無線傳感網節能組網關鍵技術研究

王婷婷

摘 要：在互聯網日益深入到人們生活的同時，用戶對能隨時、隨地上網的需要已顯得日益迫切。無線局域網以其移動性、靈活性、易用性和擴充性等，不僅迅速成為網絡的一個非常重要的組成部分，而且其應用領域也隨著人們的生活水平的不斷提高在不斷地擴大。無線傳感器網絡作為無線網絡的一種，作為無線網絡的一種延伸，對未來智能化產業的發展至關重要。進而對無線傳感器網絡組網關鍵技術的研究，顯然已經成為無線傳感器網絡組網的重要一環，節能組網更是在此技術中的重中之重。

關鍵詞：無線網絡；傳感器網絡；節能；組網關鍵技術

伴隨著物聯網產業的發展，無線傳感器網絡成為信息科學領域中一個全新的發展發向，同時，無線傳感網也是新興學科與傳統學科進行領域間交叉的結果。無線傳感器網絡是一個自組網的網絡系統，這個系統中最重要的組成部分是傳感器節點。在無線傳感器網絡自組網的過程中用網絡拓撲技術來制定網絡布局的合理性與生存性，而在無線設備的通信過程中用到了路由控制技術，在進行數據處理過程中用到了數據融合技術，對多個節點進行數據傳送來說時間同步又是必不可少的。

1 無線傳感器網絡組網體系結構

當前，傳感器技術、通信技術、計算機技術構成了現代信息技術的三大基礎，無線傳感網將這三種技術結合在一起，實現對信息采集、傳輸和處理一體化與自動化。無線傳感器網絡是由一組部署在監測區域內、具有無線通信計算能力的大量廉價微型傳感器節點組成，每個傳感器節點既相當于路由器又相當于終端的雙功能，由此除可以進行一些基本信息采集與處理能力外，還具有對其他節點發送來的數據匯聚和融合的處理能力，而在一些特殊需求方面傳感器節點就需要與其他一些傳感器節點密切合作才能完成。普通傳感器節點被大量分派到任務區域中，每個節點覆蓋較小的作用范圍，其作用是收集該區域內有用的信息，然后通過多跳路由的方式，把分析處理后的信息發給匯聚節點；匯聚節點把收集到的信息通過匯聚鏈路傳送到網絡邊界，再通過互聯網、通信網絡和WLAN等方式，將收集到的數據傳送到本次任務的終點即任務管理節點，任務管理節點對收集到的信息進行分析處理，任務控制節點是直接面向用戶，而用戶是信息的接受著、應用者，由其最終對感知的信息進行分析判斷，制定決策，并采取具體的措施。

2 無線傳感器網絡自組網的關鍵技術

2.1 網絡拓撲技術

因為無線傳感器網絡具有自組網特性，所以網絡拓撲的設計功能優化與否意義重大。實用的網絡拓撲結構在使用中應滿足：提高網絡能量效率、提高網絡通信效率、提高路由協議效率、提高數據融合效率、提高網絡可擴展性、確保網絡可靠性等方面的優勢。

簡潔的拓撲控制機制不但能夠優化網絡拓撲結構，而且能夠減少能耗進而提高路由協議和MAC協議的效率，減少數據融合難度，從而延長網絡的生存周期。通過控制功率和骨干網節點數目，刪除節點的無線通信鏈路冗余，以此得到一個高效、簡潔且能夠進行數據融合的網絡拓撲結構。這樣可以從控制網絡拓撲節點的有效功率和層次結構這兩方面入手，功率控制機制指的是在網絡的連通度不受影響的情況下，優減網絡中每個節點發射功率，簡化節點之間的無線通信鏈路；層次型拓撲控制可使用一些節點作為簇頭節點，簇頭節點的形成過程中使用了骨干網絡的數據轉發機制，其他非骨干網絡節點可以屏蔽通信進入休眠狀態，從而達到節能目的。

2.2 路由控制技術

優化的無線傳感器網絡具有節點具有低能量耗、以數據為中心、多對一傳輸、高數據冗余和應用相關等特征。在網絡運行中，有一些如能量、帶寬、處理功耗等資源，這些資源都是在不斷發生動態變化的，因此系統要根據網絡發生動態變化的實際情況對自身的功能進行相關的調整，因為對于隨時變換的網絡拓撲結構來說，要維持路由表的正常運行需要耗費大量的能量、時間、金錢等，所以對無線傳感器網絡而言擁有適合自己網絡拓撲的路由控制協議是非常必要的。

路由協議的作用是在進行數據轉發時，路由源節點利用網絡的轉發功能將數據轉發到目的節點。在數據轉發方面主要有兩個方面的考慮：其一是尋找源節點與目的節點間最適合路徑進行數據轉發方式。此類網絡路由協議的任務是尋找源節點到目的節點間最小通信路徑，同時提高網絡的利用率以達到減免擁塞的作用，但對傳感器網絡的能量消耗這一方面沒有考慮到。其二是無線傳感器網絡中能耗問題，傳感節點的能量有限，在這種情況下若沒有及時補充能量將影響網絡的整體連通性，所以路由協議的設計需要做到高效利用能量。

2.3 數據融合技術

對大多數自組網的無線傳感器網絡而言，在其實際應用中需要高密度地部署大量傳感器節點。由于傳感器節點的能量源有限，在傳感器網絡中，基層的傳感器節點只負責一些簡單數據采集和傳輸，而對于高一級的傳感器匯聚節點來說，不僅涉及數據采集，還要負責對大量的基層節點采集來的數據進行分類匯總。在此過程中信息匯總是對大量信息融合過程。在傳感器網絡中當節點的部署密度很大時，傳感器收集到的數據會存在冗余重復，即多個相鄰的傳感器節點采集到相同的息。為了節省傳感器節點的能量，有必要去除掉這些重復的信息，來減少數據傳輸。在具有成千上萬的傳感器節點的網絡中，數據融合能夠很好的去除這些多余的信息，使得傳遞信息量變小。從而進行差錯處理，進而保留有用的信息成分，最終實現信息的優減。由于傳感器節點在數據傳送中存在易失效性和能量有限性，所以巧妙利用傳感器網絡的數據融合技術進行多數據的綜合處理，這對提高信息傳送的準確度和節省能量是非常重要的。數據融合的關鍵在于，如何保證數據關聯性，還有數據轉換能力，及數據進行邏輯推理和連接關聯數據庫等。