什么是傳感網(wǎng)

傳感網(wǎng)是當(dāng)今信息領(lǐng)域新的研究熱點，是微機(jī)電系統(tǒng)、計算機(jī)、通信、自動控制、人工智能等多學(xué)科交叉的綜合性技術(shù)。目前的研究涉及通信、組網(wǎng)、管理、分布式信息處理等多個方面。具體而言，傳感網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)包括路由協(xié)議、MAC協(xié)議、拓?fù)淇刂啤⒍ㄎ弧r間同步、數(shù)據(jù)管理等。

傳感網(wǎng)的特點

1、大規(guī)模

傳感網(wǎng)一般都由大量的傳感器節(jié)點組成，節(jié)點的數(shù)量可能達(dá)到成千上萬，甚至更多。一方面，傳感器節(jié)點分布在很大的地理區(qū)域內(nèi)；另一方面，傳感器節(jié)點部署很密集，在一個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。

2、自組織

傳感器節(jié)點的位置不需要設(shè)計或預(yù)先確定，這使得傳感器節(jié)點可以隨機(jī)部署在人跡罕至的地形或救災(zāi)行動中。這就要求傳感器節(jié)點必須具有自組織能力。在一個傳感器節(jié)點部署完成之后，首先，必須檢測它的鄰居并建立通信，其次必須了解相互連接的節(jié)點的部署、節(jié)點的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及建立自組織多跳的通信信道。

3、動態(tài)性

傳感網(wǎng)具有很強(qiáng)的動態(tài)性，它的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能因為下列因素而改變。

1）環(huán)境因素或電能耗盡所造成的傳感器節(jié)點出現(xiàn)故障或失效；

2）環(huán)境條件變化可能造成無線通信鏈路帶寬變化，甚至?xí)r斷時通；

3）傳感網(wǎng)的傳感器、感知對象和觀察者這三個要素都可以具有移動性；

4）新節(jié)點的加入。

4、容錯性

根據(jù)不同的應(yīng)用場景，傳感器節(jié)點有可能部署在環(huán)境相當(dāng)惡劣的地區(qū)，一些傳感器節(jié)點可能會因為電力不足、有物理損壞或外部環(huán)境的干擾而不能工作或者處于阻塞狀態(tài)，此時要確保傳感器節(jié)點的故障不能影響到整個傳感網(wǎng)的正常工作，也就是說，傳感網(wǎng)不能因為傳感器節(jié)點故障而產(chǎn)生任何中斷。

5、資源受限

一個傳感網(wǎng)實際上是由大量的體積非常小、低成本、低功耗、多功能的傳感器節(jié)點密集部署而形成的網(wǎng)絡(luò)，這些節(jié)點只能在短距離內(nèi)自由通信。一般來講，傳感器節(jié)點不會作為移動設(shè)備，而是在部署之后靜止不動，在有些情況下對其補(bǔ)充能量是不現(xiàn)實的。由于節(jié)點體積微小、資源受限等特征使得其在能量和計算上都存在著很大的限制。總體來說，節(jié)點的資源制約因素主要包括有限的能量、短的通信范圍、低帶寬、有限的處理和存儲能力。

6、應(yīng)用相關(guān)

與其他網(wǎng)絡(luò)相比，傳感網(wǎng)在設(shè)計和面對的挑戰(zhàn)上有很多不同，傳感網(wǎng)的解決方案是與應(yīng)用緊密結(jié)合的。根據(jù)應(yīng)用要求的不同，傳感網(wǎng)也將檢測不同的物理量，獲取不同的信息，因而傳感網(wǎng)的設(shè)計在很大程度上依賴于其所處的監(jiān)控環(huán)境。在確定網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、部署計劃以及網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時，應(yīng)用環(huán)境都起著關(guān)鍵作用。而網(wǎng)絡(luò)規(guī)模又會隨著所監(jiān)測環(huán)境的變化而變化。對于室內(nèi)環(huán)境有限的空間，需要較少的節(jié)點組成網(wǎng)絡(luò)，而在室外環(huán)境中可能需要更多的節(jié)點以覆蓋較大的面積。當(dāng)應(yīng)用環(huán)境是人類不可訪問的，或由數(shù)百到數(shù)千節(jié)點組成的網(wǎng)絡(luò)時，臨時部署要優(yōu)于預(yù)先計劃的部署。而環(huán)境中的障礙物也可以限制節(jié)點之間的通信，這反過來又會影響網(wǎng)絡(luò)連接（或拓?fù)洌?/p>

