Using WiMax to Achieve WSN Applications Performance in Distributed Phenomena

摘要

Worldwide Interoperability for Microwave Access(WiMax)，即全球微波互联接入。WiMAX也叫802·16无线城域网或802.16。WiMAX是一项新兴的宽带无线接入技术，能提供面向互联网的高速连接，数据传输距离最远可达50km。WiMAX还具有QoS保障、传输速率高、业务丰富多样等优点。WiMAX的技术起点较高，采用了代表未来通信技术发展方向的OFDM/OFDMA、MIMO等先进技术，随着技术标准的发展，WiMAX逐步实现宽带业务的移动化，而3G则实现移动业务的宽带化，两种网络的融合程度会越来越高。
　　WiMax可以覆盖广大的地理区域，一般情况下它能达到15公里的范围，在非视距条件下其通信范围可达50公里，在郊区环境这一特点显得尤为重要。使用WiMax接入技术，运营商能够为广大地域内的用户提供服务，与光纤、光缆或DSL部署相比WiMax的部署成本更低。由于高带宽和高覆盖范围可以使用于不同的潜在应用，利用传感器技术和无线通信的发展，无线传感器网络(WSN)被视为21世纪最重要的技术之一，它将极大地影响人们的生活。由于无线传感器网络和其他网络通信协议的不同，来自同的无线传感器网络的传感器信息不能便捷的共享。无线传感器网络是许多小的无线传感器节点组成的，这些节点通过集体合作共同完成诸如热度，湿度和振动等相关数据的收集和处理工作，并通过分布式的传输数据信息给终端用户从而形成一个系统网络。这样的网络通常不能孤立的工作，而需要连接到外部网络，只有通过这些外部网络，监测与控制信息才能够到达传感器网络。
　　本文提出一种新的用于WiMax和WSN之间的连接系统-WiMax传感器连接(WSC)，实现WiMax在无线方面的应用，利用WiMax在WSN上的先进优势，达到减少开销，延长传感器节点总生存期的目的，能更好地覆盖，加快高能力死亡节点的更换，使之更加灵活，有效地获得更多新特性。用WSC跟其他老技术进行相比，WSC具有所有性质和优点，可以提供足够的和重要的数据传输和接收，能在任何地方获取遥感数据，它具有较高的能力和效率连接WiMax基站与无线传感器网络，这种技术可以让专家监视系统，可以使用自己的手机，以获得有关森林状态的更新，具备管理传感器的范围，压缩传感器的数据和很大减少能源消耗的能力。在灾难恢复网络中，当缺乏基础设施领域的有线网络被破坏时，WSC系统能提供快速和廉价的宽带接入。
　　WSC作为骨干系统工作，WiMAX基站可以轻松快速地部署，与使用旧机制传输数据相比其成本较低。用WSC与其他老技术比较，WSC能减少报告所需的时间并且能很快很容易检测出大火，此应用是使用WSC作为最后一英里连接，它具有较高的广域覆盖能力，把它作为一个回程技术覆盖延伸到森林火灾的监测。
　　WSC的体系结构由两个网络：WiMax网络和无线传感器网络组(WPG)，WPG包含一组无线传感器网络。WSN是由一定数量的传感器构成。无线传感器网络控制单元(WCU)是负责管理整个传感器网络的通信，扮演向外通信的网关。任何目的为WSN外网的数据将被发到WCU以作处理。Sink节点是一个全功能的WSN节点。在WSC中有两种类型的桥接器件。一种是连接WiMax网络和WPG的WiMax网关，另一种是连接WPG和WSN的WSN控制单元。他们是整个系统互连的最重要的部分。
　　本文讨论WSC从部署传感器节点在森林中到在森林数据中心(FDC)获取数据的所有步骤，WSC方案开始于随机部署大量的传感器节点在森林中，随机选择一些节点作为下层节点，使用维诺方块将森林区域划分成多个更小的子区域，以方便处理多个无线传感器构成的组内部和各组之间的通信。基于JXTA技术，选择使用不同方法和技术的负责处理数据，使用Slepian-Wolf和CT技术去压缩数据，通过减少负责向下层节点发送数据的传感器数量以减少更多传感器能量，理由是没有必要为了相同的上报经过整个传感器去发送相同数据，采用一定数量的活动传感器节点使得比其他技术的节点数要少。并且相比普通区域间传播，代价要小很多，是因为在子区域的每个节点直接与下层节点相连。在每个子区域的传感器数量，活动节点数量减少。另外CT假设从传感器取的值是1或者0，使得从传感器节点传送到下层节点的数据量减少。不是发送全部向量值，发生一个值以代表每个向量，从而假如每个向量至少一个元素并且该元素值是1就表示在这个子区域有火，只发送一个值。这样能在这个子区域中节省大量能量消耗。向下层节点发送数据的所有过程处理完后，下层节点发送数据到WiMax网关，当WiMax网关收到任何从WiMax用户过来的命令，它首先在一个表中存储这个命令的项目，当这个标记值被设置为0时，它抽取这个命令的内容，把这个内容封装到请求消息中。处理完后，WG将依据WSN ID发送到对应的传感器网络控制单元，WiMax网关与WiMax基站建立通信并发送数据，通过WiMax的应用程序，这些数据被送到FDC。在某种情况下，我们的一些传感器节点远离基站的覆盖区域，使用旧方式我们就不能或者只能为了这些节点特殊建立一个基站以发送这些传感器数据到WiMax网关再到WiMax基站。
　　使用WSC去尽早侦察和预防森林火灾，将很好地减少影响我们日常生活的危险，之前作为一个关于WSC表现的例子讨论和描述WSC怎样运行的可能场景，讲述了从中所受益和得到的好处。
　　通过该检查和比较后，本文总结了这套系统与以前最好的关注节能的技术相比，比如HTCP，它可以延长传感器网络的整体寿命，WSC有较高和快速的传输、接收数据，低成本的基础设施和快速部署，可以让专家监视系统，他们可以使用自己的手机，以获得有关森林状态的更新，并且具备一种良好的管理传感器的范围能力，很容易改变传感器位置也叫传感器节点变换。对WSC系统的连通性和延迟进行测试，结果表明，该系统连接紧密，实验和仿真结果表明，性能得到了验证，在这样的环境里，WSC是可行也是可接受的。

