3個(gè)方面淺談無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )

　　1.初識傳感器網(wǎng)絡(luò )

　　無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )可分為兩種。一種是有基礎設施的網(wǎng)絡(luò )，需要固定基站，比如手機通信這種無(wú)線(xiàn)蜂窩網(wǎng)就需要高大的天線(xiàn)和大功率基站來(lái)支持；一種是無(wú)基礎設施網(wǎng)包括移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )（WSN），這種網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)是分布式的沒(méi)有固定基站，注意它仍然是有基站的只是沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的固定基站。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )指的是無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的節點(diǎn)是靜止的或者移動(dòng)很慢。無(wú)線(xiàn)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成的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。從中可以看出傳感器網(wǎng)絡(luò )主要負責的是數據采集、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(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。由于傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)通信方式一般都是采用無(wú)線(xiàn)通信方式，故傳感器網(wǎng)絡(luò )代表的就是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。

　　傳感器網(wǎng)絡(luò )中的部分節點(diǎn)或全部節點(diǎn)可以慢速移動(dòng)，拓撲結構會(huì )隨著(zhù)節點(diǎn)的移動(dòng)而不斷地動(dòng)態(tài)變化。節點(diǎn)之間是以Ad Hoc方式進(jìn)行通信，每個(gè)節點(diǎn)都可以充當路由器的角色，并且都具備動(dòng)態(tài)搜索、定位和恢復連接的能力。從用戶(hù)的角度來(lái)看，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統結構由傳感器節點(diǎn)、匯聚節點(diǎn)（類(lèi)似于網(wǎng)關(guān)）和管理節點(diǎn)組成。從網(wǎng)絡(luò )功能來(lái)看每個(gè)傳感器節點(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據處理外還要存儲、管理和融合其他節點(diǎn)轉發(fā)過(guò)來(lái)的數據，同時(shí)與其他節點(diǎn)協(xié)作完成一些功能。下圖是傳感器網(wǎng)絡(luò )的一個(gè)系統原理圖，大量的傳感器節點(diǎn)分布在監測區域，通過(guò)自組織的方式構成網(wǎng)絡(luò )，傳感器節點(diǎn)對對探測信息進(jìn)行初步處理后將以多跳中繼的方式傳送給匯聚節點(diǎn)，然后再通過(guò)衛星、互聯(lián)網(wǎng)等途徑將信息傳給管理節點(diǎn)也就是終端用戶(hù)。終端用戶(hù)也可通過(guò)管理節點(diǎn)對傳感器網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行管理和配置，比如發(fā)布監測任務(wù)等。

　　傳感器節點(diǎn)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(wú)線(xiàn)通信傳輸功能，探測部分完成數據采集功能。匯聚節點(diǎn)則不需要探測部分，只要有處理器模塊與射頻模塊即可。但是匯聚節點(diǎn)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(gè)具有足夠能量供給和更多內存資源與計算能力的增強型傳感器節點(diǎn)，也可以是一個(gè)帶有無(wú)線(xiàn)通信接口的網(wǎng)關(guān)設備（只負責數據轉換）。它完成傳感器網(wǎng)絡(luò )與外部網(wǎng)絡(luò )的數據交換。

　　2.傳感器網(wǎng)絡(luò )的結構

　　傳感器網(wǎng)絡(luò )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、信號調制、解調；數據鏈路層負責數據成幀、幀檢測、介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)、差錯控制，介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)保證可靠的點(diǎn)對點(diǎn)和點(diǎn)對多點(diǎn)通信差錯控制保證源節點(diǎn)發(fā)出的信息可以完整無(wú)誤地到達目標節點(diǎn)；網(wǎng)絡(luò )層負責路由發(fā)現與維護，通常大多數節點(diǎn)無(wú)法直接與網(wǎng)關(guān)通信，而是需要依靠中間件節點(diǎn)以多跳路由的方式將數據傳送至匯聚節點(diǎn)；傳輸層負責數據流的傳輸控制；應用層則負責具體應用，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)，節點(diǎn)的休眠與喚醒也需要時(shí)鐘同步，因此傳感器節點(diǎn)間的時(shí)鐘必須保持同步。定位是確定傳感器節點(diǎn)的相對位置或絕對位置。此外應用層還需要提供應用服務(wù)接口與網(wǎng)絡(luò )管理接口。

