無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究

坎香+金海峰

摘 要 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)涉及傳感器技術(shù)，無線通信技術(shù)，嵌入式技術(shù)，分布式信息處理技術(shù)等多個學科領(lǐng)域的內(nèi)容， 是當今學術(shù)研究的熱點領(lǐng)域之一。本文闡述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點、分類以及性能的評估。

【關(guān)鍵詞】無線傳感器 網(wǎng)絡(luò) 數(shù)據(jù)

1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)概述

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，簡稱WSN）是在監(jiān)測區(qū)域中部署大量的無線傳感器節(jié)點，這些節(jié)點采用無線連接、以多跳自組織的方式快速形成網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點具有感知、監(jiān)測、傳感、信息處理等功能，能夠?qū)δ繕藚^(qū)域中的信息進行感知和采集，然后通過無線通信方式傳遞給匯聚節(jié)點，最后匯聚節(jié)點將數(shù)據(jù)通過Internet或衛(wèi)星通訊網(wǎng)傳遞給用戶終端，最終實現(xiàn)任務(wù)節(jié)點與用戶終端之間的通信。

不同于移動Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有以下特點：

1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)規(guī)模比較大

為了獲取盡可能詳盡的數(shù)據(jù)，完成網(wǎng)絡(luò)探測任務(wù)，傳感器節(jié)點的布置區(qū)域都非常大；同時，無線傳感器節(jié)點一般工作在人類無法到達的惡劣環(huán)境中，傳感器網(wǎng)絡(luò)中部署的節(jié)點由于受到惡劣環(huán)境的影響較易失效，且一旦節(jié)點部署完成，將不再對這些節(jié)點進行干預(yù)，因此，在監(jiān)測區(qū)域會部署大量的傳感器節(jié)點，這樣也可以盡可能保證探測到數(shù)據(jù)的精確性。

1.2 傳感器節(jié)點能量供應(yīng)有限

隨著微電子的發(fā)展以及基于傳感器網(wǎng)絡(luò)實際應(yīng)用需求的成本考慮，傳感器節(jié)點都是微型的。由于體積小，所以節(jié)點的能源一般由電池供應(yīng)，導(dǎo)致傳感器節(jié)點能量有限，節(jié)點的使用時間受限。而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般應(yīng)用于一些人類無法到達的惡劣環(huán)境中，網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點成千上萬，要給這些節(jié)點延續(xù)能量或更換電池是非常困難的，而實際應(yīng)用中往往要求傳感器節(jié)點正常工作的時間能盡可能的長，即要求節(jié)點的壽命盡可能的長，因此傳感器節(jié)點能源問題也是當今專家學者們研究的重點方向之一。

1.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可維護性差

由于傳感器節(jié)點一般工作在人類無法到達的惡劣環(huán)境中，一旦節(jié)點初始部署完成，將不再對這些節(jié)點進行干預(yù)，因此要對整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行維護是幾乎不可能的。

1.4 無線傳感器節(jié)點具有無線連接、自組織的能力

無線傳感器節(jié)點采用拓撲控制機制和自帶的底層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自組織形成網(wǎng)絡(luò)，若有節(jié)點失效，傳感器節(jié)點之間會以自組織的形式重新形成網(wǎng)絡(luò)，以保障節(jié)點之間通信的暢通性，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的探測任務(wù)。

1.5 以數(shù)據(jù)為中心

由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標是實現(xiàn)任務(wù)節(jié)點與用戶終端之間的通信，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的探測任務(wù)。而傳感器節(jié)點的任務(wù)就是負責實時監(jiān)測并采集數(shù)據(jù)，然后通過無線通信方式傳送至匯聚節(jié)點，再由匯聚節(jié)點將數(shù)據(jù)通過Internet或衛(wèi)星通訊網(wǎng)傳遞給用戶終端，因此我們說無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)為中心的。

1.6 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)復(fù)雜

傳感器節(jié)點經(jīng)常由于受到自然環(huán)境等影響導(dǎo)致節(jié)點失效，網(wǎng)絡(luò)中的其他傳感器節(jié)點將不斷地動態(tài)自組織重新形成新的傳輸路徑，從而整個網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)也在不斷的變化，所以說網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。

1.7 數(shù)據(jù)處理能力低下

由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是任務(wù)型的網(wǎng)絡(luò)，因此為了保證探測數(shù)據(jù)的精確性，通常會在監(jiān)測區(qū)域布置大量的傳感器節(jié)點，而為了降低無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實際應(yīng)用成本，傳感器節(jié)點的體積都設(shè)計的非常小，這樣就導(dǎo)致傳感器節(jié)點的處理器以及存儲器都非常有限，進而導(dǎo)致傳感器處理數(shù)據(jù)的能力低下。

