無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)原理及應(yīng)用第1章 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)概述

第1章無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)概述1.1無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信的方式形成一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地理區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并發(fā)布給觀察者。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)由無(wú)線(xiàn)傳感器、感知對(duì)象和觀察者三個(gè)根本要素構(gòu)成。無(wú)線(xiàn)是指?jìng)鞲衅髋c觀察者之間、傳感器之間的通信方式，能夠在傳感器與觀察者之間建立通信路徑。無(wú)線(xiàn)傳感器的根本組成包括如下幾個(gè)單元：電源、傳感部件、處理部件、通信部件和軟件等。此外，還可以選擇其他的功能單元，如定位系統(tǒng)、移動(dòng)系統(tǒng)以及電源自供電系統(tǒng)等。圖1-1所示為傳感節(jié)點(diǎn)的物理結(jié)構(gòu)。傳感節(jié)點(diǎn)一般由傳感單元、數(shù)據(jù)處理單元、定位裝置(GPS)、移動(dòng)裝置、能源(電池)及網(wǎng)絡(luò)通信單元(收發(fā)裝置)等六大部件組成，其中傳感單元負(fù)責(zé)被監(jiān)測(cè)對(duì)象原始數(shù)據(jù)的采集，采集到的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理單元的處理之后，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)揭粋€(gè)數(shù)據(jù)會(huì)聚中心節(jié)點(diǎn)(Sink)，由Sink再通過(guò)因特網(wǎng)或衛(wèi)星傳輸?shù)接脩?hù)數(shù)據(jù)處理中心。圖1-1傳感節(jié)點(diǎn)的物理結(jié)構(gòu)理論的提出，傳統(tǒng)的電池被參加了許多新的元素，太陽(yáng)能電池、微光電池、生物能電池、地?zé)崮茈姵氐纫幌盗锌梢詮淖匀唤缰屑橙∧芰哭D(zhuǎn)換為電能的電池的出現(xiàn)，使得能量的自補(bǔ)充成為可能。從理論上來(lái)講，新型電池能持久供給能量，但由于工程實(shí)踐中生產(chǎn)這種微型化的電池還有相當(dāng)?shù)碾y度以及受到節(jié)點(diǎn)部署區(qū)域特定地理環(huán)境等限制，其效果并不理想，如何進(jìn)一步縮小其體積是目前研究的重點(diǎn)。為了盡可能地延長(zhǎng)整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期，在設(shè)計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)，保證能量供給的持續(xù)性是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)原那么。傳感器節(jié)點(diǎn)能量消耗的模塊主要包括傳感器模塊、信息處理模塊和無(wú)線(xiàn)通信模塊，而絕大局部的能量消耗集中在無(wú)線(xiàn)通信模塊上，圖1-2節(jié)點(diǎn)部署圖借助于節(jié)點(diǎn)內(nèi)置的、形式多樣的感知模塊，可測(cè)量所在環(huán)境中的熱、紅外、聲納、雷達(dá)和地震波信號(hào)，從而探測(cè)包括溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)度、壓力、土壤成分以及移動(dòng)物體的大小、速度和方向等眾多我們感興趣的物質(zhì)現(xiàn)象。節(jié)點(diǎn)的計(jì)算模塊先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，再采用微波、無(wú)線(xiàn)、紅外和光等多種通信形式，通過(guò)多跳中繼方式將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送到會(huì)聚節(jié)點(diǎn)。會(huì)聚節(jié)點(diǎn)將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合及壓縮后，最后通過(guò)因特網(wǎng)或其他網(wǎng)絡(luò)通信方式將監(jiān)測(cè)信息傳送到管理節(jié)點(diǎn)。同樣的，用戶(hù)也可以通過(guò)管理節(jié)點(diǎn)進(jìn)行命令的發(fā)布，通知傳感器節(jié)點(diǎn)收集指定區(qū)域的監(jiān)測(cè)信息。圖1-3給出了一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，圖中，網(wǎng)絡(luò)的局部節(jié)點(diǎn)組成了一個(gè)與Sink進(jìn)行通信的數(shù)據(jù)鏈路，再由Sink把數(shù)據(jù)傳送到衛(wèi)星或者因特網(wǎng)，最后通過(guò)該鏈路和Sink進(jìn)行數(shù)據(jù)交換并借此使數(shù)據(jù)到達(dá)最終用戶(hù)手中。圖1-3無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)依據(jù)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的連接特點(diǎn)，在研究中，一般利用圖論的概念將傳感器網(wǎng)絡(luò)抽象成一種單位圓平面圖(Unit-DiskGraph)，即假設(shè)傳感節(jié)點(diǎn)具有相同的有效傳輸半徑R，那么認(rèn)為彼此處于傳輸半徑范圍內(nèi)(半徑為R的平面圓內(nèi))的節(jié)點(diǎn)之間存在一條單位長(zhǎng)度的無(wú)向邊。按照源節(jié)點(diǎn)的分布情況，傳感器網(wǎng)絡(luò)模型可分為事件半徑模型和隨機(jī)源節(jié)點(diǎn)模型兩種。圖1-4與圖1-5分別給出了傳感器網(wǎng)絡(luò)的事件半徑模型和隨機(jī)源節(jié)點(diǎn)模型。

