無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)綜述

杜宇+蘇曉軍

摘 要：在當(dāng)今的社會(huì)里面，傳感技術(shù)、嵌入技術(shù)、分布處理技術(shù)以及通信領(lǐng)域中的無(wú)線通信目前正處在一個(gè)迅猛發(fā)展的過(guò)程當(dāng)中，使得在同一個(gè)設(shè)備上面集成網(wǎng)絡(luò)、傳感、通信以及計(jì)算等功能的目標(biāo)能夠完成，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)就是把這些技術(shù)整合并加以應(yīng)用。本文在講解無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)展現(xiàn)狀和其組成的基礎(chǔ)上面，著重的講述了無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)里面的非常重點(diǎn)的拓?fù)淇刂?、路由?shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)以及跨層設(shè)計(jì)、時(shí)間同步技術(shù)、媒體訪問(wèn)控制以及鏈路控制、自定位技術(shù)以及目標(biāo)定位技術(shù)等主要的方法和技術(shù)手段。本文研究顯示，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)目前正朝著成本低、能耗小、安全可靠、性能高、操作簡(jiǎn)單、智能化等目標(biāo)邁進(jìn)著，所以文章今后對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究具有較高的意義。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；綜述；發(fā)展歷程；體系結(jié)構(gòu)；關(guān)鍵技術(shù)

1 引言

近些年來(lái)，無(wú)線通信、微機(jī)技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)以及低功耗的嵌入式系統(tǒng)正在以飛快的速度向前發(fā)展著，并且在發(fā)展的過(guò)程中融合出一門(mén)新技術(shù)：無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。無(wú)線傳感器網(wǎng)路采用的標(biāo)準(zhǔn)也是IEEE的802.15.4的標(biāo)準(zhǔn)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)集成了網(wǎng)絡(luò)、通信、傳感、計(jì)算等功能的傳感器節(jié)點(diǎn)所組成，其中節(jié)點(diǎn)之間的通信方式是自組織多跳的網(wǎng)絡(luò)，這些節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)這種通信方式實(shí)現(xiàn)對(duì)所監(jiān)控對(duì)象的各種信息，最終還是經(jīng)過(guò)這種通信方式將所檢測(cè)到的信息發(fā)送給觀測(cè)者。

因?yàn)闊o(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的電源的容量有一定的限制、節(jié)點(diǎn)的通信能力同樣有一定的限制、節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力有一定的限制、傳感器數(shù)量非常大而且無(wú)線傳感器布置的區(qū)域也非常的巨大、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性非常的強(qiáng)、感知的數(shù)據(jù)流也格外的大、另外考慮到在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)里面都是以數(shù)據(jù)作為中心的，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)目前已經(jīng)是現(xiàn)代的各種通信技術(shù)里面的一種新興起的技術(shù)，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在基礎(chǔ)的理論方面和工程技術(shù)方面兩個(gè)不同的層次上面對(duì)科研人員提出了許多的問(wèn)題。本文先是講解無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展以及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，再是研究無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)里面的拓?fù)淇刂萍夹g(shù)、媒體訪問(wèn)控制技術(shù)以及鏈路控制技術(shù)、路由與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)和跨層設(shè)計(jì)技術(shù)、時(shí)間同步技術(shù)、自定位技術(shù)以及目標(biāo)定位技術(shù)等十分重要的技術(shù)和手段。

2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

2.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)里面最最根本的組成部分即為它的節(jié)點(diǎn)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)最主要包括的是數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊還有控制模塊，以及無(wú)線通信模塊以及供電等模塊。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)采集模塊最主要的是檢測(cè)被檢測(cè)的地方里面對(duì)有用信息的收集以及數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換功能，其中最常用的為多種無(wú)線傳感器，它們的主要功能是感知外界環(huán)境并且為我們收集有利信息，模數(shù)轉(zhuǎn)換器能夠把監(jiān)測(cè)到的物理信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)處理模塊以及控制模塊可以控制所有的無(wú)線傳感器中的節(jié)點(diǎn)，而微處理器就是統(tǒng)籌協(xié)調(diào)各個(gè)節(jié)點(diǎn)里面各自的工作，我們最常選取的就是嵌入式中央處理器；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸模塊就是用于各個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)之間的無(wú)線通信的，它們可以交換和控制消息也可以收發(fā)和采集所需要的數(shù)據(jù)；而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的供電模塊就是為保障無(wú)線傳感器的節(jié)點(diǎn)的正常工作來(lái)提供它們所需要的能量。

