無線傳感器網絡技術綜述

杜宇+蘇曉軍

摘 要：在當今的社會里面，傳感技術、嵌入技術、分布處理技術以及通信領域中的無線通信目前正處在一個迅猛發展的過程當中，使得在同一個設備上面集成網絡、傳感、通信以及計算等功能的目標能夠完成，無線傳感網絡就是把這些技術整合并加以應用。本文在講解無線傳感網絡發展現狀和其組成的基礎上面，著重的講述了無線傳感網絡里面的非常重點的拓撲控制、路由數據轉發以及跨層設計、時間同步技術、媒體訪問控制以及鏈路控制、自定位技術以及目標定位技術等主要的方法和技術手段。本文研究顯示，無線傳感網絡目前正朝著成本低、能耗小、安全可靠、性能高、操作簡單、智能化等目標邁進著，所以文章今后對于無線傳感器網絡的研究具有較高的意義。

關鍵詞：無線傳感器網絡；綜述；發展歷程；體系結構；關鍵技術

1 引言

近些年來，無線通信、微機技術、嵌入式系統以及低功耗的嵌入式系統正在以飛快的速度向前發展著，并且在發展的過程中融合出一門新技術：無線傳感網絡技術。無線傳感器網路采用的標準也是IEEE的802.15.4的標準。無線傳感器網絡集成了網絡、通信、傳感、計算等功能的傳感器節點所組成，其中節點之間的通信方式是自組織多跳的網絡，這些節點之間通過這種通信方式實現對所監控對象的各種信息，最終還是經過這種通信方式將所檢測到的信息發送給觀測者。

因為無線傳感網絡的電源的容量有一定的限制、節點的通信能力同樣有一定的限制、節點的計算能力有一定的限制、傳感器數量非常大而且無線傳感器布置的區域也非常的巨大、無線傳感網絡的動態性非常的強、感知的數據流也格外的大、另外考慮到在無線傳感網絡里面都是以數據作為中心的，無線傳感網絡目前已經是現代的各種通信技術里面的一種新興起的技術，無線傳感網絡技術在基礎的理論方面和工程技術方面兩個不同的層次上面對科研人員提出了許多的問題。本文先是講解無線傳感器網絡的發展以及無線傳感器網絡的體系結構，再是研究無線傳感網絡里面的拓撲控制技術、媒體訪問控制技術以及鏈路控制技術、路由與數據轉發技術和跨層設計技術、時間同步技術、自定位技術以及目標定位技術等十分重要的技術和手段。

2 無線傳感器網絡的體系結構

2.1 無線傳感器網絡節點的結構

無線傳感網絡里面最最根本的組成部分即為它的節點。無線傳感器網絡中的節點最主要包括的是數據采集模塊、數據處理模塊還有控制模塊，以及無線通信模塊以及供電等模塊。無線傳感器網絡中的數據采集模塊最主要的是檢測被檢測的地方里面對有用信息的收集以及數據的轉換功能，其中最常用的為多種無線傳感器，它們的主要功能是感知外界環境并且為我們收集有利信息，模數轉換器能夠把監測到的物理信號轉化成數字信號；無線傳感器網絡中的數據處理模塊以及控制模塊可以控制所有的無線傳感器中的節點，而微處理器就是統籌協調各個節點里面各自的工作，我們最常選取的就是嵌入式中央處理器；無線傳感器網絡中的數據傳輸模塊就是用于各個無線傳感器節點之間的無線通信的，它們可以交換和控制消息也可以收發和采集所需要的數據；而無線傳感器網絡中的供電模塊就是為保障無線傳感器的節點的正常工作來提供它們所需要的能量。

2.2 無線傳感器網絡的體系結構

無線傳感器中的節點所收集到的有用消息經過多跳的轉發，最后把傳感器所收集到的有用消息發送給目標用戶供其使用，無線傳感器網絡的系統構架包括分布式的無線傳感節點組、匯集的主節點、傳輸媒質以及客戶端。無線傳感網絡里面的節點通常都是采用人工安裝、飛行器拋撒等方法達到讓無線傳感器網絡中的節點隨意分散在待監測的地方。把傳感網絡當做中心，在傳感網絡的感知區域里面，許多無線傳感網絡節點用無線自組網的形式來進行通信，其中所有的無線傳感器節點都可以作為一個路由器，另外所有的無線傳感器節點都有著具備動態搜索、實時定位以及自主恢復聯接的能力，無線傳感器的節點會把它監測的物理信息以初步的數據處理以及信息融合的形式傳遞給觀察者，信息傳送的方法是采用相鄰無線傳感器節點之間的接力傳遞，并且最后發送給基站，最后基站采用衛星信道或者有線網絡的聯接方式發送給觀察者。

