无线传感器网络浅谈.doc

王露瑶 16111206031无线传感器网络浅谈摘要：随着人们对物理世界的建设与完善，对未知领域与空间的拓展，人们需要的信息来源、种类、数量不断增加，这对信息的获取方式提出了更好的要求。在人类历史发展的很长一段时间内，人是通过视觉、听觉、嗅觉等方式对物理世界的本能感知已远远不能满足信息时代的发展要求。传感器作为连接物理世界与电子世界的重要媒介，在信息化的过程中发挥了关键的作用，大大的提高了人类认识世界和改造世界的能力。如果说互联网构成了逻辑上的信息世界，改变了人与人之间的沟通方式，那么，无线传感网络就是将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起，改变人与自然界的交互方式。人们可以通过传感网络直接感知客观世界，从而极大地扩展现有网络的功能和人类认识世界的能力。关键词：传感器 无线传感网络 基本概念 体系结构 协议测评 应用一、无线传感网络的概念无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)是一种分布式传感网络，它的末梢是可以感知和检查外部世界的传感器。WSN中的传感器通过无线方式通信，因此网络设置灵活，设备位置可以随时更改，还可以跟互联网进行有线或无线方式的连接。通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。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。二、无线传感网络的基本特点（1）节点的可移动性、通信的断接性。由于传感网络具有自组网和自动路由的特性 ，故其常常用于一些可以移动的领域，比如位于地面以下的矿井人员定位系统等。另一方面，可移动的特性、采集数据的间隔性等使得网络节点再通信时并不需要进行连续的数据传输（2）通信能力有限。传感器网络节点的通信带宽窄而且经常变化，通信覆盖范围只有几十到几百米。传感器之间的通信断接频繁，经常导致通信失败。此外传感器网络更多地受到高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响，传感器可能会长时间脱离网络，离线工作。如何在有限通信能力的条件下高质量地完成感知信息的处理与传输，是设计传感器节点的重要问题。（3）电源能量有限。传感器的电源能量极其有限，网络中的传感器节点由于电源能量的原因经常失效或废弃。由于传感器网络中的节点数量大、分布范围广，采用电池供电的节点受到电源能量约束的问题比较严重。（4）计算能力有限。传感器网络中的智能传感器内部都具有嵌入式处理器和存储器，因此都具有计算能力，可以完成一些信息处理工作。由于嵌入式处理器和存储器的能力和容量有限，智能传感器本身的计算能力也是有限的。（5）传感器数量大、分布范围广。传感器网络中传感器节点密集、数量巨大，可能达到几百、几千万甚至更多。此外传感器网络可以分布在很广泛的地理区域，冗余性强但维护起来很困难。（6）网络动态性强。传感器网络具有很强的动态性，网络中的传感器、感知对象和观察者这三个要素都可能具有移动性，并且经常有新节点加入或已有节点失效。因此，网络的拓扑动态变化，传感器、感知对象和观察者三者之间的路径也随之变化。（7）感知数据流巨大。传感器网络中的每个传感器通常都产生一定数量流式数据，并具有实时性，由于节点数量巨大，在汇聚时会成倍的增加数据量。因此在后期处理时需要投入大量的技术和人力。三、无线传感网络的体系结构无线传感网络（WSN）是由大量的密集部署在监控区域的智能传感器节点构成的一种网络应用系统。由于传感器节点数量众多，部署时只能采用随机投放的方式，传感器节点的位置不能预先确定；在任意时刻，节点间通过无线信道连接，采用多跳、对等的通信方式，自组织网络拓扑结构；传感器节点间具有很强的协同能力，通过局部的数据采集、预处理以及节点间的数据交换来完成全局任务。无线传感网的系统是由大量功能相同或不同的无线传感器节点、接收发送器(Sink)、Internet或通信卫星、任务管理节点等部分组成的一个多跳的无线网络。传感器节点散布在指定的感知区域内，每个节点都可以收集数据，并通过多跳路由方式把数据传送到Sink。Sink也可以用同样的方式将信息发送给各节点。Sink直接与Internet或通信卫星相连，通过Internet或通信卫星实现任务管理节点（即观察者）与传感器之间的通信。无线传感网的体系节后由通信协议、WNS管理以及应用支撑技术3部分组成。四、无线传感器网络的能耗问题无线传感器网络不同于其他传统网络，属于一种资源受限网络，网络节点的计算能力、存储量和能量都非常有限，尤其是能量的受限，数目巨大、分布范围广的传感器节点补充能量非常困难，一旦节点的电源耗尽会直接影响整个网络功能的实现，因此可以说能量问题是决定传感器网络是否实用的生命线问题。延长网络系统的生存期，高效使用节点的能量成为传感器网络的首要设计目标。无线传感器网络包括应用层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件；网络层负责网络协议生成、路由选择；数据链路层负责差错控制、数据成帧和媒体访问控制；物理层主要包括无线收发和信号调制调解。数据链路层的媒体访问控制和物理层基本决定了硬件模块的具体架构。低功耗设计是一个跨层的设计技术，合理的低功耗设计不仅能提高各层的能量效率，还能提高网络层、数据链路层和物理层的性能。在设计无线传感器网络的MAC协议时，需要同时考虑网络效率、拓展性和能量节省；在不牺牲系统性能的前提下，设计物理层时要降低节点的发射功率，从而降低节点的能耗。五、无线传感网络的协议测评随着无线传感器网络研究的不断深入，应用化已经逐渐成为人们关注的焦点。各种在特定应用背景下的研究层出不穷，如环境监测、目标跟踪、安全监控等。与传统的网络相比，无线传感器网络所包含的节点数量巨大，应用环境复杂多变，如何对这些应用研究进行验证和测试，以保证其在实际工作中稳定高效，已经成为亟待解决的问题。 目前大多数研究都通过理论分析和计算机模拟的方法进行验证和测试。理论分析的方法虽然可以进行多个同类协议的比较，但数学模型的构建由于计算机复杂度过高，在应用这些模型解决实际问题时需要做大量简化，从而降低了理论性能分析的可信度。现有的模拟工具则由于难以真实体现无线通信的不稳定性，其验证的结果也无法令人满意。而通过传感器结点建立网络测试平台，可以在实际应用过程中验证测试网络的协议和算法，不仅比较全面地包含了影响网络状态的各个因素，而且也避免了因模型简化导致的理论误差。因此无线传感器网络的平台测试技术越来越被人们所关注。六、无线传感网络的应用无线传感网络具有无需固定设备支撑的特点，可以快速部署，同时具有易于组网、不受有线网络的约束，使其适合应用于难以使用传统有线通信机制的恶劣环境，比如一些危险的工业环境如煤矿、核电厂等，工作人员可以通过它来实施实时、高效地安全监测；同时无线传感器可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏，因此可以被应用无水资源、大气等环境监测；随着无线终端设备的广泛使用，无线传感网络利用通信技术高效地进行异构传感网络互连，数据处理和融合，可被广泛地应用于军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物状态监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理，以