无线传感器网络综述

无线传感器网络综述

摘要：传感器网络是目前国内外的最新研究热点，具有广阔的应用前景，

将是未来社会应用最广的网络，本文主要介绍了无线传感器网络的概念、体系结构、特点、通信结构及应用领域。

关键词：无线传感器网络 体系结构 应用

0.引言

近年来随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的发展，作为现代信息获取的重要技术之一，传感器技术而日益成熟，这些小型传感器一般称作sensor node（传感器节点）或者mote（灰尘）。

无线传感器网络(wireless Sensor Networks，WSN) 就是由大量的密集部署在监控区域的智能传感器节点构成的一种网络应用系统[1]。由于传感器节点数量众多，部署时只能采用随机投放的方式，传感器节点的位置不能预先确定；在任意时刻，节点间通过无线信道连接，采用多跳(multi-hop)、对等(peer to peer)通信方式，自组织网络拓扑结构；传感器节点间具有很强的协同能力，通过局部的数据采集、预处理以及节点间的数据交换来完成全局任务。

1．无线传感器网络的体系结构

1.1无线传感器网络的系统构架

无线传感器网络的系统构架如下图1-1所示，通常包括传感器节点(sensor node)、汇聚节点(sink node)和管理节点，即无线传感器网络的三个要素是传感器、感知对象和观察者[2]。

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在无线传感器网络的工作过程中，大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织的方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳的进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。 1.2传感器节点的结构

传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成，如图1-2所示。

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传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块负责控制整

个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池。

由于传感器节点采用电池供电，一旦电能耗尽，节点就失去了工作能力。为了最大限度的节约电能，在硬件设计方面邀尽量的采用低功耗器件，在没有通信任务的时候，切断射频部分电源；在软件设计方面，各通信协议都应该以节能为中心，必要时可以牺牲一些其他的一些网络性能指标，以获得更高的电源效率。 1.3无线传感器网络的体系结构

无线传感器网络的体系结构由分层的网络通信协议、网络管理平台以及应用支撑这三个部分组成，如下图1-3所示。

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类似于传统Internet网络中的TCP/IP协议体系，它由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成[3]。

①物理层协议。物理层负责数据的调制、发送与接收。物理层传输方式涉及DSN采用的传输媒体、选择的频段及调制方式。DSN采用的传输媒体主要有:无线电、红外线、光波。研究核心是传感器软、硬件技术。

②数据链路层。负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制。目前对DSN数据链路层的研究集中在媒体访问控制子层(MAC)。DSN的MAC协议的两个主要目标是:组网络；共享信道接入。

③网络层。主要完成数据的路由转发，实现传感器与传感器、传感器与观察者之间的通信，支持多传感器协作完成大型感知任务。DSN路由协议必须具备以下一些特征:协议简单、节能；以数据为中心，具有数据融合能力；具有可扩展性和健壮性传输协议。网络层主要研究传感器网络通信协议和各种传感器网络技术。传感器网络通信协议研究包括:研究现有通信协议的性能，确定各种现有协议对于传感器网络的可用性以及优缺点；以数据为中心的新的通信协议的研究，包括通用能源有效性路由算法的研究、面向应用的能源有效性路由算法的研究、动态传感器网络的路径重构技术的研究等[4]。

④传输层。无线传感器网络的传输层负责数据流的传输控制，主要通过汇聚节点采集网络内的数据，并使用卫星、移动通信网络、Internet或者其他的链路与外部网络通信，是保证服务质量的重要部分。

⑤应用层。应用层主要负责为无线传感器网络提供安全支持，即实现密钥管理和安全组播。无线传感器网络的应用十分广泛，其中一些重要的应用领域有：军事方面，无线传感器网络可以布置在敌方的阵地上，用来收集敌方一些重要目标信息，并跟踪敌方的军事动向：环境检测方面，无线传感器网络能够用来检测空气的质量，并跟踪污染源；民用方面，无线传感器网络也可用来构建智能家居和个人健康等系统。

1.3.2网络管理平台

主要是对传感器节点自身的管理以及用户对传感器网络的管理，它包括了拓扑控制、服务质量管理、能量管理、安全管理、移动管理、网络管理等。

①能量管理。负责控制节点对能量的使用。在DSN中，电池能源是各个节点最宝贵的能源，为了延长网络存活时间，必须有效地利用能源。

②拓扑控制。负责保持网络连通和数据有效传输。由于传感器节点被大量密集在部署于监控区域，为了节约能源，延长DSN的生存时间，部分节点将按照某种规则进入休眠状态。拓扑管理的目的就是在保持网络连通和数据有效传输的前提下，协调DSN中各个节点的状态转换。

③网络管理。负责网络维护、诊断，并向用户提供网络管理服务接口，通常包含数据收集、数据处理、数据分析和故障处理等功能。需要根据DSN的能量受限、自组织、节点易损坏等特点设计新型的全分布式管理机制。QoS支持与网络安全机制:QoS是指为应用程序提供足够的资源使它们以用户可以接受的性能指标工作。通信协议中的数据链路层、网络层和传输层都可以根据用户的需求提供QoS支持。DSN多用于军事、商业领域，安全性是重要的研究内容。由于DSN中，传感器节点随机部署、网络拓扑的动态性以及信道的不稳定性，使传统的安全机制无法适用，因此需要设计新型的网络安全机制。

1.3.3应用支撑平台[5]

建立在分层网络通信协议和网络管理技术的基础上，它包括一系列给予检测任务的应用层软件，通过应用服务接口和网络管理接口来为终端用户提供具体的应用支持。

①时间同步技术。由于晶体振荡器频率的差异及诸多物理因素的干扰，无线传感器网络各节点的时钟会出现时间偏差。而时钟同步对于无线传感器网络非常重要，如安全协议中的时间戳、数据融合中数据的时间标记、带有睡眠机制的MAC层协议等都需要不同程度的时间同步。

②定位技术。WSN采集的数据往往需要与位置信息相结合才有意义。由于WSN具有低功耗、自组织和通信距离有限等特点，传统的GPS等算法不再适合WSN。WSN中需要定位的节点称为未知节点，而已知自身位置并协助未知节点定位的节点称为锚节点(anchor node)。WSN的定位就是未知节点通过定位技术获得自身位置信息的过程。在WSN定位中，通常使用三边测量法、三角测量法和极大似然估计法等算法计算节点位置。

③应用服务接口。无线传感器网络的应用是多种多样的，针对不同的应用环境，有各种应用层的协议，如任务安排和数据分发协议、节点查询和数据分发协议等。

④网络管理接口。主要是传感器管理协议，用来将数据传输到应用层。

2.无线传感器网络的特点

无线传感器网络除了具有Ad Hoc网络的移动性、断接性、电源能力局限性等共同特征以外，还具有很多其他鲜明的特点。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/9m4d.html