2.2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

無(wú)線傳感器中的節(jié)點(diǎn)所收集到的有用消息經(jīng)過(guò)多跳的轉(zhuǎn)發(fā)，最后把傳感器所收集到的有用消息發(fā)送給目標(biāo)用戶供其使用，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)構(gòu)架包括分布式的無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)組、匯集的主節(jié)點(diǎn)、傳輸媒質(zhì)以及客戶端。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)里面的節(jié)點(diǎn)通常都是采用人工安裝、飛行器拋撒等方法達(dá)到讓無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)隨意分散在待監(jiān)測(cè)的地方。把傳感網(wǎng)絡(luò)當(dāng)做中心，在傳感網(wǎng)絡(luò)的感知區(qū)域里面，許多無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)用無(wú)線自組網(wǎng)的形式來(lái)進(jìn)行通信，其中所有的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)都可以作為一個(gè)路由器，另外所有的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)都有著具備動(dòng)態(tài)搜索、實(shí)時(shí)定位以及自主恢復(fù)聯(lián)接的能力，無(wú)線傳感器的節(jié)點(diǎn)會(huì)把它監(jiān)測(cè)的物理信息以初步的數(shù)據(jù)處理以及信息融合的形式傳遞給觀察者，信息傳送的方法是采用相鄰無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)之間的接力傳遞，并且最后發(fā)送給基站，最后基站采用衛(wèi)星信道或者有線網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接方式發(fā)送給觀察者。

3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 拓?fù)淇刂?/p>

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的總體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是由無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)的模式?jīng)Q定的，可是要達(dá)到無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)低功耗運(yùn)行的目的，還要精細(xì)控制各個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)之間聯(lián)接關(guān)系的時(shí)變性?，F(xiàn)階段最基本的有三種拓?fù)淇刂?，分別是時(shí)間控制拓?fù)浼夹g(shù)、空間控制拓?fù)浼夹g(shù)以及邏輯控制拓?fù)浼夹g(shù)。時(shí)間控制拓?fù)浼夹g(shù)是利用對(duì)每個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的睡眠時(shí)間以及工作時(shí)間占空比的控制，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的睡眠起始時(shí)間的調(diào)度，從而達(dá)到讓無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)交替工作的目的，以實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在有限的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之間切換的效果；空間控制拓?fù)浼夹g(shù)是利用控制無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率來(lái)達(dá)到改變節(jié)點(diǎn)連通區(qū)域的目的，使得無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)顯示出不同的連通狀態(tài)，從而獲得控制無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)能耗、提高無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)容量的效果；邏輯控制拓?fù)浼夹g(shù)是利用檢查無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的鄰居表把不“理想的”無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)排除在外，從而形成更加穩(wěn)固、更加可靠的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)里面，拓?fù)淇刂剖菫閷?shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的連通并且保證無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的信息高效的、可靠的傳輸。

3.2 媒體訪問(wèn)控制和鏈路控制

媒體訪問(wèn)控制和鏈路控制是為了解決無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)里面存在著的數(shù)據(jù)流沖突以及丟失的問(wèn)題，根據(jù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)里面數(shù)據(jù)流的狀態(tài)達(dá)到控制臨近無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的目的，甚至在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)里面所有的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的信道訪問(wèn)順序以及方式，從而達(dá)到高效的利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的容量和降低其能耗的目的。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的媒體訪問(wèn)控制層需要配合完成睡眠機(jī)制從而完成拓?fù)淇刂浦械臅r(shí)間控制和空間控制。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在復(fù)雜的鏈路控制一般是在復(fù)雜環(huán)境下的短距離鏈路，這就導(dǎo)致了與長(zhǎng)距離的無(wú)線通信鏈路的特性完全不一樣，而相同環(huán)境下的無(wú)線射頻過(guò)渡區(qū)的寬度和通信距離的比卻要大的多，由此導(dǎo)致這種環(huán)境下短距離鏈路控制出現(xiàn)很復(fù)雜的不穩(wěn)定性。

