無線傳感器網絡的特點及關鍵技術

時間：2024-09-14 11:34:30 網絡技術

無線傳感器網絡的特點及關鍵技術

　　無線傳感器網絡被普遍認為是二十一世紀最重要的技術之一，是目前計算機網絡、無線通信和微電子技術等領域的研究熱點。下面YJBYS小編為大家搜索整理了關于無線傳感器網絡的特點及關鍵技術，歡迎參考閱讀！

　　一、無線傳感器網絡的特點

　　與其他類型的無線網絡相比，傳感器網絡有著鮮明的特征。其主要特點可以歸納如下：

　　（一）傳感器節點能量有限。當前傳感器通常由內置的電池提供能量，由于體積受限，因而其攜帶的能量非常有限。如何使傳感器節點有限的能量得到高效的利用，延長網絡生存周期，這是傳感器網絡面臨的首要挑戰。

　　（二）通信能力有限。無線通信消耗的能量與通信距離的關系為E=kdn。其中，參數n的取值為2≤n≤4，n的取值與許多因素有關。但是不管n具體的取值，n的取值范圍一旦確定，就表明，無線通信的能耗是隨著距離的增加而更加急劇地增加的。因此，在滿足網絡連通性的要求下，應盡量采用多跳通信，減少單跳通信的距離。通常，傳感器節點的通信范圍在100m內。

　　（三）計算、存儲和有限。一方面為了滿足部署的要求，傳感器節點往往體積小；另一方面出于成本控制的目的，節點的價格低廉。這些因素限制了節點的硬件資源，從而影響到它的計算、存儲和通信能力。

　　（四）節點數量多，密度高，覆蓋面積廣。為了能夠全面準確的監測目標，往往會將成千上萬的傳感器節點部署在地理面積很大的區域內，而且節點密度會比較大，甚至在一些小范圍內采用密集部署的方式。這樣的部署方式，可以讓網絡獲得全面的數據，提高信息的可靠性和準確性。

　　（五）自組織。傳感器網絡部署的區域往往沒有基礎設施，需要依靠傳感器節點協同工作，以自組織的方式進行網絡的配置和管理。

　　（六）拓撲結構動態變化。傳感器網絡的拓撲結構通常是動態變化的，例如部分節點故障或電量耗盡退出網絡，有新的節點被部署并加入網絡，為節約能量節點在工作和休眠狀態間進行切換，周圍環境的改變造成了無線通信鏈路的變化，以及傳感器節點的移動等都會導致傳感器網絡拓撲結構發生變化。

　　（七）感知數據量巨大。傳感器網絡節點部署范圍大、數量多，且網絡中的每個傳感器通常都產生較大的流式數據并具有實時性，因此網絡中往往存在數量巨大的實時數據流。受傳感器節點計算、存儲和帶寬等資源的限制，需要有效的分布式數據流管理、查詢、分析和挖掘方法來對這些數據流進行處理。

　　（八）以數據為中心。對于傳感器網絡的用戶而言，他們感興趣的是獲取關于特定監測目標的真實可靠的數據。在使用傳感器網絡時，用戶直接使用其關注的事件作為任務提交給網絡，而不是去訪問具有某個或某些地址標識的節點。傳感器網絡中的查詢、感知、傳輸都是以數據為中心展開的。

　　（九）傳感器節點容易失效。由于傳感器網絡應用環境的特殊性以及能量等資源受限的原因，傳感器節點失效（如電池能量耗盡等）的概率遠大于傳統無線網絡節點。因此，需要研究如何提高數據的生存能力、增強網絡的健壯性和容錯性以保證部分傳感器節點的損壞不會影響到全局任務的完成。此外，對于部署在事故和自然災害易發區域的無線傳感器網絡，還需要進一步研究當事故和災害導致大部分傳感器節點失效時如何最大限度地將網絡中的數據保存下來，以提供給災害救援和事故原因分析等使用。

　　二、關鍵技術

　　無線傳感器網絡作為當今信息領域的研究熱點，設計多學科交叉的研究領域，有非常多的關鍵技術有待研究和發現，下面列舉若干。

　　（一）網絡拓撲控制。通過拓撲控制自動生成良好的拓撲結構，能夠提高路由協議和MAC協議的效率，可為數據融合、時間同步和目標定位等多方面奠定基礎，有利于節省能量，延長網絡生存周期。所以拓撲控制是無線傳感器網絡研究的核心技術之一。目前，拓撲控制主要研究的問題是在滿足網絡連通度的前提下，通過功率控制或骨干網節點的選擇，剔除節點之間不必要的通信鏈路，生成一個高效的數據轉發網絡拓撲結構。

　　（二）介質訪問控制（MAC）協議。在無線傳感器網絡中，MAC協議決定無線信道的使用方式，在傳感器節點之間分配有限的無線通信資源，用來構建傳感器網絡系統的底層基礎結構。MAC協議處于傳感器網絡協議的底層部分，對傳感器網絡的性能有較大影響，是保證無線傳感器網絡高效通信的關鍵網絡協議之一。傳感器網絡的強大功能是由眾多節點協作實現的。多點通信在局部范圍需要MAC協議協調其間的無線信道分配，在整個網絡范圍內需要路由協議選擇通信路徑。

　　在設計MAC協議時，需要著重考慮以下幾個方面：

　　（1）節省能量。傳感器網絡的節點一般是以干電池、紐扣電池等提供能量，能量有限。

　　（2）可擴展性。無線傳感器網絡的拓撲結構具有動態性。所以MAC協議也應具有可擴展性，以適應這種動態變化的拓撲結構。

　　（3）網絡效率。網絡效率包括網絡的公平性、實時性、網絡吞吐量以及帶寬利用率等。

　　（三）路由協議。傳感器網絡路由協議的主要任務是在傳感器節點和Sink節點之間建立路由以可靠地傳遞數據。由于傳感器網絡與具體應用之間存在較高的相關性，要設計一種通用的、能滿足各種應用需求的路由協議是困難的，因而人們研究并提出了許多路由方案。

　　（四）定位技術。位置信息是傳感器節點采集數據中不可或缺的一部分，沒有位置信息的監測消息可能毫無意義。節點定位是確定傳感器的每個節點的相對位置或絕對位置。節點定位分為集中定位方式和分布定位方式。定位機制也必須要滿足自組織性，魯棒性，能量高效和分布式計算等要求。

　　（五）數據融合。傳感器網絡為了有效的節省能量，可以在傳感器節點收集數據的過程中，利用本地計算和存儲能力將數據進行融合，取出冗余信息，從而達到節省能量的目的。

　　（六）安全技術。安全問題是無線傳感器網絡的重要問題。由于采用的是無線傳輸信道，網絡存在偷聽、惡意路由、消息篡改等安全問題。同時，網絡的有限能量和有限處理、存儲能力兩個特點使安全問題的解決更加復雜化了。

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