傳感網(wǎng)的核心技術(shù)有哪些

1、路由協(xié)議

路由協(xié)議負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點，協(xié)議的主要功能是尋找源節(jié)點和目的節(jié)點間的優(yōu)化路徑，將數(shù)據(jù)分組沿著優(yōu)化路徑正確轉(zhuǎn)發(fā)。在根據(jù)傳感網(wǎng)的具體應(yīng)用設(shè)計路由機(jī)制時，要滿足下面的要求：

1）能量高效。傳感網(wǎng)路由協(xié)議不僅要選擇能量消耗小的消息傳輸路徑，而且要從整個網(wǎng)絡(luò)的角度考慮，選擇使整個網(wǎng)絡(luò)能量均衡消耗的路由。由于傳感器節(jié)點的資源是有限的，因而傳感網(wǎng)的路由機(jī)制要能夠簡單而且高效地實現(xiàn)信息傳輸。

2）可擴(kuò)展性。在傳感網(wǎng)中，檢測區(qū)域范圍或節(jié)點密度不同，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模會有所不同；節(jié)點失敗、新節(jié)點加入以及節(jié)點移動等，也會使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)地發(fā)生變化，這就要求路由機(jī)制具有可擴(kuò)展性，能夠適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化。

3）魯棒性。能量耗盡或環(huán)境因素造成的傳感器節(jié)點失效，周圍環(huán)境影響無線鏈路的通信質(zhì)量以及無線鏈路本身的缺點等，這些傳感網(wǎng)的不可靠特性要求路由機(jī)制具有一定的容錯能力。

4）快速收斂性。傳感網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)變化，節(jié)點能量和通信帶寬等資源有限，因此要求路由機(jī)制能夠快速收斂，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭討B(tài)變化，減少通信協(xié)議開銷，提高消息傳輸?shù)男省?/p>

2、MAC協(xié)議

在傳感網(wǎng)中，介質(zhì)訪問控制（MAC）協(xié)議決定無線信道的使用方式，在傳感器節(jié)點之間分配有限的無線通信資源，用來構(gòu)建傳感網(wǎng)系統(tǒng)的底層基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。MAC協(xié)議處于傳感網(wǎng)協(xié)議的底層部分，對傳感網(wǎng)的性能有較大影響，是保證傳感網(wǎng)高效通信的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之一。傳感器節(jié)點的能量、存儲、計算和通信帶寬等資源有限，單個節(jié)點的功能比較弱，而傳感網(wǎng)的強(qiáng)大功能是由眾多節(jié)點協(xié)作實現(xiàn)的。多點通信在局部范圍需要MAC協(xié)議協(xié)調(diào)無線信道分配，在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)需要路由協(xié)議選擇通信路徑。在設(shè)計傳感網(wǎng)的MAC協(xié)議時，需要著重考慮以下幾個方面。

1）節(jié)省能量。傳感器節(jié)點一般是由電池提供能量，而且電池能量通常難以進(jìn)行補(bǔ)充，為了長時間保證傳感器網(wǎng)絡(luò)的有效工作，MAC協(xié)議在滿足應(yīng)用要求的前提下，應(yīng)盡量節(jié)省節(jié)點的能量。

2）可擴(kuò)展性。由于傳感器節(jié)點數(shù)目、節(jié)點分布密度等在傳感網(wǎng)生存過程中不斷發(fā)生變化，節(jié)點位置也可能移動，還有新節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)的問題，因此傳感網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有動態(tài)性。MAC協(xié)議也應(yīng)具有可擴(kuò)展性，以適應(yīng)這種動態(tài)變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

3）網(wǎng)絡(luò)效率。網(wǎng)絡(luò)效率包括網(wǎng)絡(luò)的公平性、實時性、網(wǎng)絡(luò)吞吐量以及帶寬利用率等。

