3個(gè)方面淺談無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

　　1.初識(shí)傳感器網(wǎng)絡(luò)

　　無線網(wǎng)絡(luò)可分為兩種。一種是有基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)，需要固定基站，比如手機(jī)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(chǔ)設(shè)施網(wǎng)包括移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN），這種網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(luò)指的是無線自組織網(wǎng)絡(luò)，移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的終端是快速移動(dòng)的。而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)是靜止的或者移動(dòng)很慢。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的官方定義是WSN是由大量的靜止或移動(dòng)的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)。從中可以看出傳感器網(wǎng)絡(luò)主要負(fù)責(zé)的是數(shù)據(jù)采集、處理與傳輸三種功能，分別對(duì)應(yīng)的是傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)處理技術(shù)和無線通信技術(shù)。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信方式一般都是采用無線通信方式，故傳感器網(wǎng)絡(luò)代表的就是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

　　傳感器網(wǎng)絡(luò)中的部分節(jié)點(diǎn)或全部節(jié)點(diǎn)可以慢速移動(dòng)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)隨著節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)而不斷地動(dòng)態(tài)變化。節(jié)點(diǎn)之間是以Ad Hoc方式進(jìn)行通信，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以充當(dāng)路由器的角色，并且都具備動(dòng)態(tài)搜索、定位和恢復(fù)連接的能力。從用戶的角度來看，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)（類似于網(wǎng)關(guān)）和管理節(jié)點(diǎn)組成。從網(wǎng)絡(luò)功能來看每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都具有信息采集和路由的雙重功能，它不僅進(jìn)行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理外還要存儲(chǔ)、管理和融合其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)過來的數(shù)據(jù)，同時(shí)與其他節(jié)點(diǎn)協(xié)作完成一些功能。下圖是傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)系統(tǒng)原理圖，大量的傳感器節(jié)點(diǎn)分布在監(jiān)測(cè)區(qū)域，通過自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)對(duì)探測(cè)信息進(jìn)行初步處理后將以多跳中繼的方式傳送給匯聚節(jié)點(diǎn)，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(diǎn)也就是終端用戶。終端用戶也可通過管理節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理和配置，比如發(fā)布監(jiān)測(cè)任務(wù)等。

　　傳感器節(jié)點(diǎn)由處理器、射頻部分、探測(cè)部分組成，處理器完成計(jì)算與控制功能，射頻部分完成無線通信傳輸功能，探測(cè)部分完成數(shù)據(jù)采集功能。匯聚節(jié)點(diǎn)則不需要探測(cè)部分，只要有處理器模塊與射頻模塊即可。但是匯聚節(jié)點(diǎn)通常具有較強(qiáng)的處理器模塊，包括增強(qiáng)的計(jì)算處理、存儲(chǔ)處理、通信能力。它既可以是一個(gè)具有足夠能量供給和更多內(nèi)存資源與計(jì)算能力的增強(qiáng)型傳感器節(jié)點(diǎn)，也可以是一個(gè)帶有無線通信接口的網(wǎng)關(guān)設(shè)備（只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換）。它完成傳感器網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換。

　　2.傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)

　　傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)與TCP/IP相似也是5層協(xié)議，物理層負(fù)責(zé)載波頻率的產(chǎn)生、信號(hào)調(diào)制、解調(diào)；數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)成幀、幀檢測(cè)、介質(zhì)訪問、差錯(cuò)控制，介質(zhì)訪問保證可靠的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信差錯(cuò)控制保證源節(jié)點(diǎn)發(fā)出的信息可以完整無誤地到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)；網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)路由發(fā)現(xiàn)與維護(hù)，通常大多數(shù)節(jié)點(diǎn)無法直接與網(wǎng)關(guān)通信，而是需要依靠中間件節(jié)點(diǎn)以多跳路由的方式將數(shù)據(jù)傳送至匯聚節(jié)點(diǎn)；傳輸層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制；應(yīng)用層則負(fù)責(zé)具體應(yīng)用，比如時(shí)間同步和定位。由于多個(gè)傳感器常常需要相互配合完成某個(gè)任務(wù)，節(jié)點(diǎn)的休眠與喚醒也需要時(shí)鐘同步，因此傳感器節(jié)點(diǎn)間的時(shí)鐘必須保持同步。定位是確定傳感器節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置或絕對(duì)位置。此外應(yīng)用層還需要提供應(yīng)用服務(wù)接口與網(wǎng)絡(luò)管理接口。