在圖1-4所示的事件半徑模型中，星形符號(hào)表示要監(jiān)測(cè)的事件，在以該事件為圓心、半徑為R的圓內(nèi)的所有非Sink節(jié)點(diǎn)的傳感節(jié)點(diǎn)被選擇為數(shù)據(jù)源。而在圖1-5所示的隨機(jī)源節(jié)點(diǎn)模型中，隨機(jī)選擇K個(gè)非Sink節(jié)點(diǎn)的傳感節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)源。圖1-4傳感器網(wǎng)絡(luò)的事件半徑模型圖1-5傳感器網(wǎng)絡(luò)的隨機(jī)源節(jié)點(diǎn)模型傳感器網(wǎng)絡(luò)雖然與無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)有相似之處，但同時(shí)也存在很大的差異。傳感器網(wǎng)絡(luò)是集成了檢測(cè)、控制以及無(wú)線(xiàn)通信的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)數(shù)目更為龐大(上千甚至上萬(wàn)個(gè))，節(jié)點(diǎn)分布更為密集；由于環(huán)境影響和能量耗盡，節(jié)點(diǎn)更容易出現(xiàn)故障；環(huán)境干擾和節(jié)點(diǎn)故障易造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化；通常情況下，大多數(shù)傳感器節(jié)點(diǎn)是固定不動(dòng)的。另外，傳感器節(jié)點(diǎn)具有的能量、處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力等都十分有限。傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的首要設(shè)計(jì)目標(biāo)是提高效勞質(zhì)量和高效地使用帶寬，其次才考慮節(jié)約能源，而傳感器網(wǎng)絡(luò)的首要設(shè)計(jì)目標(biāo)是能源的高效使用，這也是傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)最重要的區(qū)別之一。1.2.2傳感器節(jié)點(diǎn)的限制

傳感器節(jié)點(diǎn)在實(shí)現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，存在以下一些實(shí)現(xiàn)的約束。

1．電源能量有限

傳感器節(jié)點(diǎn)體積微小，通常只能攜帶能量十分有限的電池。由于傳感器節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)多、本錢(qián)要求低廉、分布區(qū)域廣，而且部署區(qū)域環(huán)境復(fù)雜，有些區(qū)域甚至人員不能到達(dá)，所以傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)更換電池的方式來(lái)補(bǔ)充能源是不現(xiàn)實(shí)的。如何高效地使用能量來(lái)最大化網(wǎng)絡(luò)生命周期是傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的首要挑戰(zhàn)。傳感器節(jié)點(diǎn)消耗能量的模塊包括傳感器模塊、處理器模塊和無(wú)線(xiàn)通信模塊。隨著集成電路工藝的進(jìn)步，處理器和傳感器模塊的功耗變得很低，絕大局部能量消耗在無(wú)線(xiàn)通信模塊上。

傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸信息時(shí)要比執(zhí)行計(jì)算時(shí)更消耗電能。無(wú)線(xiàn)通信模塊存在發(fā)送、接收、空閑和休眠4種狀態(tài)。無(wú)線(xiàn)通信模塊在空閑狀態(tài)時(shí)，一直監(jiān)測(cè)無(wú)線(xiàn)信道的使用情況，檢查是否有數(shù)據(jù)發(fā)送給自己；而在休眠狀態(tài)時(shí)，關(guān)閉通信模塊。無(wú)線(xiàn)通信模塊在發(fā)送狀態(tài)時(shí)的能量消耗最大；在空閑狀態(tài)和接收狀態(tài)時(shí)的能量消耗接近，略少于發(fā)送狀態(tài)時(shí)的能量消耗；在休眠狀態(tài)時(shí)的能量消耗最少。如何讓網(wǎng)絡(luò)通信更有效率，減少不必要的轉(zhuǎn)發(fā)和接收，以及在不需要通信時(shí)如何使網(wǎng)絡(luò)盡快地進(jìn)入休眠狀態(tài)，是傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。2．通信能力有限

無(wú)線(xiàn)通信的能量消耗與通信距離的關(guān)系為

E?=?k·dn

其中，參數(shù)n滿(mǎn)足關(guān)系2?<?n?<?4。n的取值與很多因素有關(guān)，例如傳感器節(jié)點(diǎn)部署貼近地面時(shí)，障礙物多、干擾大，n的取值就大；天線(xiàn)質(zhì)量對(duì)信號(hào)發(fā)射的影響也很大。考慮諸多因素，通常n取3，即通信消耗與距離的三次方成正比。隨著通信距離的增加，能耗將急劇增加，因此，在滿(mǎn)足通信連通度的前提下應(yīng)盡量減少通信距離。一般而言，傳感器節(jié)點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)通信半徑在100m以?xún)?nèi)比較適宜。考慮到傳感器節(jié)點(diǎn)的能量限制和網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域范圍大的特點(diǎn)，傳感器網(wǎng)絡(luò)通常采用多跳路由的傳輸機(jī)制。傳感器節(jié)點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)通信帶寬有限，通常僅有每秒幾百千位的傳輸速率。由于節(jié)點(diǎn)能量的變化受建筑物、障礙物等地勢(shì)地貌以及風(fēng)雨雷電等自然環(huán)境的影響，無(wú)線(xiàn)通信性能可能經(jīng)常變化，頻繁出現(xiàn)通信中斷的現(xiàn)象。在這樣的通信環(huán)境和節(jié)點(diǎn)有限通信能力的情況下，如何使網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)制滿(mǎn)足傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信需求是傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)面臨的挑戰(zhàn)之一。3．計(jì)算和存儲(chǔ)能量有限

傳感器節(jié)點(diǎn)是一種微型嵌入式設(shè)備，要求它的價(jià)格低、功耗小，這些限制必然導(dǎo)致其攜帶的處理器能力比較弱、存儲(chǔ)器容量比較小。為了完成各種任務(wù)，傳感器節(jié)點(diǎn)需要完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的管理和處理、應(yīng)答會(huì)聚節(jié)點(diǎn)的任務(wù)請(qǐng)求和節(jié)點(diǎn)控制等多種工作。如何利用有限的計(jì)算和存儲(chǔ)資源完成諸多協(xié)同任務(wù)成為傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)之一。1.2.3無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