3.3 路由與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)及跨層設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流向與因特網(wǎng)中數(shù)據(jù)流向相反：在因特網(wǎng)絡(luò)中，終端設(shè)備大多數(shù)是從無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)里面得到信息的，但是在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)里面，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以從終端設(shè)備得到信息。因?yàn)樵跓o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中對(duì)能量利用的要求非常的嚴(yán)格，在大多數(shù)情況下選取介質(zhì)訪問(wèn)控制層的信息來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)、選擇數(shù)據(jù)流向。此外無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)在任務(wù)發(fā)布的過(guò)程中一般會(huì)把任務(wù)的信息傳送至全部的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，所以設(shè)計(jì)出來(lái)的高效數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議同樣為網(wǎng)絡(luò)層的研究重點(diǎn)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)同樣可以提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳遞效率。在分布式的存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)里面，一份數(shù)據(jù)一般會(huì)有不一樣的代理對(duì)它產(chǎn)生興趣，而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)采用的是減少無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)里面數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)的方式，來(lái)達(dá)到提高網(wǎng)絡(luò)容量以及效率的目的。

3.4 時(shí)間同步技術(shù)

時(shí)間同步技術(shù)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)里面實(shí)現(xiàn)信息采集的一個(gè)基本的技術(shù)手段，同樣是提高精度的不可缺少的方法。經(jīng)常采用的是利用時(shí)間同步協(xié)議實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中不同節(jié)點(diǎn)間的對(duì)時(shí)，利用濾波技術(shù)來(lái)減少噪聲以及漂移產(chǎn)生的不良影響。這一段時(shí)間，通過(guò)渦合振蕩器振蕩器同步技術(shù)完成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)同步的手段引起了大家濃厚的興趣，這是一個(gè)效率極高、能夠無(wú)限拓展的方法。

3.5 自定位和目標(biāo)定位技術(shù)

定位跟蹤技術(shù)有節(jié)點(diǎn)自定位技術(shù)以及在網(wǎng)絡(luò)區(qū)域里面的目標(biāo)定位跟蹤技術(shù)兩種技術(shù)手段。節(jié)點(diǎn)自定位技術(shù)指的是確定無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)里面所以節(jié)點(diǎn)的位置，而這恰恰為隨機(jī)組網(wǎng)的最終目標(biāo)。目標(biāo)定位跟蹤是一種室外經(jīng)常選取的自定位方法，可是它不但成本不低，而且在有遮擋區(qū)域有可能定位不準(zhǔn)確。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在一般情況下會(huì)選取結(jié)合這樣的定位技術(shù)和方法：手動(dòng)安裝一小部分目標(biāo)點(diǎn)，而剩余點(diǎn)則會(huì)依據(jù)拓?fù)渑c距離之間的關(guān)系來(lái)估計(jì)它們的間接位置。目標(biāo)定位跟蹤技術(shù)是采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)里面?zhèn)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)之間的配合來(lái)實(shí)現(xiàn)它們對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)里面的特定的目標(biāo)定位以及跟蹤技術(shù)，通常都是在無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)定位的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。

4 總結(jié)與展望

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)在日益的發(fā)展著，現(xiàn)在的設(shè)備越來(lái)越低功耗，高計(jì)算能力。自組網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展使得無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)也在漸漸受到人們的關(guān)注，同時(shí)也成為現(xiàn)在工業(yè)和學(xué)術(shù)界研究的一個(gè)重點(diǎn)和熱點(diǎn)。這篇文章對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展現(xiàn)狀和幾個(gè)關(guān)鍵性的技術(shù)問(wèn)題做了詳細(xì)的介紹和匯總。在當(dāng)今社會(huì)中無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究是一個(gè)很大的科學(xué)課題，它也有著很廣闊的應(yīng)用前景，甚至可以從根本上改變?nèi)藗兊纳罘绞健?