对于无线传感器网络的研究与分析(1)

对于无线传感器网络的研究与分析 摘要：无线传感器网络是近些年在国际上十分热门的、知识高度集成的前 沿热点研究领域。无线传感器网络主要包含了传感器技术、嵌人式计算技术、 现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术。是一门科学技术密集型的研 究领域。与传统网络相比，无线传感器网络是新型的传感器网络，它由具有感 知能力、计算能力和通信能力的大量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配置的网络系统。通过感知、采集和处理网络覆盖区域中 感知对象的信息，并且将获取的数据发给观察者。由于无线传感器网络具有强 大的数据获取和处理能力，因此无线传感器网络获得了广泛的应用，在军事、 医疗、工业等等领域取得了较好的社会效益和经济效益。本文就无线传感器网 络的结构、通讯联络以及使用情况做简单的分析。 1、无线传感器网络体系结构 （1）无线传感器网络的的结构组成 一个典型的传感器网络的系统结构，包括分布式传感器节点(群)、接收发 送器、互联网和用户界面等。其中，传感器网络节点的基本组成包括如下4个基 本单元：数据采集模块( 传感器、A/D 转换器) 、数据处理和控制模块( 微处 理器、存储器) 、无线通信模块( 无线收发器) 和供电模块( 电池、能量转换 器) 。 此外，可以选择的其他功能单元包括: 定位系统、移动系统以及电源自 供电系统等。 （2）无线传感器网络的工作原理 数据采集模块负责监测区域内信息的采集和数据转换，传感器用于感知、 获取外界的信息，被检测的物理信号决定了传感器的类型，A/D 转换器将物理 信号转换为数字信号; 数据处理和控制模块负责控制整个传感器节点的操作， 微处理器负责协调节点各部分的工作，通常选用嵌入式CPU；数据传输模块负责 与其他传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；供电模块为 传感器节点提供正常工作所必需的能量。在传感器网络中，节点可以通过飞机 布撒或人工布置等方式，大量部署在被感知对象附近。这些节点通过自组织方 式构成无线网络，以协作的方式实时感知、采集和处理网络覆盖区域中的信息， 并通过多跳网络将数据经由Sink节点(接收发送器)链路将整个区域内的信息传 送到远程控制管理中心。反之，远程管理中心也可以对网络节点进行实时控制 和操纵。 2、无线传感器网络的特点 (1)续航的有限性。由于无线传感器的网络的每个节点都是独立供电的，往 往都是采用电磁供电，电池天生存在续航的短板因此，无线传感器网络的某个 节点的电力用尽，节点就会停止正常工作。 (2)网络终端多。在无线传感器网络中，为了达到获取精确信息的目的，需 要在被监控区域布置大量的传感器节点，虽然大量的节点可以获得更多的信息， 提高信息的准确度，但是这样也增加了处理数据的难度。同时节点的管理也是 一个较为困难的问题。 (3)动态拓扑。无线传感器网络是一个动态的网络，因此在无线传感器网络 中的每一个节点可以随处移动1：即某个节点可能会因为电池能量耗尽或其他 故障，退出网络运行；也可能由于工作的需要而被添加到网络中。整个网络处 于一种动态的变化中，获取是一种主动的获取信息的能力，而不是被动的获取 信息，这是传统传感器所不具备的能力。 (4)自组织网络。在无线传感器网络应用中，通常情况下传感器节点的位置 不能预先精确设定。节点之间的相互邻居关系也不能预先知道，要求传感器能 有自组织能力，即节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为，节点开机 后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。2。 (5) 多跳路由。每个节点的联系范围是很有限的，但是如果控制中心需要 和某个特定的节点进行通讯，那么需要进行信息的转发，即每个节点既可以是 信息的发起者，也可以是信息的转发者。这也就是传感器的多跳路由功能。 (6)以数据为中心。传感器的数量是极为庞大的，但是每个节点的编号并不 是卫唯一的，节点是可以收集大量的信息，但并不是每个信息都是有效的信息。 需要将用户关心的数据进行传递，即无线传感器网络是依靠数据的，一切都是 以数据为中心，而不是传统的总线结构，是一种动态的网状结构。 三、无线传感器网络的研究热点和进展 目前对于无线传感器网络研究主要集中在以下几个方面。即网络通信协议、 网络管理技术、网络支撑技术。在网络通信协议上，研究重点是数据链路层MAC 协议和网络层路由协议；在网络管理技术层，研究的重点是收集数据的管理、 节能降耗问题以及网络通信安全的实现；在网络支撑技术层，主要研究节点定 位问题、时间同步技术的实现以及用户应用接口的实现问题。 1.MAC 协议 在传感区域内，成千上万的节点随机分布，MAC 协议要在节点之间建立链 路，保证所有的节点可以公平、有效的利用有限的带宽。传统的无线网络内， 主要的评价指标有吞吐量、带宽利用率、公平性和延时等，但是对于无线传感 器网络来说，电源效率是第一位的，有时甚至不惜牺牲其他方面，来获得更高 的电源效率。MAC 协议是一个非常活跃的研究领域，研究者已经提出了很多的 建议方案，这些协议可以大致划分为以随机竞争为基础和基于预约的媒体访问 控制协议。但在MAC 层是否能够进行数据融合以及如何进行数据融合是目前研 究较少的领域，还没有成熟的研究成果。 2.路由协议 路由协议的主要任务是在传感器节点和sink节点之间建立联系，进行数据 的交换。其首要设计原则是节省能量，延长网络系统的生存期。因此协议不能 太复杂、不能在节点保存太多的状态信息、节点间不能交换太多的路由信息。 优化网络节点，去除冗余的节点是目前这一领域的关键。近几年出现的比较新 的；路由协定主要是 能量感知路由、以数据为中心的路由、洪泛式路由、基于 地理位置的路由等等。但是路由协议依然有很多的地方需要优化，比如节能与 通信服务质量的平衡、信息传递的安全性等等。 3.节能降耗 我们从前面就知道。无线传感器网络是一个巨大、节点众多的网络。其工 作的电源主要是依赖于节点自身的电池所携带的能量。延长传感器的工作时间 也是一个热门领域。通过扩大电池的容量是一个有效地方法，但是这是治标不 治本的，最主要的还是提高能量利用率，降低功耗来解决续航的问题。 目前，这一领域的主要研究方向是提高传感器的智能化水平，通过传感器 自身休眠来节省能量。在需要的时候打开，不要的时候自适应的进行休眠。最 大程度的节省能量，延长工作时间，提高能量的利用率。 4.加密技术 无线传感器网络多用于军事、商业领域，而这些领域对于信息的安全性的 要求是极高的，因此在无线传感器的网络中，加密技术的研究也是一项重要的 技术。由于网线传感器网络是一种动态的拓扑网络，这样导致信息的传递是极 不稳定的，互联网说采用的全局加密和信息认证技术的使用是受限的，需要研 究和使用心得网络安全机制，研究出心得加密技术。 5.节点定位技术 由于其工作区域或者是人类不适合进入的区域，或者是敌对区域，传感器 节点需要通过飞行器抛撒于工作区域，节点的位置都是随机的。而节点所采集 到的数据必须结合其在测量坐标系内的位置信息才有意义，没有位置信息的数 据几乎没有利用价值3。一般采用的方法是少数节点预先配置或者通过GPS 得 知自身位置信息而作为信标节点，其他节点依靠信息计算出自身的绝对位置。 这一领域的研究主要是当前主要的研究难点是如何预先摆放一些信标节点，使 得普通节点的随机摆放可以取得更好效果。 小结： 无线传感器拥有广泛的用途，虽然目前无线传感器还有一些问题没有解决， 但是通过我们的研究，推进问题的解决，在未来的社会，无线传感器拥有巨大 的潜在市场。 参考文献： 1GILBERT JT，STINSON G A.A Hydraulic Cylinder Designfor Optimal Durability and ManufactureM SAE Special Publications，1985:29- 32 2马祖长,孙怡宁，梅涛.无线传感器网络综述J.通信学报,2004,04:114-1