1.8 有融合數(shù)據(jù)的能力

由于無線傳感器節(jié)點一般工作在惡劣環(huán)境中，人類一般無法到達該區(qū)域，因此在初始部署傳感器節(jié)點時，一般都會布置數(shù)量巨大的傳感器節(jié)點。由于在監(jiān)測區(qū)域傳感器節(jié)點非常密集，這樣就導(dǎo)致感器節(jié)點采集到冗余的數(shù)據(jù)，因此傳感器節(jié)點需具有處理并融合數(shù)據(jù)的能力，以節(jié)省整個網(wǎng)絡(luò)的能源消耗。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分類

根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在實際應(yīng)用中的不同，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)是不同的，因此根據(jù)實際的應(yīng)用應(yīng)選擇合適的網(wǎng)絡(luò)。常見的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分類有：

（1）根據(jù)傳感器節(jié)點之間是對等的還是分等級的，網(wǎng)絡(luò)分為平面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和分層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

（2）若網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點是移動的，則傳感器網(wǎng)絡(luò)是動態(tài)網(wǎng)絡(luò)；若網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點是靜止的，則傳感器網(wǎng)絡(luò)是靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)。

（3）根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的實際應(yīng)用，部署節(jié)點的方式是不同的。若監(jiān)測區(qū)域在人跡罕至的地區(qū)，只能用飛機隨機撒播來投放節(jié)點，從而節(jié)點的位置是未知的、隨機的，這種網(wǎng)絡(luò)為隨機性網(wǎng)絡(luò)。若根據(jù)傳感器網(wǎng)絡(luò)的實際應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點需由人工部署，則該網(wǎng)絡(luò)為確定性網(wǎng)絡(luò)。

（4）若網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)相同，則網(wǎng)絡(luò)為同構(gòu)型網(wǎng)絡(luò)；否則網(wǎng)絡(luò)為異構(gòu)型網(wǎng)絡(luò)。

（5）若傳感器節(jié)點需經(jīng)過多跳才能與匯聚節(jié)點通信，則該網(wǎng)絡(luò)為多跳網(wǎng)路；否則為單跳網(wǎng)絡(luò)。

3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能評估

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)成為當今專家學者們研究的熱點之一，其性能的好壞也是重點研究的方向。目前普遍采用的評估標準有如下幾點：

3.1 能源的有效性

考慮到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的成本，在網(wǎng)絡(luò)中投入傳感器節(jié)點的數(shù)量是有限的；受監(jiān)測區(qū)域環(huán)境的影響，傳感器節(jié)點的感知區(qū)域也將受到限制；由于節(jié)點的體積很小，節(jié)點的能源提供也會受到限制。而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在這些因素限制的條件下，可以有效地完成任務(wù)的數(shù)量就是網(wǎng)絡(luò)能源的有效性。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般應(yīng)用于人類無法到達的惡劣環(huán)境中，所以在初始部署節(jié)點時會投放成千上萬個節(jié)點，一旦節(jié)點失效或能源耗盡，要更換節(jié)點或者對節(jié)點續(xù)能幾乎是不可能的，而實際應(yīng)用中往往要求傳感器節(jié)點的生存周期盡可能長，因此能源的有效性問題也是目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用亟待解決的問題之一。

3.2 魯棒性

由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般應(yīng)用于人跡罕至的地區(qū)，如原始森林、外太空星球等人類無法到達的地區(qū)，一旦傳感器節(jié)點能源耗盡或者節(jié)點失效，要對其進行人工維護是非常困難的或者幾乎是不可能的，因此要求無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的魯棒性好，在部分傳感器節(jié)點無法正常工作時整個網(wǎng)絡(luò)能繼續(xù)生存。

3.3 可擴展性

由于傳感器節(jié)點通常工作在人類無法到達的惡劣且復(fù)雜的環(huán)境中，網(wǎng)絡(luò)中的部分節(jié)點由于受到環(huán)境因素的影響而無法正常工作，根據(jù)實際應(yīng)用，為了使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能長時間工作，需要在監(jiān)測區(qū)域中繼續(xù)投入新傳感器節(jié)點，這就要求傳感器節(jié)點能自組織并協(xié)同工作，從而實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)可擴展性。

3.4 感知精確性和有效性

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在實際應(yīng)用中主要用于對環(huán)境進行監(jiān)測并獲取有效的數(shù)據(jù)信息，而數(shù)據(jù)的精準性決定了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量。數(shù)據(jù)的精準性受到傳感器節(jié)點自身的感知能力、信息處理能力以及無線通信能力等因素的影響。因此在設(shè)計傳感器節(jié)點時應(yīng)考慮到這些方面的因素；由于在網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測區(qū)域會布置數(shù)量巨大的傳感器節(jié)點，而過度密集的節(jié)點導(dǎo)致采集到的信息將有重復(fù)，因此傳感器節(jié)點應(yīng)具有融合信息的能力，以保證數(shù)據(jù)的有效性。

當然，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的這些評估標準并不是獨立，它們有著密切的關(guān)系，在評估時應(yīng)綜合考慮。

參考文獻

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作者簡介

坎香（1986-），女，江蘇省江陰市人。碩士學位。講師。研究方向為計算機網(wǎng)絡(luò)編程。

作者單位

江陰職業(yè)技術(shù)學院計算機科學系 江蘇省江陰市 214400endprint