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无线传感器网络的研究内容综述

作者: 发布时间:2020-02-04 13:36:07 阅读: 38 次

摘要:无线传感器网络具有广泛的应用前景,且能够实现多种功能,因而是当前学术研究的一个重点领域。本文介绍了无线传感器网络的体系结构和组网特点,详细分析了当前无线传感器网络中各层次的通信协议。

关键词:无线传感器网络;体系结构;组网特点;通信协议

 

 

无线传感器网络是一门学科高度交叉、先进技术高度集成的前沿热点研究领域。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等多种技术。应用无线传感器网络可以对传感器覆盖区域内进行实时监测、对检测对象进行感知对监测环境中产生的数据进行采集。对于所采集的数据信息可以在其网络架构内进行数据传输,实现物理、计算机以及人类社会的多元连通。

无线传感器的网络部署方式灵活,只需要将传感器节点抛撒到所需关注的区域内,节点即可自行组建多跳网络,实现信息采集和数据通信。

1 无线传感器网络结构

无线传感器网络的典型结构为自组多跳网络。该网络中的节点同时具有传感、信息处理以及无线通信功能,每个节点通过多跳路由连接到无线网关,通过无线网关实现与监控终端的通信。

鉴于节点的属性限制,其通信距离较短,因此必须使用多跳路由,且节点数量要多,分布要密集。

2 无线传感器网络特点

无线传感器网络具有如下几方面特点。(1)硬件功能有限。由于节点体积较小、价格相对低廉且要求运行的功耗较低,故其在性能方面要比通用的计算设备差很多;(2)续航时间有限。节点的共恩呢该方式为电池供电,且节点体积较小,分部环境较复杂,因而无法为电池充电或者为节点更换电池,一旦能源消耗完毕,该节点也就死亡,因此在传感器网络的设计中,一切以节能为前提;(3)自组织性。无线传感器网络的覆盖都是由节点自助完成的,不需要依赖任何支撑网络设施;(4)无中心性。网络中所有节点都是相对独立和平等的,任意节点的离开或加入都不会影响整个网络的运行。(5)多跳路由。无线传输网络中的节点只能在小范围内进行通信,因而若希望实现与网关或者外围监控终端的通信则必须通过其他节点进行路由实现;(6)节点数量庞大,网络分布密集。在某一区域进行无线传感器网络部署时需要使用大量的节点来维持网络的容错性和抗毁性。

3 无线传感器网络协议层次

无线传感器网络的通信协议主要分为物理层、链路层、网络层和传输层。对于这些协议需要进行具体讨论,现有的如IEEE802.1x协议无法在无线传感器网络中应用。

3.1 物理层

物理层的主要作用为产生载波对所需传输的数据进行调制与解调。当前时期对物理层节点的设计思路主要有两种,一种为使用MEMS和集成电路技术等对节点的微处理器、传感器等模块进行设计,如智能尘埃、无线集成网络传感器等;另一种为使用现有的商业元器件进行节点构建,如以TinyOS项目为核心组件硬件平台等。

在物理层的无线通信方面,可选择的载波媒体有红外线、激光、电磁波等。其中,红外线频段为开放频段,无电磁干扰,具有性价比优势;激光则在通信保密性能和传输速度方面具有优势,但是这两种方式均要求发送端和接收端在视线范围内,很难在实际中应用实现,因而通常情况还是使用电磁波进行无线通信。

在载波频段选择中有902MHz2.4GHz5.8GHz等多个ISM频段,基于这些频段的电磁波特性对节点进行设计是一个无线传感器网络的研究方向。

3.2 链路层

链路层的主要作用是对节点通信进行空中。其中主要涉及媒体访问控制协议(MAC协议)和错误控制算法。

其中媒体访问控制协议可以在节点之间建立通信链路,维持节点之间使用平等有效的带宽进行数据传输。该协议是一个热点研究领域,可根据无线传感器网络实际应用环境进行设计。通常这些协议可以分为基于随机竞争和基于预约的两种协议。

基于竞争的MAC协议以IEEE802.11协议为代表,该类协议可以依靠射频接收部分的侦听功能对网络中的节点进行通信控制,但是该类协议需要通信设备处于持续监听状态,故能源消耗较高。为解决该问题,一类低功耗唤醒射频通信协议被研究应用到无线传感器网络中,该协议使用载波侦听多路访问/冲突避免技术保证节点在进行通信时维持在唤醒状态,通信完毕进入睡眠状态,当其他节点需要使用该节点进行路由时,该节点可以被唤醒。

基于预约的MAC协议主要是基于时分多址的协议,如自组织媒体访问控制协议等。使用该协议的节点可以发现临近节点,并与其建立通信链路。当前节点使用一个TDMA协议框架在时隙时间内与临近节点进行数据通信,完成通信后进入睡眠状态。

错误控制算法则是对网络传输信号进行差错控制,保证通信的可靠性。在无线传感器网络中使用的错误控制算法主要有两种,一种是前向纠正,一种是自动重复请求。前向纠正算法是在数据帧中添加冗余信息,当接收端接收到的信息具有错误时可以使用冗余信息进行错误纠正;自动重复请求算法则是对接收的信息进行回复,若两者之间信息不符则重新进行数据发送,若信息相同则认为数据传输无误。

3.3 网络层

网络层协议主要负责对路由进行维护和发现,并设计适当的路由协议对传输数据进行路由。

无线传感器网络为拓扑结构,按照路由协议不同可以分为平面路由协议和分级路由协议。其中平面路由协议中的各节点处于平等地位,但会产生大量的控制信息,可控性能较差;而分级路由协议可以有效控制网络路由信息数量,可控性能较好,但是其在群头节点方面的缺陷限制了无线传感网络的规模。

 

总结

鉴于无线传感器网络具有其独特性,且硬件投入和资源配置方面的限制使其无法应用成熟的通用协议,故目前无线传感器网络的研究主要集中在MAC协议和路由协议等方面。

 

参考文献

[1] 崔莉,鞠海玲,苗勇,李天璞,刘巍,赵泽.无线传感器网络研究进展[J].计算机研究与发展,2005,42(1)

[2] 洪锋,褚红伟,金宗科,单体江,郭忠文.无线传感器网络应用系统最新进展综述[J].计算机研究与发展,2010,47(z2)

[3] 马祖长,孙怡宁,梅涛.无线传感器网络综述[J].通信学报,2004,25(4)