　　根據傳感器節點(diǎn)數目的多少可將傳感器網(wǎng)絡(luò )結構分為平面結構和分級結構。平面結構指的是所有節點(diǎn)都是地位平等的，源節點(diǎn)到目的節點(diǎn)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。但是當傳感器節點(diǎn)數量增加時(shí)可以想象每個(gè)節點(diǎn)都需要不停的自組織網(wǎng)絡(luò )與路由建立，而且由于所有的節點(diǎn)都有路由器的角色這樣會(huì )使得太多節點(diǎn)參與路由，這樣將會(huì )占用大量的帶寬，影響網(wǎng)絡(luò )數據的傳輸速率。還有一點(diǎn)那就是擴充性不好，新加一個(gè)節點(diǎn)需要讓原有的所有節點(diǎn)都知道這個(gè)節點(diǎn)添加到網(wǎng)絡(luò )里了，因此平面結構適合節點(diǎn)比較少的傳感器網(wǎng)絡(luò )。既然傳感器節點(diǎn)需要維持一定的開(kāi)銷(xiāo)，那么如果我們將這個(gè)開(kāi)銷(xiāo)以分層的形式讓一個(gè)傳感器節點(diǎn)只需維持它所在的區域的網(wǎng)絡(luò )拓撲，這樣就可以減少開(kāi)銷(xiāo)了。分層結構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的一層網(wǎng)絡(luò )。其實(shí)就類(lèi)似于TCP/IP里子網(wǎng)的概念，路由器轉發(fā)數據包是尋找網(wǎng)絡(luò )號一樣。傳感器網(wǎng)絡(luò )分級結構中簇頭節點(diǎn)負責簇間數據的轉發(fā)，簇成員則只是采集數據，這大大減少了網(wǎng)絡(luò )中路由控制信息的數量，因此擴展性很好。簇頭可以預先指定也可以由節點(diǎn)使用分簇算法自動(dòng)選舉產(chǎn)生。

　　但是呢，沒(méi)有任何事情是完美的。由于簇頭需要綜合整個(gè)簇間的數據與簇間的拓撲結構，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(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(wú)線(xiàn)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 )是集成了監測、控制和無(wú)線(xiàn)通信的網(wǎng)絡(luò )系統，節點(diǎn)數目很龐大，而且節點(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 )節點(diǎn)更加容易出現故障，由于有節點(diǎn)出現故障或者新加入節點(diǎn)因此網(wǎng)絡(luò )拓撲結構是不斷變化的，通常情況下傳感器節點(diǎn)是固定不動(dòng)的。造成這些區別的最主要的原因是傳感器網(wǎng)絡(luò )與無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的側重點(diǎn)不同。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的首要目標是要提供高服務(wù)的質(zhì)量以及網(wǎng)絡(luò )利用率，而傳感器網(wǎng)絡(luò )的首要目標是在完成功能的情況下盡可能的節約能量和高效的使用能源。沒(méi)辦法，傳感器節點(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能。

　　傳感器節點(diǎn)消耗能量的模塊有傳感器模塊、處理器模塊和無(wú)線(xiàn)通信模塊，隨著(zhù)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(wú)線(xiàn)通信模塊。在通信模塊中消耗能量按從高往低是發(fā)送數據、接受數據、空閑偵聽(tīng)、睡眠狀態(tài)，其中睡眠狀態(tài)消耗能量極低。傳感器節點(diǎn)除了能量受限外，通信能力和計算存儲能力也受到了限制。這從傳感器節點(diǎn)體積小、成本低可以體現出來(lái)。

　　傳感器網(wǎng)絡(luò )的組網(wǎng)有自組織性、數據為中心、網(wǎng)絡(luò )規模大和可靠性等特點(diǎn)。其中最主要的是自組織性，傳感器節點(diǎn)放入工作環(huán)境中時(shí)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)自組織成一個(gè)探測網(wǎng)絡(luò )。由于沒(méi)有中心，網(wǎng)絡(luò )不會(huì )因為單個(gè)節點(diǎn)的脫離而受到傷害。這樣傳感器網(wǎng)絡(luò )就建立起來(lái)了，接下來(lái)當有新節點(diǎn)加入、傳感器節點(diǎn)出現故障或失效、傳感器或感知對象或觀(guān)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 )。正是因為有這些優(yōu)點(diǎn)，傳感器網(wǎng)絡(luò )在仍在飛速發(fā)展。