3、拓?fù)淇刂?/p>

傳感網(wǎng)拓?fù)淇刂浦饕芯康膯栴}是在滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋度和連通度的前提下，通過功率控制和骨干網(wǎng)節(jié)點選擇，剔除節(jié)點之間不必要的通信鏈路，形成一個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。具體地講，傳感網(wǎng)中的拓?fù)淇刂瓢凑昭芯糠较蚩梢苑譃閮深悾汗?jié)點功率控制和層次型拓?fù)淇刂啤９β士刂茩C(jī)制調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點的發(fā)射功率，在滿足網(wǎng)絡(luò)連通度的前提下，均衡節(jié)點的單跳可達(dá)鄰居數(shù)目。層次型拓?fù)淇刂评梅执貦C(jī)制，讓一些節(jié)點作為簇頭節(jié)點，由簇頭節(jié)點形成一個處理并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的骨干網(wǎng)，其他非骨干網(wǎng)節(jié)點可以暫時關(guān)閉通信模塊，進(jìn)入休眠狀態(tài)以節(jié)省能量。

4、定位

對于大多數(shù)應(yīng)用，不知道傳感器位置而感知的數(shù)據(jù)是沒有意義的。傳感器節(jié)點必須明確自身位置才能詳細(xì)說明“在什么位置或區(qū)域發(fā)生了特定事件”，實現(xiàn)對外部目標(biāo)的定位和追蹤；另一方面，了解傳感器節(jié)點位置信息還可以提高路由效率，為網(wǎng)絡(luò)提供命名空間，向部署者報告網(wǎng)絡(luò)的覆蓋質(zhì)量，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖耘渲谩６斯げ渴鸷蜑樗芯W(wǎng)絡(luò)節(jié)點安裝GPS接收器都會受到成本、功耗、擴(kuò)展性等問題的限制，甚至在某些場合可能根本無法實現(xiàn)，因此必須采用一定的機(jī)制與算法實現(xiàn)傳感網(wǎng)的自身定位。

5、時間同步

在傳感網(wǎng)中，單個節(jié)點的能力非常有限，整個系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能需要網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點相互配合共同完成。很多傳感網(wǎng)的應(yīng)用都要求節(jié)點的時鐘保持同步。

在傳感網(wǎng)的應(yīng)用中，傳感器節(jié)點將感知到的目標(biāo)位置、時間等信息發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中的匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點對不同傳感器發(fā)送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后便可獲得目標(biāo)的移動方向、速度等信息。為了能夠正確地監(jiān)測事件發(fā)生的順序，要求傳感器節(jié)點之間必須實現(xiàn)時間同步。在一些事件監(jiān)測的應(yīng)用中，事件自身的發(fā)生時間是相當(dāng)重要的參數(shù)，這要求每個節(jié)點維持唯一的全局時間以實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)的時間同步。

時間同步是傳感網(wǎng)的一個研究熱點，在傳感網(wǎng)中起著非常重要的作用，國內(nèi)外的研究者已經(jīng)提出了多種傳感網(wǎng)時間同步算法。

6、數(shù)據(jù)管理

傳感網(wǎng)本質(zhì)上是一個以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)，它處理的數(shù)據(jù)為傳感器采集的連續(xù)不斷的數(shù)據(jù)流。由于傳感網(wǎng)能量、通信和計算能力有限，因此傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)通常不會把數(shù)據(jù)都發(fā)送到匯聚節(jié)點進(jìn)行處理，而是盡可能在傳感網(wǎng)中進(jìn)行處理，這樣可以最大限度地降低傳感網(wǎng)的能量消耗和通信開銷，延長傳感網(wǎng)的生命周期。現(xiàn)有的數(shù)據(jù)管理技術(shù)把傳感網(wǎng)看作來自物理世界的連續(xù)數(shù)據(jù)流組成的分布式感知數(shù)據(jù)庫，可以借鑒成熟的傳統(tǒng)分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)對傳感網(wǎng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。由于傳感器節(jié)點的計算能力、存儲容量、通信能力以及電池能量有限，再加上Flash存儲器以及數(shù)據(jù)流本身的特性，給傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)管理帶來了不同于傳統(tǒng)分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的一些新挑戰(zhàn)。

傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)管理技術(shù)包括數(shù)據(jù)的存儲、查詢、分析、挖掘以及基于感知數(shù)據(jù)決策和行為的理論和技術(shù)。傳感網(wǎng)的各種實現(xiàn)技術(shù)必須與這些數(shù)據(jù)管理技術(shù)密切結(jié)合，才能夠設(shè)計實現(xiàn)高效率的以數(shù)據(jù)為中心的傳感網(wǎng)系統(tǒng)。到目前為止，數(shù)據(jù)管理技術(shù)的研究還不多，還有大量的問題需要解決。