1．計(jì)算和存儲(chǔ)能力有限

傳感器節(jié)點(diǎn)是一種微型嵌入式設(shè)備，要求它的價(jià)格低、功耗小，這些限制必然導(dǎo)致其攜帶的處理器能力比較弱，存儲(chǔ)器容量比較小。為了完成各種任務(wù)，傳感器節(jié)點(diǎn)需要利用有限的計(jì)算和存儲(chǔ)資源完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的管理和處理、應(yīng)答會(huì)聚節(jié)點(diǎn)的任務(wù)請(qǐng)求和節(jié)點(diǎn)控制等多種工作。2．動(dòng)態(tài)性強(qiáng)

傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能因?yàn)橐韵乱蛩囟淖儯涵h(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；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；傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器、感知對(duì)象和觀察者這三個(gè)要素都可能具有移動(dòng)性；新節(jié)點(diǎn)的參加。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。3．網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、密度高

為了獲取盡可能精確、完整的信息，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)通常密集部署在大片的監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量可能到達(dá)成千上萬(wàn)個(gè)，甚至更多。大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)通過(guò)分布式處理大量的采集信息能夠提高監(jiān)測(cè)的精確度，降低對(duì)單個(gè)節(jié)點(diǎn)傳感器的精度要求；通過(guò)大量冗余節(jié)點(diǎn)的協(xié)同工作，使得系統(tǒng)具有很強(qiáng)的容錯(cuò)性并且增大了覆蓋的監(jiān)測(cè)區(qū)域，減少了盲區(qū)。4．可靠性高

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)往往采取隨機(jī)部署，如通過(guò)飛機(jī)撒播或發(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)非常穩(wěn)固，不易損壞，能適應(yīng)各種惡劣環(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〞到每一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，因此網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)十分困難，甚至不可能。傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信保密性和平安性也十分重要，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

在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，人們只關(guān)心某個(gè)區(qū)域的某個(gè)觀測(cè)指標(biāo)的值，而不會(huì)去關(guān)心具體某個(gè)節(jié)點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，以數(shù)據(jù)為中心的特點(diǎn)要求傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠脫離傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的尋址過(guò)程，快速有效地組織起各個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息并融合提取出有用信息，直接傳送給用戶(hù)。

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)心是哪個(gè)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到目標(biāo)的。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)提供目標(biāo)的位置信息的。3．醫(yī)療護(hù)理方面的應(yīng)用

傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療系統(tǒng)和健康護(hù)理方面的應(yīng)用包括監(jiān)測(cè)人體的各種生理數(shù)據(jù)，跟蹤和監(jiān)控醫(yī)院內(nèi)醫(yī)生和患者的行動(dòng)，監(jiān)視醫(yī)院的藥物管理等。如果在住院病人身上安裝特殊用途的傳感器節(jié)點(diǎn)，如心率和血壓監(jiān)測(cè)設(shè)備，醫(yī)生利用傳感器網(wǎng)絡(luò)就可以隨時(shí)了解被監(jiān)護(hù)病人的病情，發(fā)現(xiàn)異常時(shí)能夠迅速搶救。將傳感器節(jié)點(diǎn)按藥品種類(lèi)分別放置，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)即可幫助識(shí)別所開(kāi)的藥品，從而減少病人用錯(cuò)藥的可能性。人工視網(wǎng)膜是一個(gè)生物醫(yī)學(xué)的應(yīng)用工程，在SSIM(SmartSensorsandIntegratedMicrosystems)方案中，替代視網(wǎng)膜的芯片由100個(gè)微型的傳感器組成，并置入人眼，目的是使失明者或者視力極差者能夠恢復(fù)到一個(gè)可以接受的視力水平。傳感器的無(wú)線(xiàn)通信滿(mǎn)足反響控制的需要，有利于圖像的識(shí)別和確認(rèn)。4．智能家居方面的應(yīng)用

傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠應(yīng)用在家居中。在家電和家具中嵌入傳感器節(jié)點(diǎn)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與因特網(wǎng)連接在一起，將會(huì)為人們提供更加舒適、方便和更具人性化的智能家居環(huán)境。利用遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可完成對(duì)家電的遠(yuǎn)程遙控，例如可以在回家之前半小時(shí)翻開(kāi)空調(diào)，也可以遙控電飯鍋、微波爐、電冰箱、機(jī)、電視機(jī)、電腦等家電，使它們按照自己的意愿完成相應(yīng)的煮飯、炒菜、查收留言、選擇錄制電視和電臺(tái)節(jié)目以及下載網(wǎng)上資料到電腦中等工作，也可以通過(guò)圖像傳感設(shè)備隨時(shí)監(jiān)控家庭平安情況。利用傳感器網(wǎng)絡(luò)可以建立智能幼兒園，監(jiān)測(cè)孩童的早期教育環(huán)境，跟蹤孩童的活動(dòng)軌跡，可以讓父母和老師全面地了解學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程。5．建筑物狀態(tài)監(jiān)控方面的應(yīng)用

建筑物狀態(tài)監(jiān)控(StructureHealthMonitoring，SHM)是利用傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)監(jiān)控建筑物的平安狀態(tài)的。作為CITRIS(CenterofInformationTechnologyResearchintheInterestofSociety)方案的一局部，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的環(huán)境工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)家們采用傳感器網(wǎng)絡(luò)，讓大樓、橋梁和其他建筑物能夠自身感覺(jué)并識(shí)別它們本身的狀況。使得安裝了傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能建筑自動(dòng)告訴管理部門(mén)它們的狀態(tài)信息，并且能夠自動(dòng)按照優(yōu)先級(jí)來(lái)進(jìn)行一系列自我修復(fù)工作。未來(lái)的各種摩天大樓可能就會(huì)安裝這種類(lèi)似紅綠燈的裝置，從而建筑物可自動(dòng)告訴人們當(dāng)前是否平安、穩(wěn)固程度如何等信息。英特爾、微軟公司等信息工業(yè)界巨頭也開(kāi)始了傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的工作。日本、德國(guó)、英國(guó)、意大利等科技興旺國(guó)家也對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出了極大的興趣，紛紛展開(kāi)了該領(lǐng)域的研究工作。我國(guó)對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究才剛剛起步，在傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的研究工作還不多。目前，國(guó)內(nèi)一些高等院校與研究機(jī)構(gòu)已積極開(kāi)展無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)研究工作，這些高等院校與研究機(jī)構(gòu)主要有清華大學(xué)、中科院軟件所、浙江大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中科院自動(dòng)化所等。此外，為了在降低網(wǎng)絡(luò)能耗的同時(shí)，保證網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)質(zhì)量不變。要求能量管理還必須注意到：①網(wǎng)絡(luò)的能量管理不是一個(gè)獨(dú)立的研究?jī)?nèi)容，必須與網(wǎng)絡(luò)的其他性能結(jié)合起來(lái)考慮；②在降低網(wǎng)絡(luò)能耗的同時(shí)，要求網(wǎng)絡(luò)有較強(qiáng)的魯棒性；③采用跨層設(shè)計(jì)的理念。

2．網(wǎng)絡(luò)的自組織與自我管理

一般情形下，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是自動(dòng)部署的，傳感器節(jié)點(diǎn)被拋撒入監(jiān)控區(qū)域后，進(jìn)入自啟動(dòng)階段，并與鄰居節(jié)點(diǎn)互相交換狀態(tài)信息，同時(shí)將此信息傳送給基站，基站根據(jù)這些信息形成網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)?。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有三種形式：基于簇的分層結(jié)構(gòu)；基于網(wǎng)的平面結(jié)構(gòu)；基于鏈的線(xiàn)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)自組織與自管理的目標(biāo)是依據(jù)節(jié)點(diǎn)的能量水平合理地分配任務(wù)，有效地延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命；當(dāng)節(jié)點(diǎn)失效時(shí)，重新生成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在層次結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)自組織與自管理還需解決簇頭的選擇與簇的生成等問(wèn)題。

