無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)綜述

杜宇+蘇曉軍

摘 要：在當(dāng)今的社會里面，傳感技術(shù)、嵌入技術(shù)、分布處理技術(shù)以及通信領(lǐng)域中的無線通信目前正處在一個迅猛發(fā)展的過程當(dāng)中，使得在同一個設(shè)備上面集成網(wǎng)絡(luò)、傳感、通信以及計算等功能的目標(biāo)能夠完成，無線傳感網(wǎng)絡(luò)就是把這些技術(shù)整合并加以應(yīng)用。本文在講解無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)展現(xiàn)狀和其組成的基礎(chǔ)上面，著重的講述了無線傳感網(wǎng)絡(luò)里面的非常重點的拓?fù)淇刂啤⒙酚蓴?shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)以及跨層設(shè)計、時間同步技術(shù)、媒體訪問控制以及鏈路控制、自定位技術(shù)以及目標(biāo)定位技術(shù)等主要的方法和技術(shù)手段。本文研究顯示，無線傳感網(wǎng)絡(luò)目前正朝著成本低、能耗小、安全可靠、性能高、操作簡單、智能化等目標(biāo)邁進(jìn)著，所以文章今后對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究具有較高的意義。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；綜述；發(fā)展歷程；體系結(jié)構(gòu)；關(guān)鍵技術(shù)

1 引言

近些年來，無線通信、微機技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)以及低功耗的嵌入式系統(tǒng)正在以飛快的速度向前發(fā)展著，并且在發(fā)展的過程中融合出一門新技術(shù)：無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。無線傳感器網(wǎng)路采用的標(biāo)準(zhǔn)也是IEEE的802.15.4的標(biāo)準(zhǔn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)集成了網(wǎng)絡(luò)、通信、傳感、計算等功能的傳感器節(jié)點所組成，其中節(jié)點之間的通信方式是自組織多跳的網(wǎng)絡(luò)，這些節(jié)點之間通過這種通信方式實現(xiàn)對所監(jiān)控對象的各種信息，最終還是經(jīng)過這種通信方式將所檢測到的信息發(fā)送給觀測者。

因為無線傳感網(wǎng)絡(luò)的電源的容量有一定的限制、節(jié)點的通信能力同樣有一定的限制、節(jié)點的計算能力有一定的限制、傳感器數(shù)量非常大而且無線傳感器布置的區(qū)域也非常的巨大、無線傳感網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)性非常的強、感知的數(shù)據(jù)流也格外的大、另外考慮到在無線傳感網(wǎng)絡(luò)里面都是以數(shù)據(jù)作為中心的，無線傳感網(wǎng)絡(luò)目前已經(jīng)是現(xiàn)代的各種通信技術(shù)里面的一種新興起的技術(shù)，無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在基礎(chǔ)的理論方面和工程技術(shù)方面兩個不同的層次上面對科研人員提出了許多的問題。本文先是講解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，再是研究無線傳感網(wǎng)絡(luò)里面的拓?fù)淇刂萍夹g(shù)、媒體訪問控制技術(shù)以及鏈路控制技術(shù)、路由與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)和跨層設(shè)計技術(shù)、時間同步技術(shù)、自定位技術(shù)以及目標(biāo)定位技術(shù)等十分重要的技術(shù)和手段。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的結(jié)構(gòu)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)里面最最根本的組成部分即為它的節(jié)點。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點最主要包括的是數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊還有控制模塊，以及無線通信模塊以及供電等模塊。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)采集模塊最主要的是檢測被檢測的地方里面對有用信息的收集以及數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換功能，其中最常用的為多種無線傳感器，它們的主要功能是感知外界環(huán)境并且為我們收集有利信息，模數(shù)轉(zhuǎn)換器能夠把監(jiān)測到的物理信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)處理模塊以及控制模塊可以控制所有的無線傳感器中的節(jié)點，而微處理器就是統(tǒng)籌協(xié)調(diào)各個節(jié)點里面各自的工作，我們最常選取的就是嵌入式中央處理器；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸模塊就是用于各個無線傳感器節(jié)點之間的無線通信的，它們可以交換和控制消息也可以收發(fā)和采集所需要的數(shù)據(jù)；而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的供電模塊就是為保障無線傳感器的節(jié)點的正常工作來提供它們所需要的能量。

