管理信息来实现整个网络的管理。节省能力和有效利用带宽的一个主要办法就是数据聚集。在传感器网络中一个网络节点和其邻居节点都采集数据，通过比较和数据聚集的办法，只传送一个数据信息，消除冗余节点的数据，采用一定的数据收集策略，就可以大大减少数据信息的传送量，起到节省能量和带宽的目的。传统网络管理是集中式的应用，而无线传感器网络是分布式的架构。网络管理不应该就是收集所有节点的数据，然后无线的传送到中心管理节点上，在中更应该采用网内处理办法，采用合适的数据聚集算法，来减少数据传输，减少能量消耗和带宽的开销。
　　
　　3 网络拓扑结构管理
　　
　　无线传感器网络的主要问题是节能，而这也正是拓扑管理的主要的目标。拓扑管理的另一个主要目标是拓扑控制，也就是保证网络的连通性。在无线传感器网络中拓扑管理主要有三个方面的想法：拓扑发现、睡眠周期管理和成簇管理方法。根据文献[3]，可知在无线传感器网络中的拓扑管理主要有以下六个特点：1）对称性2）连通性3）生成性4）分散性5）低度性6）低干扰性。
　　3.1拓扑发现
　　拓扑发现包括一个基站和整个网络节点网络的拓扑结构和组织。网络中节点之间的物理连接情况或者节点之间的逻辑关系信息传输到管理节点上，用来维护整个传感器网络的拓扑结构图。基站或者管理站点向整个网络发出拓扑发现请求，网络上的节点通过网络将相关信息传送回来。在拓扑发现中主要两种方法，一种方法是采用直接的办法，节点一旦接受请求信息就立即传送包含特定节点信息的响；另一种方法是采用聚集的办法，这种办法中，节点不是立即响应，而是等待其子孙节点将信息传回来后，通过聚集然后将信息会传给初始化节点。
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　　3.2睡眠周期管理
　　在无线传感器网络有些协议和算法通过让一些冗余节点周期性的休眠来达到网络节能的目的。这些算法主要是在一定周期内来决定选取哪些节点集进入休眠状态，而当休眠期结束，必须通过一定的机制来唤醒，以使其在下一轮进入工作状态。因此维护传感器网络中节点的睡眠周期是这类算法协议的主要职责。
　　这种拓扑管理中的一个算法是STEM算法[4，5]，该算法中，节点在大部分时间里用来感知数据，一旦把数据发送出去，就把节点无线发射装置关闭，因为无线通信是最主要的耗能源，等需要有数据时在开始通性设备。通常在这种算法要在传感器节点上装有两个无线通信设备，其中第二个无线设备为低负载装置，主要用来发送唤醒消息。在STEM算法中最主要的问题是延时，当网络中一个节点要通过一个休眠节点将数据发送出去，必须等待其被唤醒才可以实现，带来网络的延迟，而在一些应用中，实时性是非常关键的。
　　3.3基于簇的管理
　　在现在有许多基于簇管理的算法用来拓扑管理。这些算法可以根据许多方式进行分类，如：基于位置信息和不基于位置信息的；分布式和集中的；基于节点ID和节点度的。我们通过对于基于簇的拓扑管理算法分析总结，按照一定特点归结为表1。
　　3.4拓扑管理面临的挑战
　　传感器网络中的协议和算法的主要设计目标都是节能，这也是拓扑管理算法的目标。通过减少能量的消耗来最大化网络的生命周期。算法的维护开销应该最小化，如果算法中不要求位置信息和时间同步，这将是对能量节省是非常有利的。在实际的应用场景中，移动性是需要的，因此在未来的研究中，能够支持移动性以及由于某些节点实效而要求算法的鲁棒性都是十分必要的。
　　
　　4 总结与展望
　　
　　网络管理是所有类型网络中都非常关键的功能。在传统的有线网络中，网络管理是由服务器控制的典型集中式结构，主要包括了网络故障管理、配置管理、安全管理、性能管理以及账户的管理。
　　无线传感器网络中包括有许多传感器节点，并且受到了电源和能量的制约。网络管理在无线传感器网络是非常关键的，采用分布式的运行方式更为实际。传感器网络中网络管理主要包括了能量管理、编程管理以及拓扑管理。而在拓扑管理中主要可以通过定时让一些节点进入休眠周期来达到节能的目的，通过簇管理算法来实现网络的稳定性与节点。目前已经有了许多相关的算法，未来需要更加鲁棒、更加节能的算法，在该领域还有许多工作亟待解决。
　　表1 无线传感器网络簇结构算法
　　
　　参考文献：
　　[1]B.Deb,S.Bhatnagar,and B.Nath."A topology discovery algorithm for sensor networks with applications to networks management". Technical Report dcs-tr-441. Rutgers University,May 2001.
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　　[3]J.Kim,S.Kim,D.Kim and W.Lee. "Low-energy localized clustering:an adaptive cluster radius configuration scheme for topology control in wireless sensor networks”. IEEE 61st Vehicular Technology Conference,2005.(VTC 2005). 30 May-1 June,2005. Volume:4. page(s):2546-2550.
　　[4]C.Schurgers,V.Tsiatsis,S.Ganeriwal and M.Srivastava, "Optimizing sensor networks in the energy-latency-density design space", IEEE Transactions on Mobile Computing, Vol.1, January-March 2002.
　　[5]C.Schurges, V.Tsiatsis, S. Ganeriwal and M. Srivastava, "Topology management for sensor networks: exploiting latency and density", MOBIHOC" 02, Lausanne, Switzerland, ACM, June 9-11 2002.
　　[6]M.Ye,C.Li,G.Chen,and J. Wu."EECS: and energy efficient clustering scheme in wireless sensor networks", 24th IEEE International Performance, Computing, and Communications Conference, 2005. (IPCCC 2005). 7-9 April 2005. page(s):535-540.
　　[7]S.Lindsey and C. S. Raghavenda. "PEGASIS: power-efficient gathering in sensor information systems". IEEE Aerospace Conference Proceedings,2002.
　　注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。
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