3．拓?fù)淇刂?/p>

良好的拓?fù)淇刂撇呗裕芴岣呗酚蓞f(xié)議和MAC協(xié)議的效率，給數(shù)據(jù)融合、時(shí)間同步和目標(biāo)定位等奠定根底，有利于節(jié)省能量、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。6．時(shí)間同步

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)通過(guò)大量節(jié)點(diǎn)的協(xié)同工作，共同完成區(qū)域監(jiān)測(cè)任務(wù)，此時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步對(duì)于分布式的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)意義重大。

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中采用的時(shí)間同步方法是以效勞器端時(shí)鐘為基準(zhǔn)調(diào)整客戶(hù)端時(shí)鐘的。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不同，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議已不適用于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，需要根據(jù)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的特征設(shè)計(jì)新的時(shí)間同步機(jī)制。7．跨層設(shè)計(jì)

已有的大局部無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議都是基于分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的，此時(shí)，設(shè)計(jì)者通?？紤]的都是局部?jī)?yōu)化問(wèn)題。而跨層設(shè)計(jì)能通過(guò)層與層之間交流信息實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的全局最優(yōu)。同時(shí)這種設(shè)計(jì)思想與資源受限的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)相符，它能提升整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能。但是通常采用跨層思想設(shè)計(jì)的系統(tǒng)對(duì)節(jié)點(diǎn)的性能要求較高。8．網(wǎng)絡(luò)平安

目前無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域主要在軍事方面，通常網(wǎng)絡(luò)部署在敵方陣營(yíng)，難以實(shí)現(xiàn)人工的保護(hù)與維護(hù)。同時(shí)，由于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)本身的性質(zhì)，容易形成人為的干擾，如信息竊聽(tīng)、修改等可能的平安問(wèn)題。因此平安問(wèn)題成為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要問(wèn)題。

目前，針對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的平安問(wèn)題主要有如下一些解決方法：①物理層主要通過(guò)采用高效的加密算法和擴(kuò)頻通信減少電磁干擾；②數(shù)據(jù)鏈路層與網(wǎng)絡(luò)層采用平安的協(xié)議；③應(yīng)用層采用密鑰管理與平安組播。當(dāng)前無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的平安方案主要是基于節(jié)點(diǎn)資源受限的自適應(yīng)平安機(jī)制。在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的平安性方面，仍然還有許多工作要做。9．嵌入式操作系統(tǒng)

傳感器節(jié)點(diǎn)是一個(gè)微型的嵌入式系統(tǒng)，攜帶非常有限的硬件資源，需要操作系統(tǒng)能夠節(jié)能、高效地使用其有限的內(nèi)存、處理器和通信模塊，且能夠?qū)Ω鞣N特定應(yīng)用提供最大的支持。在面向無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng)的支持下，多個(gè)應(yīng)用可以并發(fā)地使用系統(tǒng)的有限資源。傳感器節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)突出的特點(diǎn)：一個(gè)特點(diǎn)是并發(fā)性密集，即可能存在多個(gè)需要同時(shí)執(zhí)行的邏輯控制，這需要操作系統(tǒng)能夠有效地滿(mǎn)足這種發(fā)生頻繁、并發(fā)程度高、執(zhí)行過(guò)程比較短的邏輯控制流程；另一個(gè)特點(diǎn)是傳感器節(jié)點(diǎn)模塊化程度很高，要求操作系統(tǒng)能夠讓?xiě)?yīng)用程序方便地對(duì)硬件進(jìn)行控制，且保證在不影響整體開(kāi)銷(xiāo)的情況下，應(yīng)用程序中的各個(gè)局部能夠比較方便地進(jìn)行重新組合。上述這兩個(gè)特點(diǎn)對(duì)設(shè)計(jì)面向無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng)提出了新的挑戰(zhàn)。美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校針對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)研發(fā)了TinyOS操作系統(tǒng)，在科研機(jī)構(gòu)的研究中得到了比較廣泛的使用，但仍然存在缺乏之處。1.3.4面臨的挑戰(zhàn)

