无线传感网络中被动监测关键技术研究

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在无线传感网络实际应用中,网络通常部署于难以掌控或者条件恶劣的环境当中,如危险区域远程控制。在应用现场部署阶段、以及网络长期运行过程中,网络服务质量和系统运行状况在节点故障、节点能量状况、周边物理环境的改变等多种因素影响下,导致网络中局部节点故障和网络工作不正常,从而影响到网络的可靠性和实际应用效果。从开发者的角度来说,网络部署和调试是件消耗人力、资源,非常复杂的事情,而且随着网络规模的增大,在真实场景中部署网络遇到越来越多不可预测的问题。使用网络监测工具实时监测网络运行状况、诊断网络故障和分析网络性能,保证网络应用正常运行。   被动监测是在原有传感网络外部搭建监测节点和监测网络,被动嗅探网络中传输的数据包。被动监测最大的优点是不占用传感网络中的任何资源,对被监测网络造成的影响较小。但被动监测方法受到以下三个方面限制:(1)监测节点功耗低,通信范围有限,单个监测节点只能抓取到自身一定范围内的数据包,只能反映一个区域内网络的状况;(2)由于监测节点资源有限,监测节点不能抓取到通信范围内的所有的数据包,监测节点漏听数据包导致监测记录不完整;(3)监测记录直接提供的信息有限,对于网络性能评估、故障诊断等分析工具还需要推断隐含信息,如判断监听到的数据包是否被目的节点接收。如何提高监测记录的完整性和可利用性是被动监测需要解决的主要问题。本文对无线传感网络中被动监测关键技术进行研究和分析,并提出了相应的解决方案。主要包括以下内容:   (1)提出了监测记录合并算法。在网络的不同地方放置多个监测节点,然后将所有监测节点的数据记录合并起来,可以从全局上对整个网络进行分析。这种方法启发自WLAN中的被动监测系统,目前已经有一些无线传感网络中的被动监测系统考虑到这个问题,提出了一些优秀的解决方案,但普遍存在两个方面的问题:第一,合并的准确性,现有的合并算法并没有很好的解决时钟漂移问题,影响了合并的准确性;第二,合并的效率,现有的合并算法基本上都采用离线的方式,处理的效率并不高,不适用于实时监测。本文提出了实时、高效、精确的记录合并算法,经实验验证,合并算法很大程度上提高了监测记录的完整性。   (2)提出了基于有限自动状态机的数据推理算法。根据协议交换规则构建有限状态机,推理监测节点漏昕的数据包和数据包的接收情况,提高监测数据完整性和数据的可利用性。本文结合TinyOS中的CTP数据采集协议进行了状态机的实现和验证。实验表明在监测节点监听到网络中50%以上数据包时,推理后的监测记录可以增加20%-25%数据包,能推理断出90%以上数据包的接收情况。   (3)设计开发了基于被动监测技术的无线传感网络监测系统,研究实现硬件节点的监测软件和上位机的监测系统,并在系统中实现了监测记录的合并算法和推理算法,从实际应用的系统中验证算法的实际可行性。   目前基于被动方式的监测技术被广泛采用,本文解决了被动监测技术应用在无线传感网络中时遇到的主要问题,设计实现了被动监测系统,具有一定的理论创新和应用价值。
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