2.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

無線傳感器中的節(jié)點所收集到的有用消息經(jīng)過多跳的轉(zhuǎn)發(fā)，最后把傳感器所收集到的有用消息發(fā)送給目標(biāo)用戶供其使用，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)構(gòu)架包括分布式的無線傳感節(jié)點組、匯集的主節(jié)點、傳輸媒質(zhì)以及客戶端。無線傳感網(wǎng)絡(luò)里面的節(jié)點通常都是采用人工安裝、飛行器拋撒等方法達(dá)到讓無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點隨意分散在待監(jiān)測的地方。把傳感網(wǎng)絡(luò)當(dāng)做中心，在傳感網(wǎng)絡(luò)的感知區(qū)域里面，許多無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點用無線自組網(wǎng)的形式來進(jìn)行通信，其中所有的無線傳感器節(jié)點都可以作為一個路由器，另外所有的無線傳感器節(jié)點都有著具備動態(tài)搜索、實時定位以及自主恢復(fù)聯(lián)接的能力，無線傳感器的節(jié)點會把它監(jiān)測的物理信息以初步的數(shù)據(jù)處理以及信息融合的形式傳遞給觀察者，信息傳送的方法是采用相鄰無線傳感器節(jié)點之間的接力傳遞，并且最后發(fā)送給基站，最后基站采用衛(wèi)星信道或者有線網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接方式發(fā)送給觀察者。

3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 拓?fù)淇刂?/p>

無線傳感網(wǎng)絡(luò)的總體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是由無線傳感網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)的模式?jīng)Q定的，可是要達(dá)到無線傳感網(wǎng)絡(luò)低功耗運行的目的，還要精細(xì)控制各個無線傳感器節(jié)點之間聯(lián)接關(guān)系的時變性?，F(xiàn)階段最基本的有三種拓?fù)淇刂?，分別是時間控制拓?fù)浼夹g(shù)、空間控制拓?fù)浼夹g(shù)以及邏輯控制拓?fù)浼夹g(shù)。時間控制拓?fù)浼夹g(shù)是利用對每個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的睡眠時間以及工作時間占空比的控制，來實現(xiàn)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的睡眠起始時間的調(diào)度，從而達(dá)到讓無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點交替工作的目的，以實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在有限的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之間切換的效果；空間控制拓?fù)浼夹g(shù)是利用控制無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點的發(fā)送功率來達(dá)到改變節(jié)點連通區(qū)域的目的，使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)顯示出不同的連通狀態(tài)，從而獲得控制無線傳感器節(jié)點能耗、提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)容量的效果；邏輯控制拓?fù)浼夹g(shù)是利用檢查無線傳感器節(jié)點的鄰居表把不“理想的”無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點排除在外，從而形成更加穩(wěn)固、更加可靠的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)里面，拓?fù)淇刂剖菫閷崿F(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的連通并且保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的信息高效的、可靠的傳輸。

3.2 媒體訪問控制和鏈路控制

媒體訪問控制和鏈路控制是為了解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)里面存在著的數(shù)據(jù)流沖突以及丟失的問題，根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)里面數(shù)據(jù)流的狀態(tài)達(dá)到控制臨近無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的目的，甚至在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)里面所有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的信道訪問順序以及方式，從而達(dá)到高效的利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的容量和降低其能耗的目的。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的媒體訪問控制層需要配合完成睡眠機制從而完成拓?fù)淇刂浦械臅r間控制和空間控制。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在復(fù)雜的鏈路控制一般是在復(fù)雜環(huán)境下的短距離鏈路，這就導(dǎo)致了與長距離的無線通信鏈路的特性完全不一樣，而相同環(huán)境下的無線射頻過渡區(qū)的寬度和通信距離的比卻要大的多，由此導(dǎo)致這種環(huán)境下短距離鏈路控制出現(xiàn)很復(fù)雜的不穩(wěn)定性。

