无线传感网络

无线传感网络
2009年11月24日
　　[b]无线传感器网络-概述[/b]
　　无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。传感器技术、微机电系统、现代网络和无线通信等技术的进步，推动了现代无线传感器网络的产生和发展。无线传感器网络扩展了人们信息获取能力，将客观世界的物理信息同传输网络连接在一起，在下一代网络中将为人们提供最直接、最有效、最真实的信息。无线传感器网络能够获取客观物理信息，具有十分广阔的应用前景，能应用于军事国防、工农业控制、城市管理、生物医疗、环境检测、抢险救灾、危险区域远程控制等领域。已经引起了许多国家学术界和工业界的高度重视，被认为是对21世纪产生巨大影响力的技术之一。
　　无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。
　　无线传感器网络（wireless sensor network）简称WSN，是一种由大量小型传感器所组成的网络。这些小型传感器一般称作sensor node（传感器节点）或者mote（灰尘）。此种网络中一般也有一个或几个基站(称作sink)用来集中从小型传感器收集的数据。
　　[b] 1.1无线传感器网络的体系结构[/b]
　　[b] [/b]传感器网络结构如下图1-1所示，传感器网络系统通常包括传感器节点(sensor node)、汇聚节点(sink node)和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。
　　传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成，如图1-2所示。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池。
　　随着传感器网络的深入研究，研究人员提出了多个传感器节点上的协议栈。下图1-3(a)所示是早期提出的一个协议栈，这个协议栈包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，与互联网协议栈的五层协议相对应。另外，协议栈还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。
　　图1.3(b)所示的协议栈细化并改进了原始模型。定位和时间同步子层在协议栈中的位置比较特殊。它们既要依赖于数据传输通道进行协作定位和时间同步协商，同时又要为网络协议各层提供信息支持，所以在图中用倒L型描述这两个功能子层。图1.3(b)右边的诸多机制一部分融入到图1.3(a)所示的各层协议中，用以优化和管理协议流程；另一部分独立在协议外层，通过各种收集和配置接口相对应机制进行配置和监控[3]。
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　　[b] 1.2 无线传感器网络的特征[/b]
　　无线自组网(mobile ad-hoc network)是一个由几十到上百个节点组成的、采用无线通信方式、动态组网的多跳的移动性对等网络。其目的是通过动态路由和移动管理技术传输具有服务质量要求的多媒体信息流。通常节点具有持续的能量供给。
　　传感器网络虽然与无线自组网有相似之处，但同时也存在很大的差别。传感器网络是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，节点数目更为庞大(上千甚至上万)，节点分布更为密集；由于环境影响和能量耗尽，节点更容易出现故障；环境干扰和节点故障易造成网络拓扑结构的变化；通常情况下，大多数传感器节点是固定不动的。另外，传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力等都十分有限。传统无线网络的首要设计目标是提供高服务质量和高效带宽利用，其次才考虑节约能源；而传感器网络的首要设计目标是能源的高效利用，这也是传感器网络和传统网络最重要的区别之一。
　　[b] 1.3 无线传感器网络中的关键技术[/b]
　　[b]（1）网络拓扑控制[/b]
　　传感器网络拓扑控制目前主要的研究问题是在满足网络覆盖度和连通度的前提下，通过功率控制和骨干网节点选择，删除节点之间不必要的无线通信链路，生产一个高效的数据转发的网络拓扑结构。拓扑控制可以分为节点功率控制和层次型拓扑结构形成两个方面。功率控制方面目前已经提出了COMPOW，LINT/LILT，CBTC，LMST，RNG，DRNG和DLSS等算法，层次型拓扑控制目前提出了TopDisc，GAF，LEACH和HEED等算法。
　　[b]（2） 网络协议[/b]
　　由于传感器网络节点的硬件资源有限和拓扑结构的动态变化，网络协议不能太复杂但又要高效。目前研究的重点是网络层协议和数据链路层协议。网络层的路由协议决定检测信息的传输路径，目前提出了多种类型的协议，如多个能量感知的路由协议，定向扩散和谣传路由等基于查询的路由协议，GEAR和GEM等基于地理位置的路由协议，SPEED和ReInForM等支持的QoS的路由协议。数据链路层的介质访问控制用来构建底层的基础结构，控制传感器节点的通信过程和工作模式。目前提出了S-MAC、T-MAC和Sift等基于竞争的MAC协议，DEANA、TRAMA、DMAC和周期性调度等时分复用的MAC协议等。
　　[b]（3）时间同步[/b]
　　时间同步是需要协同工作的传感器网络系统的一个关键机制。Jeremy Elson和Kay Romer在2002年8月的HotNets-I国际会议上首次提出并阐述了无线传感器网络中的时间同步机制的研究课题，在传感器网络研究领域引起了关注。目前已提出了多个时间同步机制，其中RBS、TINY/MINI-SYNC和TPSN被认为是三个基本的同步机制。
　　[b]（4）定位技术[/b]
　　位置信息是传感器节点采集数据中不可缺少的部分，没有位置信息的检测消息通常毫无意义。确定事件发生的位置或采集数据的节点位置是传感器网络最基本的功能之一。目前的定位技术有基于距离的定位，如基于TOA的定位、基于AOA的定位、基于RSSI的定位等；和与距离无关的定位算法，如质心算法、DV-Hop算法、APIT算法等等。
　　[b] （5）数据融合[/b]
　　传感器网络存在能量约束。减少传输的数据量能够有效地节省能量，因此在从各个节点收集数据的过程中，可利用节点的本地计算和存储能力处理数据的融合，去除冗余信息，从而达到节省能量的目的。由于节点的易失效性，传感器网络也需要数据融合技术对多份数据进行综合，提高信息的准确度。但融合技术会牺牲其他方面的性能，如延迟和鲁棒性的代价。
　　[b]（6）嵌入式操作系统[/b]
　　传感器节点是一个微型的嵌入式系统，携带非常有限的硬件资源，需要操作系统能够节能高效地使用其有限的内存、处理器和通信模块，且能够对各种特定应用提供最大的支持。在面向无线传感器网络的操作系统的支持下，多个应用可以并发地使用系统的有限资源。美国加州大学伯克利分校研发了TinyOS操作系统，在科研机构的研究中得到了比较广泛的使用，但目前仍然存在不足之处。
　　[b]无线传感器网络-构成[/b]
　　传感器节点是一种非常小型的计算机，一般由以下几部分组成：
　　1．处理器和内存（一般能力都比较有限）。
　　2．各类传感器（温度、湿度、声音、加速度、全球定位等）。
　　3．通讯设备（一般是无线电收发器或光学通信设备）。
　　4．电池（一般是干电池，也有使用太阳能电池的）。
　　5．其他设备，包括各种特定用途的芯片，串行并行接口等（USB，RS232）
　　[b]无线传感器网络-作用[/b]
　　无线传感器网络中的基站的作用是从各个传感器节点收集数据，集中处理然后提交给用户。因此，基站一般有更强的数据处理和通讯能力以及更持久的电力