目录

文摘

英文文摘

DEDICATION

LIST OF FIGURES

LIST OF TABLES

LIST OF ACRONYMS

CHAPTER 1 INTRODUCTION

1.1 Motivation

1.2 Why WiMax?

1.3 Dissertation Outline

CHAPTER 2 TECHNOLOGY OVERVIEW

2.1 WSN Background Overview

2.2 WSN Connecting Systems

2.3 WSN development and benefit

2.4 WiMax Overview

2.4.1 WiMax Structure and Profile

2.4.2 WiMax Types

2.4.3 WiMax Standards and Architecture

2.4.4 WiMax Strengths and Weaknesses

2.4.5 Application of WiMax

2.4.6 Challenges Faced By WiMax Technology

2.5 Summary

CHAPTER 3 SYSTEM DESIGN

3.1 The JXTA Protocols

3.1.1 Pipes

3.2 System Connection Architecture

3.2.1 Sensors Internode Connection

3.2.2 Connection from Sink node to WiMax gateway

3.2.3 Connection from WiMax gateway to end user

3.3 WSC System benefits

3.3.1 Prolonging sensors network life time

3.3.2 large coverage area in deferent and far environment

3.3.3 Low Cost Infrastructure and Quick Deployment

3.3.4 Backhaul for other network in disaster or network problem(network backbone)

3.3.5 High and fast transferring and receiving data

3.3.6 Get access to sensed data anywhere

3.3.7 Easy to change sensors location and sensor node replacements by robot

3.3.8 MAC-PHY layers to manage and control large number of subscriber(WSN)

3.3.9 Bit-error probability(with high performance of AMC and HARQ)

3.3.10 Efficient Spectrum Usage

3.3.11 Using relay station to increase the coverage area

3.3.12 WiMax MAC layer supports different transport technologies

3.3.13 WiMax Base station support connecting with many gateways(mesh network)

3.3.14 Secure Exchange of Data(provide high data security)

3.4 System Implementation Example

3.5 Summary

CHAPTER 4 SIMULATION AND EXPERIMENT RESULT

4.1 Experimental Evaluation

4.1.1 Prolonging sensors network overall lifetime

4.1.2 High and fast transferring and receiving data

4.1.3 Low Cost Infrastructure and Quick Deployment

4.1.4 Gets sensors data wherever you are(get access to sensed data anywhere)

4.1.5 Easy to change sensors location(sensor nodes replacements)

4.2 Summary

CHAPTER 5 CONCLUSION

REFERENCES

ACKNOWLEDGMENT

APPENDIX A