陳圳

（中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 湖南長沙 410000）

無線傳感網(wǎng)絡(luò)淺析

陳圳

（中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 湖南長沙 410000）

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，它可以感知外部世界。其傳感器通過無線方式通信，因此網(wǎng)絡(luò)設(shè)置靈活，設(shè)備位置靈活多變，可以跟互聯(lián)網(wǎng)進行有線或無線方式的連接。通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。本文介紹了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的特點和結(jié)構(gòu)形式，并對傳感網(wǎng)絡(luò)目前的研究熱點作了介紹。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)；自組織；動態(tài)；協(xié)同

1 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，它可以感知外部世界。無線傳感網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于生物棲息地監(jiān)控、森林防火、環(huán)境監(jiān)測、交通、救災(zāi)、軍事、個人監(jiān)護等等場合，特別是在軍事上。無線傳感網(wǎng)絡(luò)雖已經(jīng)取得很大成果，但現(xiàn)有的系統(tǒng)中還存在不少問題，理論也還不完善，問題還沒有完全解決。本文將對無線傳感網(wǎng)絡(luò)的特點、節(jié)點組成、網(wǎng)絡(luò)組成和研究熱點進行簡要分析。

2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)特點

無線傳感網(wǎng)絡(luò)是無線網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)的結(jié)合，其核心圍繞通信，具有以下特點：

2.1 規(guī)模大

無線傳感網(wǎng)絡(luò)為了確保其檢測信息的可靠，通常需要大量部署傳感器節(jié)點，可能有成千上萬個。傳感器網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模：①數(shù)量上多；②分布地理區(qū)域內(nèi)可以很密集，這些分布式的處理節(jié)點可以提高檢測精確度，減少盲區(qū)，因而系統(tǒng)容錯更強。

2.2 自組織

無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點過多，有的或通過飛機播撒，或隨意放置，因而事先難以確定其位置、臨接關(guān)系。通常要求節(jié)點之間可以自組織，能夠自己進行配置，自己管理，控制拓撲，自動形成多跳無線網(wǎng)絡(luò)。

2.3 動態(tài)性

由于無線傳感網(wǎng)絡(luò)具有第二條自組織的性質(zhì)，也就允許其拓撲動態(tài)變化，而動態(tài)變化也是無線傳感網(wǎng)絡(luò)的一個普遍特點。由于環(huán)境改變、電能、通信鏈路等等，為了保證其網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)通，拓撲就要根據(jù)實際情況實時地優(yōu)化調(diào)整。

2.4 以數(shù)據(jù)為中心

無線傳感網(wǎng)絡(luò)是一種任務(wù)網(wǎng)絡(luò)。用戶關(guān)心傳感器網(wǎng)絡(luò)收集的事件，而不關(guān)心網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，這種以數(shù)據(jù)為查詢、傳輸?shù)木€索的特點，即為一數(shù)據(jù)位中心，區(qū)別于計算機通信網(wǎng)，以地址為中心。因此，設(shè)計上，無線傳感網(wǎng)絡(luò)最耗電的環(huán)節(jié)一般是通信過程，受制于能源的有限，無線傳感網(wǎng)絡(luò)要在保證數(shù)據(jù)的同時，盡可能減少通信量。

2.5 協(xié)作執(zhí)行

通常無線傳感網(wǎng)絡(luò)需要協(xié)作地收集、處理、存儲、傳輸。傳感器間的節(jié)點在實現(xiàn)遠距通信的時候，可以多跳中繼轉(zhuǎn)發(fā)，可以多個節(jié)點協(xié)作發(fā)射。這種協(xié)作方式可以有效克服其處理、存儲能力不足。便于去完成復(fù)雜的任務(wù)。

3 無線傳感網(wǎng)絡(luò)組成

3.1 節(jié)點構(gòu)成

一般上，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點由處理器、無線電接收裝置、傳感器、AD轉(zhuǎn)換接口、能源供應(yīng)系統(tǒng)組成。處理器通常是嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成。如有需求，再進行擴展。

