無線傳感器網(wǎng)絡(luò)若干關(guān)鍵技術(shù)的研究

袁建清?楊丹?姚念民

[摘 要]無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量具有數(shù)據(jù)感知、信息處理和無線通信能力的傳感節(jié)點(diǎn)組成，節(jié)點(diǎn)間以無線多跳的無中自方式連接，它集合了傳感測(cè)量、微電機(jī)系統(tǒng)、嵌入式計(jì)算以及網(wǎng)絡(luò)通信等多種學(xué)科，是一門新興綜合性科學(xué)技術(shù)。本文針對(duì)上述情況，對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上探討無線傳感器網(wǎng)絡(luò)若干關(guān)鍵技術(shù)。望以此促進(jìn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)若干關(guān)鍵技術(shù)研究與發(fā)展。

[關(guān)鍵詞]無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；關(guān)鍵技術(shù)；信息處理

一、導(dǎo)言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊，能廣泛應(yīng)用于軍事、環(huán)境檢測(cè)和預(yù)報(bào)、健康護(hù)理、智能家居、建筑物狀態(tài)監(jiān)控、復(fù)雜機(jī)械控制、城市交通、空間探索、危險(xiǎn)領(lǐng)域的檢測(cè)和檢查等，這些無一不要求及時(shí)，準(zhǔn)確、快捷的處理收集到的數(shù)據(jù)，并高效而準(zhǔn)確的將決策結(jié)果提交給用戶，課題所涉及的數(shù)據(jù)融合、聚簇協(xié)議、路由協(xié)議，都是針對(duì)大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域里的應(yīng)用的，因此研究的課題極具應(yīng)用價(jià)值。通過追蹤國內(nèi)外的最新研究成果，并進(jìn)一步的進(jìn)行研究具有重大的研究意義。

二、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)分析

1.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種無線自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)：它有幾十到上百甚至更多個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)，通過無線通信連接成的一個(gè)動(dòng)態(tài)、移動(dòng)的多跳對(duì)等網(wǎng)絡(luò)，通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和管理節(jié)點(diǎn)。大量節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)部或附近，能夠通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。具體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。傳感器節(jié)點(diǎn)在監(jiān)測(cè)區(qū)域中將感應(yīng)到的數(shù)據(jù)以某種方式通過無線通信方式傳輸給匯聚節(jié)點(diǎn)，然后通過其它通信鏈路最終到達(dá)用戶。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧如圖2所示，通過動(dòng)態(tài)路由和移動(dòng)管理技術(shù)在不可靠、不穩(wěn)定的信道上傳輸達(dá)到一定等級(jí)要求的信息流。

三、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)若干關(guān)鍵技術(shù)分析

1.基于簇頭繼承的傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇協(xié)議

通常聚簇協(xié)議將網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)可以分為普通節(jié)點(diǎn)和骨干節(jié)點(diǎn)，骨干節(jié)點(diǎn)對(duì)周圍的普通節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管轄。這類算法將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)劃分為相連的區(qū)域，一般又稱為分簇算法。骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)是簇頭節(jié)點(diǎn)，普通節(jié)點(diǎn)是簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)。分簇算法通常采用周期性的選擇簇頭節(jié)點(diǎn)的做法以均衡網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)能量消耗。無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)大致分為兩種：多跳簇結(jié)構(gòu)和單跳簇結(jié)構(gòu)。多跳聚簇協(xié)議形成的簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)與簇頭通信時(shí)需要通過其它非簇頭節(jié)點(diǎn)的中繼，簇頭從各簇內(nèi)部節(jié)點(diǎn)收集數(shù)據(jù)，融合后使用多跳通信將數(shù)據(jù)包發(fā)送到位于觀測(cè)區(qū)域中心的基站。它們往往沒有考慮能量消耗的均衡性，特別是對(duì)于那些靠近簇頭和基站的中繼節(jié)點(diǎn)；并且由于根據(jù)這些協(xié)議重新建簇的開銷過大，會(huì)進(jìn)一步縮短網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

2.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合的研究

數(shù)據(jù)融合技術(shù)通常是可以在傳感器網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)協(xié)議層進(jìn)行結(jié)合的。在應(yīng)用層對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的篩選，達(dá)到融合效果；在網(wǎng)絡(luò)層，很多路由協(xié)議結(jié)合了數(shù)據(jù)融合技術(shù)，比如分簇融合機(jī)制，從而可以將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信量分散化，避免沖突的發(fā)生；此外還有其它的融合機(jī)制，通過減少M(fèi)AC層的發(fā)送開銷和發(fā)送沖突來達(dá)到節(jié)省能量的目的，同時(shí)又不影響數(shù)據(jù)質(zhì)量。采用了分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)進(jìn)行傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收集過程，在應(yīng)用層進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，應(yīng)用層接口采用類SQL的查詢語言。一般提供了5個(gè)數(shù)據(jù)融合操作所需的基本操作符：計(jì)數(shù)（COIJNT），計(jì)算最小值，計(jì)算最大值，求和，求平均值。在應(yīng)用層使用分布式數(shù)據(jù)庫的技術(shù)，可以獲得易用性以及較高融合度的效果。

3.WSN 定位安全認(rèn)證技術(shù)研究

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由布置或拋灑在監(jiān)測(cè)對(duì)象所在的區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)通過自組織的方式快速構(gòu)成的一種無線網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都有自己控制的一個(gè)區(qū)域，通過嵌入到節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的感知設(shè)備，如視頻、音頻、溫度、濕度、聲音或光學(xué)設(shè)備，化學(xué)分析裝置以及電磁感應(yīng)裝置等，來對(duì)周圍感興趣的物理環(huán)境和事物進(jìn)行監(jiān)控，也可以通過配置一些專用的功能單元來實(shí)現(xiàn)與特定環(huán)境交互的功能。傳感器節(jié)點(diǎn)的通信距離一般較短，只能與自己傳輸半徑內(nèi)的其他傳感器節(jié)點(diǎn)（即鄰居節(jié)點(diǎn)或鄰居）交換數(shù)據(jù)。要訪問通信范圍以外的節(jié)點(diǎn)，必須使用多跳路由。因此，傳感器節(jié)點(diǎn)既是信息的采集和發(fā)出者，也是信息的轉(zhuǎn)發(fā)傳輸者，采集的傳感數(shù)據(jù)通過多跳路由到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是一個(gè)特殊的節(jié)點(diǎn)，可以通過 Internet、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星等與網(wǎng)絡(luò)控制中心進(jìn)行通信。

四、結(jié)語

綜上所述，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種全新的特殊的分布式系統(tǒng)能夠從它所處的環(huán)境中獲取若干種特征量，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程感知，從根本上改變了人類獲取信息、處理信息的過程，從這個(gè)意義上來說，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是人們延伸向它所處的自然環(huán)境中的觸角。

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