[干货分享] 无线传感网络概要和zigbee开发实战(七)网络拓扑控制


     我们先由一个概念引入网络拓扑控制,我们国家的铁路上跑的火车主要有两种:绿皮火车和高铁动车。相信大家也都坐过火车,绿皮火车容易晚点,而且晚点的时间让大家心里一点谱都没有,而高铁动车准点率高,即使晚点,也能给出特别准确的晚点时间。为什么同样是火车?在晚点时间上却有这么大的差异呢?

emmmm,当然不是火车票谁贵谁便宜的问题了。要知道绿皮火车采用的是区间控制,把铁轨分成很多区间,在相同的区间只能让一辆火车运行,火车轨道上也是有红绿灯的,当一辆火车在一个区间时,在区间的节点处相应会有灯亮起,来提醒下一辆火车前方区间有火车,你要慢点行驶。一般来说区间都会很大,所以火车司机也不好把握时间,这样就造成了行程的不准确性。那火车和控制室是如何知道前方区间有车的呢?这个问题比较专业,但是可以简单的说,钢轨上有微小电流,当火车行驶时,就会造成短路,而有一台相应的仪器就可以分析这个电流,来告诉控制室和司机前方是否有车,钢轨是否损坏。而到了高铁动车时代,火车轨道成了无缝钢轨,轨道上也不放置石子,除了在火车站,很少能听到火车轮压到钢轨时的哐当声。坐高铁动车细心的人会发现,在轨道旁每隔一段区间就会出现一个通信基站,红绿灯几乎也没有了。这是因为高铁动车的运行方式完全已经放弃了区间控制,动车通过铁路旁的基站与中央控制室进行通信,这样所有动车就可以进行相互通信,在行进的过程中,在不断的发送自己的速度位置等信息,这样司机就可以知道前车的位置,后车的位置,这样就不用盲目的等了。提高了运行效率。

简单的说这就是拓扑控制,无线网络拓扑控制是搭建无线网络的关键,投入实际生产生活的物联网产品都是运用了大量的网络拓扑控制协议,来达到高效节能的运行。

1.在由无线传感网络生产的网络拓扑控制中,一般将可以直接通信的两个节点之间视为存在一条拓扑边,如果没有拓扑控制,所有节点都会沿着这些拓扑边以最大无线传输功率工作。在这种情况下,一方面,节点有限的能量将会被通信部件快速消耗,降低了网络的生命周期,同时,网络中每个节点的无线信号将会覆盖大量的其它节点,造成无线信号冲突频繁,影响节点的无线通信质量,降低网络的吞吐率;另一方面,在生产的网络拓扑控制中将存在大量的边,从而导致网络拓扑信息量大,路由计算复杂,浪费宝贵的计算资源。接下来,我放几张图,大家感受一下。

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由此我们可以看出研究无线传感网络拓扑控制,就是研究在拓扑某些全局性质前提下,通过调整节点的发送功率来延长网络生命周期,提高网络吞吐量,降低网络干扰,节约节点资源。

¢WSN中拓扑控制可以分为两个研究方向:功率控制和层次拓扑结构控制。 ¢

功率控制机制调整网络中每个节点的发射功率,保证网络连通,在均衡节点中直接邻居数目(单跳可达邻居数目)的同时,降低节点之间的通信干扰。 层次拓扑控制是利用分簇思想,使网络中的部分节点处于激活状态,成为簇头节点。由这些簇头节点构建一个连通的网络来处理和传输网络中的数据,并定期或不定期地重新选择簇头节点,以均衡网络中节点的能量消耗

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2.介绍一些网络拓扑控制的算法,不细说,因为都是论文研究成果,所以大家需要自己去查找。

 

(1)经典的邻近图算法

         RNG、GG、DG、YG、MST、DRNG、DLMST、DLSS 


(2)基于方向的拓扑控制算法


(3)基于邻居的拓扑控制算法

         LMA、LMN、LINT、LILT



   (4)    层次型拓扑结构控制(传感器节点在无线通信模块在空闲状态与收发状态下的能耗相当,因此只有关闭其节点的无线通信模块才能真正有效的降低非工作能耗.层次分簇就是在这一背景下产生的)



    (5)    LEACH不是一个单纯的路由协议 ,它提供了一个包括分群、路由、MAC和物理层的完整的无线传感网络的协议框架,也可以说是一个分层路由的体系结构。

         LEACH协议是众多分层协议参考的模型,称为经典。



    (6)  TopDisc算法(–来源于图论中提出的思想,是基于最小支配集问题的经典算法。 –利用颜**分节点状态,解决骨干网拓扑结构的形成问题。)