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)不同于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)提出了新的要求，主要表達(dá)在以下幾個(gè)方面：

(1)低功耗。傳感器節(jié)點(diǎn)的能量十分有限，一旦投放完畢就很難再補(bǔ)充能量。節(jié)點(diǎn)能量耗盡就“死亡〞，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的死亡率到達(dá)一定的比例時(shí)網(wǎng)絡(luò)就結(jié)束了。為了盡可能地延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命，需要在設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)充分地考慮節(jié)能因素。(2)實(shí)時(shí)性。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際應(yīng)用中，通常有實(shí)時(shí)性要求。例如：在車(chē)載監(jiān)控系統(tǒng)中，系統(tǒng)每10ms讀取一次加速度的值，否那么無(wú)法判斷車(chē)輛的即時(shí)速度，這將可能引起交通事故。

(3)低本錢(qián)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大，節(jié)點(diǎn)分布密集。要降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行本錢(qián)，關(guān)鍵要降低單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的本錢(qián)，此時(shí)傳感器節(jié)點(diǎn)的計(jì)算、通信與存儲(chǔ)能力都較低，那么設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與通信協(xié)議必須要有很強(qiáng)的針對(duì)性。此外還要求系統(tǒng)有自配置與自修復(fù)功能，從而減少系統(tǒng)的管理與維護(hù)開(kāi)銷(xiāo)。(4)平安。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)受資源限制，設(shè)計(jì)的通信協(xié)議通常開(kāi)銷(xiāo)較低，但這引起新的網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題，即平安問(wèn)題。如何減少數(shù)據(jù)加密、身份認(rèn)證、入侵檢測(cè)等的開(kāi)銷(xiāo)是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)面臨的新問(wèn)題。

(5)協(xié)作。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)通常是在多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的協(xié)同工作下共同完成既定的任務(wù)。通過(guò)逐跳中繼方式傳遞數(shù)據(jù)時(shí)涉及到網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計(jì)與能量消耗問(wèn)題，這也是目前無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的熱點(diǎn)。1.4.1基于通用網(wǎng)絡(luò)的仿真平臺(tái)

1．NS2

NS2是由伯克利大學(xué)1989年開(kāi)始開(kāi)發(fā)的一種源代碼開(kāi)放的共享軟件，是一種可擴(kuò)展、可重用、基于離散事件驅(qū)動(dòng)、面向?qū)ο蟮姆抡孳浖?。NS2可以用于仿真各種不同的IP網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了多播、一些MAC子層協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議(如：TCP/UDP協(xié)議)、業(yè)務(wù)源流量產(chǎn)生器、路由隊(duì)列管理機(jī)制以及路由算法等。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有星型拓?fù)?單跳)和對(duì)等式拓?fù)?AdHoc網(wǎng)絡(luò)多跳形式)兩種，通過(guò)編程語(yǔ)言O(shè)TCL(具有面向?qū)ο筇匦缘腡CL腳本程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言)和C++?實(shí)現(xiàn)。2．OPNET

OPNET是一個(gè)強(qiáng)大的、面向?qū)ο蟮?、離散事件驅(qū)動(dòng)的通用網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境。作為一個(gè)全面的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，在無(wú)線(xiàn)傳輸方面的建模能力涉及仿真研究的各階段，包括模型設(shè)計(jì)、仿真、數(shù)據(jù)搜集和數(shù)據(jù)分析，所有的無(wú)線(xiàn)特性與高層協(xié)議模型無(wú)縫連接。

當(dāng)然，還有其他通用網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的仿真環(huán)境，如GloMoSim、SENSE、Shawn等。2．OMNET++

OMNET++是一種開(kāi)源的、基于組件的、模塊化的開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)，近年來(lái)在科學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域逐漸流行。作為離散事件仿真器，其具備強(qiáng)大完善的圖