無線傳感網數據傳輸

◎張建強 王帥

無線傳感網數據傳輸

◎張建強 王帥

互聯網時代下，無線傳感器網絡快速發展，被廣泛應用到國防、電力、能源、農業等多個領域，憑借自身成本低、自組織性等優勢無線傳感器網絡受到了廣泛關注。但隨著其在實踐中的應用，無線傳感器網存在節點有限等缺陷，保持網絡對于數據感知準確性成為無線傳感網絡發展的重要問題。文章結合無線傳感網構成及特點，從關鍵技術等角度對無線傳感網數據傳輸進行探討，希望人們能夠進一步了解無線傳感網。

隨著微傳感技術、射頻技術等技術不斷發展，信息產業進入到無線傳感器網絡改革的第三次浪潮當中，對人類社會產生了深遠影響。在無線傳感網絡支持下，人與人、人與物之間溝通日漸便利，使得智慧地球成為現實。由傳感器節點構成的無線傳感器網絡，通過節點之間的相互協作，能夠為數據傳輸提供了極大的支持。

無線傳感網概述

無線傳感網體系結構可以分為網絡結構、硬件及軟件環境。一般來說，無線傳感網絡結構是由傳感器、匯聚及管理三個節點構成。節點是傳感網絡中最為重要的內容之一，其負責信息的收集和發送，且是信息的路由載體。通過互聯網等途徑，能夠實現與外界環境的信息溝通和交流。硬件環境是由硬件結構組成，如傳感器、數模信息轉換器、存儲器、射頻模塊以及為網絡節點提供電能的電源模塊等多種設備。而軟件涉及現有的嵌入式系統，如VxWorks、WinCE及QNX等。

相比較其他網絡，無線傳感網在實踐應用中具有獨特性，如規模化特點，傳感器的節點數量非常龐大，能夠達到上萬之多，對載體面積要求較高，如果在空間不大的載體上進行密集部署，需要允許大量冗余節點。動態性特點，傳感網是一種拓撲結構，由于傳感網絡中的傳感器、感知對象等都具備移動特點，因此要求傳感網絡具備適應的動態系統可重構性。數據特征性，網絡中的設備是整個網絡的唯一地址標識，要想訪問互聯網中的資源，需要將地址作為中心構建網絡。

無線傳感網絡數據傳輸

關鍵技術。網絡協議是無線傳感網的核心，通過MAC協議和路由協議，能夠進行具體、詳細的數據傳輸。正因如此，協議賦予了節點計算、存儲等多項能力，但也在一定程度上增加了網絡協議設計難度。網絡安全能夠保證數據傳輸安全性、任務執行機密性，提高對數據的處理水平。

拓撲控制是無線傳感網的關鍵技術，能夠減少節點能量，且能夠提高網絡延時。除此之外，時鐘同步、定位技術等也是傳感網數據傳輸的重要技術之一，如定位技術能夠對節點的位置信息進行定位，使得節點能夠進行隨機部署。在具體應用中，傳感網與分布式數據庫具有相似之處，能夠對網絡數據進行高效管理，為數據傳輸構建和諧的外部環境。將關鍵技術有機整合到一起，為數據傳輸奠定堅實的技術基礎。

數據采集。無線傳感網最簡單的采集方式是將采集到的數據定期發送到基站，基站進行離線處理。節點不會對數據信息進行處理，僅負責信息收集和發送任務。但是這種傳感器節點能耗具有有限性，無法滿足人們日漸提升的信息采集需求。對于大規模、高密度布置的無線傳感網，這種網外離線數據采集方式，通信開銷較大，對電能消耗過度，在一定程度上增加了信息傳輸成本。因此在具體應用中，要盡可能減少節點數量，以此來延長無線網絡壽命，避免節點之間的互相影響，最大限度上提高節點通信量。此外，還有一種基于模型的數據采集，通過有效的數據維度，將信息發送到基站，發送的信息并非實際測量值，而是一組權值，與實際數據比較來看，需要發送系數、權值的數量較少，通過分布式處理方式，能夠避免資源受限的限制。因此，還應對分布式感知數據建模問題進行關注，突破資源限制。

數據傳輸。無線傳感網數據傳輸建立在路由、傳輸協議基礎之上，底層為802.11無線網絡協議。大規模無線數據網絡回收過程中，可以將其中的節點劃分不同的子網絡，以此來拓展無線傳感網覆蓋范圍。針對無線傳感網的系統架構，當主網絡無法滿足需求時，可以轉移到子網絡上進行回收。具體來說：

首先，回收協議棧。傳感節點路由組網，能夠在很大程度上確保數據傳輸可靠性，通過樹路由協議，能夠對網絡層進行子網組網及數據包路由轉發，且提高傳輸層協議的控制，促使其能夠在應用層完成傳輸任務。

其次，MESH傳輸。該回收方式與上一種方式有所差別。MESH網絡回收建立在MESH-CA協議基礎之上，子網SINK節點子網能夠接受節點數據包，并將網關節點有機整合，實現主體之間的通信，最終將數據發送到服務器。

最后，上位機軟件。這種方式能夠真實、全面的反映拓撲結構，且能夠保存回收的數據信息，滿足用戶需求。通過多條組網，能夠將上位機軟件與SINK節點相連接，實現通訊目標。在系統運行過程中，用戶能夠通過SINK節點接收子網數據節點，且對數據進行顯示和回收，提高通信有效性。

根據上文所述，隨著我國國民經濟不斷發展，人們生活水平改善，電子終端產品成為人們生活和工作不可缺少的一部分，對于無線傳感網的數據傳輸要求更高，要求數據傳輸更加準確、快速。在未來，我們還要加大對無線傳感網絡數據傳輸的研究力度，增強網絡數據傳輸性能，滿足人們多元化需求，從而促進無線傳感網的綜合效益得到充分發揮。針對無線傳感網絡的研究多集中在通信商，忽略了其自身性能的限制。因此我們還需要從不同的角度給予更多關注。

（作者單位：山東省計算中心（國家超級計算濟南中心；山東省計算機網絡重點實驗室）

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