無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )概念基礎簡(jiǎn)介

要做到目視千里，耳聽(tīng)八方是人類(lèi)長(cháng)久的夢(mèng)想，現代衛星技術(shù)的出現雖然使人們離這目標又進(jìn)了一步，但衛星高高在上，洞察全局在行，明察細微就不管用 了。這個(gè)時(shí)候，本文的主角—無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )就排上用場(chǎng)了。將大量的傳感器節點(diǎn)遍撒指定區域，數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)電波傳回監控中心，監控區域內的所有信息就會(huì )盡收觀(guān)察者的眼中了。

軍用轉民用的典范

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的構想最初是由美國軍方提出的，美國國防部高級研究所計劃署(DARPA)于1978年開(kāi)始資助卡耐基-梅隆大學(xué)進(jìn)行分布式傳感器網(wǎng) 絡(luò )的研究，這被看成是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的雛形。從那以后，類(lèi)似的項目在全美高校間廣泛展開(kāi)，著(zhù)名的有UC Berkeley的Smart DuST項目，UCLA的WINS項目，以及多所機構聯(lián)合攻關(guān)的SensIT計劃，等等。在這些項目取得進(jìn)展的同時(shí)，其應用也從軍用轉向民用。在森林火 災、洪水監測之類(lèi)的環(huán)境應用中，在人體生理數據監測、藥品管理之類(lèi)的醫療應用中，在家庭環(huán)境的智能化應用以及商務(wù)應用中都已出現了它的身影。目下，無(wú)線(xiàn)傳 感器網(wǎng)絡(luò )的商業(yè)化應用也已逐步興起。美國Crossbow公司就利用SMArt Dust項目的成果開(kāi)發(fā)出了名 為Mote的智能傳感器節點(diǎn)，還有用于研究機構二次開(kāi)發(fā)的MoteWorkTM開(kāi)發(fā)平臺。這些產(chǎn)品都很受使用者的歡迎。

組成和特點(diǎn)

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )可以看成是由數據獲取網(wǎng)絡(luò )、數據分布網(wǎng)絡(luò )和控制管理中心三部分組成的。其主要組成部分是集成有傳感器、數據處理單元和通信模塊的節點(diǎn)，各節點(diǎn)通過(guò)協(xié)議自組成一個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò )，再將采集來(lái)的數據通過(guò)優(yōu)化后經(jīng)無(wú)線(xiàn)電波傳輸給信息處理中心。

因為節點(diǎn)的數量巨大，而且還處在隨時(shí)變化的環(huán)境中，這就使它有著(zhù)不同于普通傳感器網(wǎng)絡(luò )的獨特“個(gè)性”。首先是無(wú)中心和自組網(wǎng)特性。在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò ) 中，所有節點(diǎn)的地位都是平等的，沒(méi)有預先指定的中心，各節點(diǎn)通過(guò)分布式算法來(lái)相互協(xié)調，在無(wú)人值守的情況下，節點(diǎn)就能自動(dòng)組織起一個(gè)測量網(wǎng)絡(luò )。而正因為沒(méi) 有中心，網(wǎng)絡(luò )便不會(huì )因為單個(gè)節點(diǎn)的脫離而受到損害。

其次是網(wǎng)絡(luò )拓撲的動(dòng)態(tài)變化性。網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)是處于不斷變化的環(huán)境中，它的狀態(tài)也在相應地發(fā)生變化，加之無(wú)線(xiàn)通信信道的不穩定性，網(wǎng)絡(luò )拓撲因此也在不斷地調整變化，而這種變化方式是無(wú)人能準確預測出來(lái)的。

第三是傳輸能力的有限性。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )通過(guò)無(wú)線(xiàn)電波進(jìn)行數據傳輸，雖然省去了布線(xiàn)的煩惱，但是相對于有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，低帶寬則成為它的天生缺陷。同時(shí)，信號之間還存在相互干擾，信號自身也在不斷地衰減，諸如此類(lèi)。不過(guò)因為單個(gè)節點(diǎn)傳輸的數據量并不算大，這個(gè)缺點(diǎn)還是能忍受的。

第四是能量的限制。為了測量真實(shí)世界的具體值，各個(gè)節點(diǎn)會(huì )密集地分布于待測區域內，人工補充能量的方法已經(jīng)不再適用。每個(gè)節點(diǎn)都要儲備可供長(cháng)期使用的能量，或者自己從外汲取能量(太陽(yáng)能)。

第五是安全性的問(wèn)題。無(wú)線(xiàn)信道、有限的能量，分布式控制都使得無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )更容易受到攻擊。被動(dòng)竊聽(tīng)、主動(dòng)入侵、拒絕服務(wù)則是這些攻擊的常見(jiàn)方式。因此，安全性在網(wǎng)絡(luò )的設計中至關(guān)重要。

下面，我們將會(huì )從幾個(gè)方面來(lái)具體地介紹無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。

● 物理層技術(shù)

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是一個(gè)開(kāi)放系統互聯(lián)，按照國際標準化組織(ISO)的規定，為數據流傳輸所需的物理連接的建立、維護和釋放提供的機械的、電氣的、功 能和規程性的模塊就叫做物理層。從這個(gè)定義可以看出，物理層需要承擔為數據終端提供數據傳輸通路、傳輸數據和完成管理工作的職責。具體到無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )就 是介質(zhì)的選擇、頻段的選擇、調制技術(shù)以及擴頻技術(shù)。因為是無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，傳輸介質(zhì)自然要選電磁波了。不過(guò)，源信號要依靠電磁波傳輸必需要通過(guò)調制技術(shù)變成高頻 信號，當抵達接受端時(shí)，又通過(guò)解調技術(shù)還原成原始信號。目前采用的調制方法分為模擬調制和數字調制兩種。它們的區別就在于調制信號所用的基帶信號的模式不 同而已(一為數字，一為模擬)。

信號僅經(jīng)過(guò)調制是不行的，還需要進(jìn)行擴頻。擴頻，顧名思義，就是將待傳輸數據進(jìn)行頻譜擴展的技術(shù)。它的好處是：增強了抗干擾能力，可進(jìn)行多地址通信，保密性提高。常見(jiàn)的擴頻技術(shù)包括直接序列擴頻、跳頻、跳時(shí)以及線(xiàn)性調頻。

在物理層面上，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )遵從的主要是IEEE 802.15.4標準。依照此標準，物理層主要進(jìn)行如下工作：激活和去活無(wú)線(xiàn)收發(fā)器，檢測當前信道的能量，發(fā)送指示，信道頻率的選擇，數據發(fā)送與接收。

IEEE 802.15.4標準規劃了幾個(gè)工作頻段。其中，2.4GHz頻段的物理層可提供250Kb/s的數據傳輸率，適用于高吞吐量、低延時(shí)或低作業(yè)周期的場(chǎng) 合;工作在869/915MHz頻段的物理層則能提供20Kb/s的數據傳輸率，適用于低速率、高靈敏度和大覆蓋面積的場(chǎng)合。

依據IEEE 802.15.4標準的協(xié)議被稱(chēng)為Zigbe e，其傳輸帶寬雖然沒(méi)有Wi-Fi和Blue Tooth大，但是能耗較低，非常適合無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。