3.3 路由與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)及跨層設(shè)計

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流向與因特網(wǎng)中數(shù)據(jù)流向相反：在因特網(wǎng)絡(luò)中，終端設(shè)備大多數(shù)是從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)里面得到信息的，但是在無線傳感網(wǎng)絡(luò)里面，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以從終端設(shè)備得到信息。因為在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中對能量利用的要求非常的嚴(yán)格，在大多數(shù)情況下選取介質(zhì)訪問控制層的信息來進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)無線傳感器節(jié)點、選擇數(shù)據(jù)流向。此外無線傳感網(wǎng)絡(luò)在任務(wù)發(fā)布的過程中一般會把任務(wù)的信息傳送至全部的無線傳感器節(jié)點，所以設(shè)計出來的高效數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議同樣為網(wǎng)絡(luò)層的研究重點。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)同樣可以提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳遞效率。在分布式的存儲網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)里面，一份數(shù)據(jù)一般會有不一樣的代理對它產(chǎn)生興趣，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)采用的是減少無線傳感器網(wǎng)絡(luò)里面數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)的方式，來達(dá)到提高網(wǎng)絡(luò)容量以及效率的目的。

3.4 時間同步技術(shù)

時間同步技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)里面實現(xiàn)信息采集的一個基本的技術(shù)手段，同樣是提高精度的不可缺少的方法。經(jīng)常采用的是利用時間同步協(xié)議實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中不同節(jié)點間的對時，利用濾波技術(shù)來減少噪聲以及漂移產(chǎn)生的不良影響。這一段時間，通過渦合振蕩器振蕩器同步技術(shù)完成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)同步的手段引起了大家濃厚的興趣，這是一個效率極高、能夠無限拓展的方法。

3.5 自定位和目標(biāo)定位技術(shù)

定位跟蹤技術(shù)有節(jié)點自定位技術(shù)以及在網(wǎng)絡(luò)區(qū)域里面的目標(biāo)定位跟蹤技術(shù)兩種技術(shù)手段。節(jié)點自定位技術(shù)指的是確定無線傳感器網(wǎng)絡(luò)里面所以節(jié)點的位置，而這恰恰為隨機組網(wǎng)的最終目標(biāo)。目標(biāo)定位跟蹤是一種室外經(jīng)常選取的自定位方法，可是它不但成本不低，而且在有遮擋區(qū)域有可能定位不準(zhǔn)確。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在一般情況下會選取結(jié)合這樣的定位技術(shù)和方法：手動安裝一小部分目標(biāo)點，而剩余點則會依據(jù)拓?fù)渑c距離之間的關(guān)系來估計它們的間接位置。目標(biāo)定位跟蹤技術(shù)是采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)里面?zhèn)鞲衅鞴?jié)點之間的配合來實現(xiàn)它們對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)里面的特定的目標(biāo)定位以及跟蹤技術(shù)，通常都是在無線傳感器節(jié)點定位的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的。

4 總結(jié)與展望

無線傳感網(wǎng)絡(luò)在日益的發(fā)展著，現(xiàn)在的設(shè)備越來越低功耗，高計算能力。自組網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也在漸漸受到人們的關(guān)注，同時也成為現(xiàn)在工業(yè)和學(xué)術(shù)界研究的一個重點和熱點。這篇文章對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展現(xiàn)狀和幾個關(guān)鍵性的技術(shù)問題做了詳細(xì)的介紹和匯總。在當(dāng)今社會中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究是一個很大的科學(xué)課題，它也有著很廣闊的應(yīng)用前景，甚至可以從根本上改變?nèi)藗兊纳罘绞健?