3.2 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

無線傳感網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點一般用飛機播撒、人工布置。其大部分是在感知對象內(nèi)部，或者附近。節(jié)點之間通過自組織，構(gòu)成無線傳感網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點可以對任意地點信息在任意時刻去采集、處理、分析，并且通過多跳中繼回傳給Sink節(jié)點，Sink節(jié)點的發(fā)射能力較強，電能充足，由它將數(shù)據(jù)傳送到遠程控制中心。因此，一個典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)包括傳感器節(jié)點、Sink節(jié)點、互聯(lián)網(wǎng)和擁護交互界面。

4 無線傳感網(wǎng)絡(luò)研究熱點

4.1 網(wǎng)絡(luò)自組織

由于應(yīng)用環(huán)境受限，無線傳感網(wǎng)絡(luò)需要自行部署。節(jié)點被放置后，就要進入自啟階段，發(fā)送信號，互相聯(lián)通，并與其它節(jié)點協(xié)同工作。其拓撲通常是三類，基于簇的分層結(jié)構(gòu)、基于網(wǎng)的平面結(jié)構(gòu)、基于鏈的線性結(jié)構(gòu)。各有利弊，用于不同情境。如果能合理地分配任務(wù)，必然能有效地延長整個網(wǎng)絡(luò)的壽命。

4.2 時間同步

在分布式無線傳感網(wǎng)絡(luò)里，大量節(jié)點協(xié)作共同完成一項檢測任務(wù)。時間同步是協(xié)同所必須的。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)中時間同步是通過服務(wù)器的時鐘為基準，去調(diào)整客戶端的時鐘。無線傳感網(wǎng)絡(luò)受到能源限制，在時間同步上應(yīng)盡量減小開銷，通常設(shè)計為需要時同步，其次節(jié)點數(shù)量多，拓撲動態(tài)變化，時間同步需要能夠適應(yīng)。

4.3 自適應(yīng)技術(shù)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)基于應(yīng)用，不同應(yīng)用場合要求的服務(wù)也不一樣，因此，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的要有自適應(yīng)能力，能夠自行根據(jù)環(huán)境調(diào)整，去提供能夠保證任務(wù)的質(zhì)量，同時又能控制功率。這種調(diào)度是一種動態(tài)的，需要較好的算法，而目前大多數(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計上還不能夠靈活地去調(diào)整，有一定局限性。

4.4 能源管理

傳統(tǒng)的無限網(wǎng)絡(luò)在MAC協(xié)議上以性能與可靠為核心，側(cè)重吞吐量、帶寬利用率、公平性、較少的延時。而無線傳感網(wǎng)絡(luò)首要考慮的不是質(zhì)量，而是節(jié)能，通常CSMA是自組織的無線傳感網(wǎng)絡(luò)常用的多址方式，主要是因為它易于實現(xiàn)，能提高大型網(wǎng)絡(luò)的信道復(fù)用率。而帶有應(yīng)答握手信號的循環(huán)冗余校驗這樣的通用的錯誤檢測可以靈活地結(jié)合數(shù)據(jù)鏈路層與網(wǎng)絡(luò)層，以滿足性能要求，達到期望的功耗水平。

5 總結(jié)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)具有廣闊的前景，它有傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)無法比擬的許多優(yōu)勢也因此廣泛應(yīng)用于生物棲息地監(jiān)控、森林防火、環(huán)境監(jiān)測、交通、救災(zāi)、軍事、個人監(jiān)護等等場合，特別是在軍事上。無線傳感網(wǎng)絡(luò)雖已經(jīng)取得很大成果，但現(xiàn)有的系統(tǒng)中還存在不少問題，理論也還不完善，問題還沒有完全解決。這仍屬于新興的研究領(lǐng)域值得繼續(xù)研究完善。

[1]劉敏鈺，吳 泳，伍衛(wèi)國.無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）研究[J].微電子學(xué)與計算機，2005，22（7）：58～61.

TN929.5

A

1004-7344（2016）17-0223-01

2016-5-20

陳圳（1996-），男，福建人，中南大學(xué)通信工程2013級本科生。