3個方面淺談無線傳感器網(wǎng)絡

　　1.初識傳感器網(wǎng)絡

　　無線網(wǎng)絡可分為兩種。一種是有基礎設施的網(wǎng)絡，需要固定基站，比如手機通信這種無線蜂窩網(wǎng)就需要高大的天線和大功率基站來支持；一種是無基礎設施網(wǎng)包括移動Ad Hoc網(wǎng)絡和無線傳感器網(wǎng)絡（WSN），這種網(wǎng)絡節(jié)點是分布式的沒有固定基站，注意它仍然是有基站的只是沒有專門的固定基站。Ad Hoc網(wǎng)絡指的是無線自組織網(wǎng)絡，移動Ad Hoc網(wǎng)絡的終端是快速移動的。而無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點是靜止的或者移動很慢。無線傳感器網(wǎng)絡的官方定義是WSN是由大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構成的無線網(wǎng)絡。從中可以看出傳感器網(wǎng)絡主要負責的是數(shù)據(jù)采集、處理與傳輸三種功能，分別對應的是傳感器技術、計算機處理技術和無線通信技術。由于傳感器網(wǎng)絡節(jié)點通信方式一般都是采用無線通信方式，故傳感器網(wǎng)絡代表的就是無線傳感器網(wǎng)絡。

　　傳感器網(wǎng)絡中的部分節(jié)點或全部節(jié)點可以慢速移動，拓撲結構會隨著節(jié)點的移動而不斷地動態(tài)變化。節(jié)點之間是以Ad Hoc方式進行通信，每個節(jié)點都可以充當路由器的角色，并且都具備動態(tài)搜索、定位和恢復連接的能力。從用戶的角度來看，無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)結構由傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點（類似于網(wǎng)關）和管理節(jié)點組成。從網(wǎng)絡功能來看每個傳感器節(jié)點都具有信息采集和路由的雙重功能，它不僅進行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理外還要存儲、管理和融合其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)過來的數(shù)據(jù)，同時與其他節(jié)點協(xié)作完成一些功能。下圖是傳感器網(wǎng)絡的一個系統(tǒng)原理圖，大量的傳感器節(jié)點分布在監(jiān)測區(qū)域，通過自組織的方式構成網(wǎng)絡，傳感器節(jié)點對對探測信息進行初步處理后將以多跳中繼的方式傳送給匯聚節(jié)點，然后再通過衛(wèi)星、互聯(lián)網(wǎng)等途徑將信息傳給管理節(jié)點也就是終端用戶。終端用戶也可通過管理節(jié)點對傳感器網(wǎng)絡進行管理和配置，比如發(fā)布監(jiān)測任務等。

　　傳感器節(jié)點由處理器、射頻部分、探測部分組成，處理器完成計算與控制功能，射頻部分完成無線通信傳輸功能，探測部分完成數(shù)據(jù)采集功能。匯聚節(jié)點則不需要探測部分，只要有處理器模塊與射頻模塊即可。但是匯聚節(jié)點通常具有較強的處理器模塊，包括增強的計算處理、存儲處理、通信能力。它既可以是一個具有足夠能量供給和更多內(nèi)存資源與計算能力的增強型傳感器節(jié)點，也可以是一個帶有無線通信接口的網(wǎng)關設備（只負責數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換）。它完成傳感器網(wǎng)絡與外部網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)交換。

　　2.傳感器網(wǎng)絡的結構

　　傳感器網(wǎng)絡的體系結構與TCP/IP相似也是5層協(xié)議，物理層負責載波頻率的產(chǎn)生、信號調(diào)制、解調(diào)；數(shù)據(jù)鏈路層負責數(shù)據(jù)成幀、幀檢測、介質(zhì)訪問、差錯控制，介質(zhì)訪問保證可靠的點對點和點對多點通信差錯控制保證源節(jié)點發(fā)出的信息可以完整無誤地到達目標節(jié)點；網(wǎng)絡層負責路由發(fā)現(xiàn)與維護，通常大多數(shù)節(jié)點無法直接與網(wǎng)關通信，而是需要依靠中間件節(jié)點以多跳路由的方式將數(shù)據(jù)傳送至匯聚節(jié)點；傳輸層負責數(shù)據(jù)流的傳輸控制；應用層則負責具體應用，比如時間同步和定位。由于多個傳感器常常需要相互配合完成某個任務，節(jié)點的休眠與喚醒也需要時鐘同步，因此傳感器節(jié)點間的時鐘必須保持同步。定位是確定傳感器節(jié)點的相對位置或絕對位置。此外應用層還需要提供應用服務接口與網(wǎng)絡管理接口。

