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3个方面浅谈无线传感器网络

作者:时间:2017-10-24来源:网络收藏

  1.初识网络

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201710/368053.htm

  可分为两种。一种是有基础设施的网络,需要固定基站,比如手机通信这种无线蜂窝网就需要高大的天线和大功率基站来支持;一种是无基础设施网包括移动Ad Hoc网络和无线网络(WSN),这种网络节点是分布式的没有固定基站,注意它仍然是有基站的只是没有专门的固定基站。Ad Hoc网络指的是无线自组织网络,移动Ad Hoc网络的终端是快速移动的。而无线网络的节点是静止的或者移动很慢。无线网络的官方定义是WSN是由大量的静止或移动的以自组织和多跳的方式构成的。从中可以看出传感器网络主要负责的是数据采集、处理与传输三种功能,分别对应的是传感器技术、计算机处理技术和技术。由于传感器网络节点通信方式一般都是采用方式,故传感器网络代表的就是无线传感器网络。

  传感器网络中的部分节点或全部节点可以慢速移动,拓扑结构会随着节点的移动而不断地动态变化。节点之间是以Ad Hoc方式进行通信,每个节点都可以充当路由器的角色,并且都具备动态搜索、定位和恢复连接的能力。从用户的角度来看,无线传感器网络系统结构由传感器节点、汇聚节点(类似于网关)和管理节点组成。从网络功能来看每个传感器节点都具有信息采集和路由的双重功能,它不仅进行本地信息收集和数据处理外还要存储、管理和融合其他节点转发过来的数据,同时与其他节点协作完成一些功能。下图是传感器网络的一个系统原理图,大量的传感器节点分布在监测区域,通过自组织的方式构成网络,传感器节点对对探测信息进行初步处理后将以多跳中继的方式传送给汇聚节点,然后再通过卫星、互联网等途径将信息传给管理节点也就是终端用户。终端用户也可通过管理节点对传感器网络进行管理和配置,比如发布监测任务等。

  

  传感器节点由处理器、射频部分、探测部分组成,处理器完成计算与控制功能,射频部分完成传输功能,探测部分完成数据采集功能。汇聚节点则不需要探测部分,只要有处理器模块与射频模块即可。但是汇聚节点通常具有较强的处理器模块,包括增强的计算处理、存储处理、通信能力。它既可以是一个具有足够能量供给和更多内存资源与计算能力的增强型传感器节点,也可以是一个带有无线通信接口的网关设备(只负责数据转换)。它完成传感器网络与外部网络的数据交换。

  2.传感器网络的结构

  传感器网络的体系结构与TCP/IP相似也是5层协议,物理层负责载波频率的产生、信号调制、解调;数据链路层负责数据成帧、帧检测、介质访问、差错控制,介质访问保证可靠的点对点和点对多点通信差错控制保证源节点发出的信息可以完整无误地到达目标节点;网络层负责路由发现与维护,通常大多数节点无法直接与网关通信,而是需要依靠中间件节点以多跳路由的方式将数据传送至汇聚节点;传输层负责数据流的传输控制;应用层则负责具体应用,比如时间同步和定位。由于多个传感器常常需要相互配合完成某个任务,节点的休眠与唤醒也需要时钟同步,因此传感器节点间的时钟必须保持同步。定位是确定传感器节点的相对位置或绝对位置。此外应用层还需要提供应用服务接口与网络管理接口。

  根据传感器节点数目的多少可将传感器网络结构分为平面结构和分级结构。平面结构指的是所有节点都是地位平等的,源节点到目的节点之间一般存在多条路径,网络负荷由这些路径共同承担。但是当传感器节点数量增加时可以想象每个节点都需要不停的自组织网络与路由建立,而且由于所有的节点都有路由器的角色这样会使得太多节点参与路由,这样将会占用大量的带宽,影响网络数据的传输速率。还有一点那就是扩充性不好,新加一个节点需要让原有的所有节点都知道这个节点添加到网络里了,因此平面结构适合节点比较少的传感器网络。既然传感器节点需要维持一定的开销,那么如果我们将这个开销以分层的形式让一个传感器节点只需维持它所在的区域的网络拓扑,这样就可以减少开销了。分层结构就是这种思想它将传感器网络划分为多个簇,每个簇由一个簇头和多个簇成员组成,簇头则组成更高一级的一层网络。其实就类似于TCP/IP里子网的概念,路由器转发数据包是寻找网络号一样。传感器网络分级结构中簇头节点负责簇间数据的转发,簇成员则只是采集数据,这大大减少了网络中路由控制信息的数量,因此扩展性很好。簇头可以预先指定也可以由节点使用分簇算法自动选举产生。

  但是呢,没有任何事情是完美的。由于簇头需要综合整个簇间的数据与簇间的拓扑结构,而且簇头很难进入休眠状态,因此簇头需要消耗更多的能量。而传感器网络最头疼的就是能量的消耗了。分级结构比平面结构更加复杂,但是整体能量消耗减少了,因为只有簇头需要消耗很多能量,因此实用性较高。

  

  3.传感器网络的特点

  传感器网络与有很多相似的地方,但是同时也存在较大的差别。传感器网络是集成了监测、控制和无线通信的网络系统,节点数目很庞大,而且节点分布密集容易受环境和能量耗尽的影响。传感器网络节点更加容易出现故障,由于有节点出现故障或者新加入节点因此网络拓扑结构是不断变化的,通常情况下传感器节点是固定不动的。造成这些区别的最主要的原因是传感器网络与无线网络的侧重点不同。无线网络的首要目标是要提供高服务的质量以及网络利用率,而传感器网络的首要目标是在完成功能的情况下尽可能的节约能量和高效的使用能源。没办法,传感器节点由于环境因素因此供电能力有限,大部分情况下是只依靠电池供电,因此传感器网络中有一个核心的思想就是要节能。

  传感器节点消耗能量的模块有传感器模块、处理器模块和无线通信模块,随着一些工艺的进步,传感器模块和处理器模块能量消耗逐渐降低,大部分能量消耗集中在无线通信模块。在通信模块中消耗能量按从高往低是发送数据、接受数据、空闲侦听、睡眠状态,其中睡眠状态消耗能量极低。传感器节点除了能量受限外,通信能力和计算存储能力也受到了限制。这从传感器节点体积小、成本低可以体现出来。

  传感器网络的组网有自组织性、数据为中心、网络规模大和可靠性等特点。其中最主要的是自组织性,传感器节点放入工作环境中时没有预先指定的中心,各节点通过分布式算法来相互协调,在无人值守的情况下节点自组织成一个探测网络。由于没有中心,网络不会因为单个节点的脱离而受到伤害。这样传感器网络就建立起来了,接下来当有新节点加入、传感器节点出现故障或失效、传感器或感知对象或观察者进行移动时,传感器网络仍然可以自组织的建立新的通信网络。正是因为有这些优点,传感器网络在仍在飞速发展。



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