3個方面淺談無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

　　1.初識傳感器網(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Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的終端是快速移動的。而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點是靜止的或者移動很慢。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(shù)、計算機處理技術(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)點或全部節(jié)點可以慢速移動，拓撲結(jié)構(gòu)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(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點（類似于網(wǎng)關(guān)）和管理節(jié)點組成。從網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，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(luò)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(guān)設(shè)備（只負責數(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(luò)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(guān)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(luò)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(luò)結(jié)構(gòu)分為平面結(jié)構(gòu)和分級結(jié)構(gòu)。平面結(jié)構(gòu)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(luò)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(luò)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(luò)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(luò)里了，因此平面結(jié)構(gòu)適合節(jié)點比較少的傳感器網(wǎng)絡(luò)。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(luò)拓撲，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(luò)。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(luò)號一樣。傳感器網(wǎng)絡(luò)分級結(jié)構(gòu)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(luò)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(jié)構(gòu)，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(luò)最頭疼的就是能量的消耗了。分級結(jié)構(gòu)比平面結(jié)構(gòu)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(luò)的特點

　　傳感器網(wǎng)絡(luò)與無線網(wǎng)絡(luò)有很多相似的地方，但是同時也存在較大的差別。傳感器網(wǎng)絡(luò)是集成了監(jiān)測、控制和無線通信的網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(luò)拓撲結(jié)構(gòu)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(luò)與無線網(wǎng)絡(luò)的側(cè)重點不同。無線網(wǎng)絡(luò)的首要目標是要提供高服務的質(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(luò)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(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。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(luò)。由于沒有中心，網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(luò)仍然可以自組織的建立新的通信網(wǎng)絡(luò)。正是因為有這些優(yōu)點，傳感器網(wǎng)絡(luò)在仍在飛速發(fā)展。