　　根據(jù)傳感器節(jié)點數(shù)目的多少可將傳感器網(wǎng)絡結構分為平面結構和分級結構。平面結構指的是所有節(jié)點都是地位平等的，源節(jié)點到目的節(jié)點之間一般存在多條路徑，網(wǎng)絡負荷由這些路徑共同承擔。但是當傳感器節(jié)點數(shù)量增加時可以想象每個節(jié)點都需要不停的自組織網(wǎng)絡與路由建立，而且由于所有的節(jié)點都有路由器的角色這樣會使得太多節(jié)點參與路由，這樣將會占用大量的帶寬，影響網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的傳輸速率。還有一點那就是擴充性不好，新加一個節(jié)點需要讓原有的所有節(jié)點都知道這個節(jié)點添加到網(wǎng)絡里了，因此平面結構適合節(jié)點比較少的傳感器網(wǎng)絡。既然傳感器節(jié)點需要維持一定的開銷，那么如果我們將這個開銷以分層的形式讓一個傳感器節(jié)點只需維持它所在的區(qū)域的網(wǎng)絡拓撲，這樣就可以減少開銷了。分層結構就是這種思想它將傳感器網(wǎng)絡劃分為多個簇，每個簇由一個簇頭和多個簇成員組成，簇頭則組成更高一級的一層網(wǎng)絡。其實就類似于TCP/IP里子網(wǎng)的概念，路由器轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包是尋找網(wǎng)絡號一樣。傳感器網(wǎng)絡分級結構中簇頭節(jié)點負責簇間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，簇成員則只是采集數(shù)據(jù)，這大大減少了網(wǎng)絡中路由控制信息的數(shù)量，因此擴展性很好。簇頭可以預先指定也可以由節(jié)點使用分簇算法自動選舉產(chǎn)生。

　　但是呢，沒有任何事情是完美的。由于簇頭需要綜合整個簇間的數(shù)據(jù)與簇間的拓撲結構，而且簇頭很難進入休眠狀態(tài)，因此簇頭需要消耗更多的能量。而傳感器網(wǎng)絡最頭疼的就是能量的消耗了。分級結構比平面結構更加復雜，但是整體能量消耗減少了，因為只有簇頭需要消耗很多能量，因此實用性較高。

　　3.傳感器網(wǎng)絡的特點

　　傳感器網(wǎng)絡與無線網(wǎng)絡有很多相似的地方，但是同時也存在較大的差別。傳感器網(wǎng)絡是集成了監(jiān)測、控制和無線通信的網(wǎng)絡系統(tǒng)，節(jié)點數(shù)目很龐大，而且節(jié)點分布密集容易受環(huán)境和能量耗盡的影響。傳感器網(wǎng)絡節(jié)點更加容易出現(xiàn)故障，由于有節(jié)點出現(xiàn)故障或者新加入節(jié)點因此網(wǎng)絡拓撲結構是不斷變化的，通常情況下傳感器節(jié)點是固定不動的。造成這些區(qū)別的最主要的原因是傳感器網(wǎng)絡與無線網(wǎng)絡的側(cè)重點不同。無線網(wǎng)絡的首要目標是要提供高服務的質(zhì)量以及網(wǎng)絡利用率，而傳感器網(wǎng)絡的首要目標是在完成功能的情況下盡可能的節(jié)約能量和高效的使用能源。沒辦法，傳感器節(jié)點由于環(huán)境因素因此供電能力有限，大部分情況下是只依靠電池供電，因此傳感器網(wǎng)絡中有一個核心的思想就是要節(jié)能。

　　傳感器節(jié)點消耗能量的模塊有傳感器模塊、處理器模塊和無線通信模塊，隨著一些工藝的進步，傳感器模塊和處理器模塊能量消耗逐漸降低，大部分能量消耗集中在無線通信模塊。在通信模塊中消耗能量按從高往低是發(fā)送數(shù)據(jù)、接受數(shù)據(jù)、空閑偵聽、睡眠狀態(tài)，其中睡眠狀態(tài)消耗能量極低。傳感器節(jié)點除了能量受限外，通信能力和計算存儲能力也受到了限制。這從傳感器節(jié)點體積小、成本低可以體現(xiàn)出來。

　　傳感器網(wǎng)絡的組網(wǎng)有自組織性、數(shù)據(jù)為中心、網(wǎng)絡規(guī)模大和可靠性等特點。其中最主要的是自組織性，傳感器節(jié)點放入工作環(huán)境中時沒有預先指定的中心，各節(jié)點通過分布式算法來相互協(xié)調(diào)，在無人值守的情況下節(jié)點自組織成一個探測網(wǎng)絡。由于沒有中心，網(wǎng)絡不會因為單個節(jié)點的脫離而受到傷害。這樣傳感器網(wǎng)絡就建立起來了，接下來當有新節(jié)點加入、傳感器節(jié)點出現(xiàn)故障或失效、傳感器或感知對象或觀察者進行移動時，傳感器網(wǎng)絡仍然可以自組織的建立新的通信網(wǎng)絡。正是因為有這些優(yōu)點，傳感器網(wǎng)絡在仍在飛速發(fā)展。