　　根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目的多少可將傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為平面結(jié)構(gòu)和分級(jí)結(jié)構(gòu)。平面結(jié)構(gòu)指的是所有節(jié)點(diǎn)都是地位平等的，源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)之間一般存在多條路徑，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷由這些路徑共同承擔(dān)。但是當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加時(shí)可以想象每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要不停的自組織網(wǎng)絡(luò)與路由建立，而且由于所有的節(jié)點(diǎn)都有路由器的角色這樣會(huì)使得太多節(jié)點(diǎn)參與路由，這樣將會(huì)占用大量的帶寬，影響網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸速率。還有一點(diǎn)那就是擴(kuò)充性不好，新加一個(gè)節(jié)點(diǎn)需要讓原有的所有節(jié)點(diǎn)都知道這個(gè)節(jié)點(diǎn)添加到網(wǎng)絡(luò)里了，因此平面結(jié)構(gòu)適合節(jié)點(diǎn)比較少的傳感器網(wǎng)絡(luò)。既然傳感器節(jié)點(diǎn)需要維持一定的開銷，那么如果我們將這個(gè)開銷以分層的形式讓一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)只需維持它所在的區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，這樣就可以減少開銷了。分層結(jié)構(gòu)就是這種思想它將傳感器網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)簇，每個(gè)簇由一個(gè)簇頭和多個(gè)簇成員組成，簇頭則組成更高一級(jí)的一層網(wǎng)絡(luò)。其實(shí)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(luò)號(hào)一樣。傳感器網(wǎng)絡(luò)分級(jí)結(jié)構(gòu)中簇頭節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)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(luò)中路由控制信息的數(shù)量，因此擴(kuò)展性很好。簇頭可以預(yù)先指定也可以由節(jié)點(diǎn)使用分簇算法自動(dòng)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(gè)簇間的數(shù)據(jù)與簇間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而且簇頭很難進(jìn)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(luò)最頭疼的就是能量的消耗了。分級(jí)結(jié)構(gòu)比平面結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，但是整體能量消耗減少了，因?yàn)橹挥写仡^需要消耗很多能量，因此實(shí)用性較高。

　　3.傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

　　傳感器網(wǎng)絡(luò)與無線網(wǎng)絡(luò)有很多相似的地方，但是同時(shí)也存在較大的差別。傳感器網(wǎng)絡(luò)是集成了監(jiān)測(cè)、控制和無線通信的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)數(shù)目很龐大，而且節(jié)點(diǎn)分布密集容易受環(huán)境和能量耗盡的影響。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)更加容易出現(xiàn)故障，由于有節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障或者新加入節(jié)點(diǎn)因此網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是不斷變化的，通常情況下傳感器節(jié)點(diǎn)是固定不動(dòng)的。造成這些區(qū)別的最主要的原因是傳感器網(wǎng)絡(luò)與無線網(wǎng)絡(luò)的側(cè)重點(diǎn)不同。無線網(wǎng)絡(luò)的首要目標(biāo)是要提供高服務(wù)的質(zhì)量以及網(wǎng)絡(luò)利用率，而傳感器網(wǎng)絡(luò)的首要目標(biāo)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(diǎn)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(luò)中有一個(gè)核心的思想就是要節(jié)能。

　　傳感器節(jié)點(diǎn)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(jìn)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(diǎn)除了能量受限外，通信能力和計(jì)算存儲(chǔ)能力也受到了限制。這從傳感器節(jié)點(diǎn)體積小、成本低可以體現(xiàn)出來。

　　傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)有自組織性、數(shù)據(jù)為中心、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大和可靠性等特點(diǎn)。其中最主要的是自組織性，傳感器節(jié)點(diǎn)放入工作環(huán)境中時(shí)沒有預(yù)先指定的中心，各節(jié)點(diǎn)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(diǎn)自組織成一個(gè)探測(cè)網(wǎng)絡(luò)。由于沒有中心，網(wǎng)絡(luò)不會(huì)因?yàn)閱蝹€(gè)節(jié)點(diǎn)的脫離而受到傷害。這樣傳感器網(wǎng)絡(luò)就建立起來了，接下來當(dāng)有新節(jié)點(diǎn)加入、傳感器節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障或失效、傳感器或感知對(duì)象或觀察者進(jìn)行移動(dòng)時(shí)，傳感器網(wǎng)絡(luò)仍然可以自組織的建立新的通信網(wǎng)絡(luò)。正是因?yàn)橛羞@些優(yōu)點(diǎn)，傳感器網(wǎng)絡(luò)在仍在飛速發(fā)展。