無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)方案構(gòu)建的幾大要點(diǎn)

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種無(wú)中心節(jié)點(diǎn)的全分布系統(tǒng)。通過(guò)隨機(jī)投放的方式，眾多傳感器節(jié) 點(diǎn)被密集部署于監(jiān)控區(qū)域。這些傳感器節(jié)點(diǎn)集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊，它們 通過(guò)無(wú)線(xiàn)通道相連，自組織地構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

傳感器節(jié)點(diǎn)借助于其內(nèi)置的形式多樣的傳感器，測(cè)量所在周邊環(huán)境中的熱、紅外、聲吶、雷達(dá)和地震波信號(hào)，也包括溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)度、壓力、土壤成分、移動(dòng)物體的大小、速度和方向等眾多人們感興趣的物理現(xiàn)象。傳感器節(jié)點(diǎn)間具有良好的協(xié)作能力，通過(guò)局部的數(shù)據(jù)交換來(lái)完成全局任務(wù)。

由于傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)特點(diǎn)的要求，多跳、對(duì)等的通信方式較之傳統(tǒng)的單跳、主從通信方式更適合于無(wú) 線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)還可有效避免在長(zhǎng)距離無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳播過(guò)程中遇到的信號(hào)衰落和干擾等問(wèn) 題。通過(guò)網(wǎng)關(guān)，傳感器網(wǎng)絡(luò)還可以連接到現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上，從而將采集到的信息回傳 給遠(yuǎn)程的終端用戶(hù)使用。 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)具有以下的特點(diǎn)。

(1)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)

為了獲取精確信息，在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)通常部署大量傳感器節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量可能達(dá)到 成千上萬(wàn)，甚至更多。

傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模性包括兩方面的含義：

一方面是傳感器節(jié)點(diǎn)分布 在很大的地理區(qū)域內(nèi)，如在原始大森林中采用傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行森林防火和環(huán)境監(jiān)測(cè)，需要部署大量的傳感器節(jié)點(diǎn)；

另一方面，傳感器節(jié)點(diǎn)部署很密集，在一個(gè)面積不是很大的空間內(nèi)， 密集部署了大量的傳感器節(jié)點(diǎn)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模性具有如下優(yōu)點(diǎn)：通過(guò)不同空間視角獲 得的信息具有更大的信噪比；通過(guò)分布式處理大量的采集信息能夠提高監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度，降低 對(duì)單個(gè)節(jié)點(diǎn)傳感器的準(zhǔn)確度要求；大量冗余節(jié)點(diǎn)的存在，使得系統(tǒng)具有很強(qiáng)的容錯(cuò)性能；大 量節(jié)點(diǎn)能夠增大覆蓋的監(jiān)測(cè)區(qū)域，減少盲區(qū)。

(2)自組織網(wǎng)絡(luò)

在傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，通常情況下傳感器節(jié)點(diǎn)被放置在沒(méi)有基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的地方。傳感器節(jié) 點(diǎn)的位置不能預(yù)先精確設(shè)定，節(jié)點(diǎn)之間的相互鄰居關(guān)系預(yù)先也不知道，如通過(guò)飛機(jī)播撒大量 傳感器節(jié)點(diǎn)到面積廣闊的原始森林中，或隨意放置到人不可到達(dá)或危險(xiǎn)的區(qū)域。

這樣就要求 傳感器節(jié)點(diǎn)具有自組織的能力，能夠自動(dòng)進(jìn)行配置和管理，通過(guò)拓?fù)淇刂茩C(jī)制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自 動(dòng)形成轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的多跳無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 在傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用過(guò)程中，部分傳感器節(jié)點(diǎn)由于能量耗盡或環(huán)境因素造成失效，也有 一些節(jié)點(diǎn)為了彌補(bǔ)失效節(jié)點(diǎn)、增加監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度而補(bǔ)充到網(wǎng)絡(luò)中，這樣在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)就動(dòng)態(tài)地增加或減少，從而使網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨之動(dòng)態(tài)地變化。傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織性 要能夠適應(yīng)這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化。

(3)多跳路由

網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)通信距離有限，一般在幾十到幾百米范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)只能與它的鄰居直接通信。如果希望與其射頻覆蓋范圍之外的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，則需要通過(guò)中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由。網(wǎng)絡(luò) 的多跳路由使用網(wǎng)關(guān)和路由器來(lái)實(shí)現(xiàn)，而無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的多跳路由是由普通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)完成的，沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的路由設(shè)備。這樣每個(gè)節(jié)點(diǎn)既可以是信息的發(fā)起者，也可以是信息的轉(zhuǎn) 發(fā)者。

(4)動(dòng)態(tài)性網(wǎng)絡(luò)

傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能因?yàn)橄铝幸蛩囟淖儯?/p>

①環(huán)境因素或電能耗盡造成的傳感器 節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障或失效；

②環(huán)境條件變化可能造成無(wú)線(xiàn)通信鏈路帶寬變化，甚至?xí)r斷時(shí)通；

③傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器、感知對(duì)象和觀察者這三要素都可能具有移動(dòng)性；

④新節(jié)點(diǎn)的加入。 這就要求傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)要能夠適應(yīng)這種變化，具有動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)可重構(gòu)性。

(5)可靠的網(wǎng)絡(luò)傳感器網(wǎng)絡(luò)

可靠的網(wǎng)絡(luò)傳感器網(wǎng)絡(luò)特別適合部署在惡劣環(huán)境或人類(lèi)不宜到達(dá)的區(qū)域，傳感器節(jié)點(diǎn)可能工作在露天環(huán)境中，遭受太陽(yáng)的暴曬或風(fēng)吹雨淋，甚至遭到無(wú)關(guān)人員或動(dòng)物的破壞。傳感器節(jié)點(diǎn)往往 采用隨機(jī)部署，如通過(guò)飛機(jī)播撒或發(fā)射“炮彈”到指定區(qū)域進(jìn)行部署。

這些都要求傳感器節(jié)點(diǎn)非常堅(jiān)固，不易損壞，適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境條件。 由于監(jiān)測(cè)區(qū)域環(huán)境的限制以及傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目巨大，不可能人工“照顧”到每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)十分困難甚至不可維護(hù)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信保密性和安全性也十分重要，要防止監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)被盜取和獲取偽造的監(jiān)測(cè)信息。因此，傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟硬件必須具有魯 棒性和容錯(cuò)性。

(6)以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)

傳感器網(wǎng)絡(luò)是任務(wù)型的網(wǎng)絡(luò)，脫離傳感器網(wǎng)絡(luò)談?wù)搨鞲衅鞴?jié)點(diǎn)沒(méi)有任何意義。傳感器網(wǎng) 絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)采用節(jié)點(diǎn)編號(hào)標(biāo)志，節(jié)點(diǎn)編號(hào)是否需要全網(wǎng)唯一取決于網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的設(shè)計(jì)。由于傳感器令點(diǎn)隨機(jī)部署，構(gòu)成的傳感器網(wǎng)絡(luò)與節(jié)點(diǎn)編號(hào)之間的關(guān)系是完全動(dòng)態(tài)的，表現(xiàn)為節(jié)點(diǎn)編號(hào)與節(jié)點(diǎn)位置沒(méi)有必然聯(lián)系。用戶(hù)使用傳感器網(wǎng)絡(luò)查詢(xún)事件時(shí)，直接將所關(guān)心的事件通 告給網(wǎng)絡(luò)，而不是通告給某個(gè)確定編號(hào)的節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)在獲得指定事件的信息后匯報(bào)給用戶(hù)。

這種以數(shù)據(jù)本身作為査詢(xún)或傳輸線(xiàn)索的思想更接近于自然語(yǔ)言交流的習(xí)慣。所以通常說(shuō)傳感 器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。 例如，在應(yīng)用于目標(biāo)跟蹤的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，跟蹤目標(biāo)可能出現(xiàn)在任何地方，對(duì)目標(biāo)感興 趣的用戶(hù)只關(guān)心目標(biāo)出現(xiàn)的位置和時(shí)間，并不關(guān)心哪個(gè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到目標(biāo)。事實(shí)上，在目標(biāo)移 動(dòng)的過(guò)程中，必然是由不同的節(jié)點(diǎn)來(lái)提供目標(biāo)的位置消息的。

(7)應(yīng)用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)

傳感器網(wǎng)絡(luò)用來(lái)感知客觀物理世界，獲取物理世界的信息量?？陀^世界的物理量多種多 樣，不可窮盡。不同的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用關(guān)心不同的物理量，因此對(duì)傳感器的應(yīng)用系統(tǒng)也有多 種多樣的要求。不同的應(yīng)用背景對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求不同，其硬件平臺(tái)、軟件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié) 議必然會(huì)有很大差別。所以傳感器網(wǎng)絡(luò)不能像因特網(wǎng)一樣，有統(tǒng)一的通信協(xié)議平臺(tái)。

對(duì)于不同的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用雖然存在一些共性問(wèn)題，但在開(kāi)發(fā)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，更關(guān)心傳感器網(wǎng) 絡(luò)的差異。只有讓系統(tǒng)更貼近應(yīng)用，才能做出最髙效的目標(biāo)系統(tǒng)。針對(duì)每一個(gè)具體應(yīng)用來(lái)研 究傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，這是傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的顯著特征。