3 無線傳感器網絡的關鍵技術

3.1 拓撲控制

無線傳感網絡的總體拓撲結構是由無線傳感網絡的組網的模式決定的，可是要達到無線傳感網絡低功耗運行的目的，還要精細控制各個無線傳感器節點之間聯接關系的時變性。現階段最基本的有三種拓撲控制，分別是時間控制拓撲技術、空間控制拓撲技術以及邏輯控制拓撲技術。時間控制拓撲技術是利用對每個無線傳感器網絡節點的睡眠時間以及工作時間占空比的控制，來實現對無線傳感器網絡節點之間的睡眠起始時間的調度，從而達到讓無線傳感器網絡節點交替工作的目的，以實現無線傳感器網絡在有限的拓撲結構之間切換的效果；空間控制拓撲技術是利用控制無線傳感器網絡中的節點的發送功率來達到改變節點連通區域的目的，使得無線傳感器網絡顯示出不同的連通狀態，從而獲得控制無線傳感器節點能耗、提高無線傳感器網絡容量的效果；邏輯控制拓撲技術是利用檢查無線傳感器節點的鄰居表把不“理想的”無線傳感器網絡節點排除在外，從而形成更加穩固、更加可靠的拓撲結構。在無線傳感網絡技術里面，拓撲控制是為實現無線傳感器網絡的連通并且保證無線傳感器網絡中的信息高效的、可靠的傳輸。

3.2 媒體訪問控制和鏈路控制

媒體訪問控制和鏈路控制是為了解決無線傳感器網絡里面存在著的數據流沖突以及丟失的問題，根據無線傳感器網絡里面數據流的狀態達到控制臨近無線傳感器網絡節點的目的，甚至在無線傳感器網絡里面所有的無線傳感器網絡節點的信道訪問順序以及方式，從而達到高效的利用無線傳感器網絡的容量和降低其能耗的目的。無線傳感器網絡的媒體訪問控制層需要配合完成睡眠機制從而完成拓撲控制中的時間控制和空間控制。

無線傳感器網絡在復雜的鏈路控制一般是在復雜環境下的短距離鏈路，這就導致了與長距離的無線通信鏈路的特性完全不一樣，而相同環境下的無線射頻過渡區的寬度和通信距離的比卻要大的多，由此導致這種環境下短距離鏈路控制出現很復雜的不穩定性。

3.3 路由與數據轉發及跨層設計

無線傳感器網絡中的數據流向與因特網中數據流向相反：在因特網絡中，終端設備大多數是從無線傳感器網絡里面得到信息的，但是在無線傳感網絡里面，無線傳感器網絡可以從終端設備得到信息。因為在無線傳感器網絡中對能量利用的要求非常的嚴格，在大多數情況下選取介質訪問控制層的信息來進行轉發無線傳感器節點、選擇數據流向。此外無線傳感網絡在任務發布的過程中一般會把任務的信息傳送至全部的無線傳感器節點，所以設計出來的高效數據分發協議同樣為網絡層的研究重點。無線傳感器網絡編碼技術同樣可以提高網絡數據的傳遞效率。在分布式的存儲網絡架構里面，一份數據一般會有不一樣的代理對它產生興趣，而無線傳感器網絡編碼技術采用的是減少無線傳感器網絡里面數據包轉發次數的方式，來達到提高網絡容量以及效率的目的。

3.4 時間同步技術

時間同步技術是無線傳感器網絡里面實現信息采集的一個基本的技術手段，同樣是提高精度的不可缺少的方法。經常采用的是利用時間同步協議實現無線傳感器網絡中不同節點間的對時，利用濾波技術來減少噪聲以及漂移產生的不良影響。這一段時間，通過渦合振蕩器振蕩器同步技術完成無線傳感器網絡同步的手段引起了大家濃厚的興趣，這是一個效率極高、能夠無限拓展的方法。

3.5 自定位和目標定位技術

定位跟蹤技術有節點自定位技術以及在網絡區域里面的目標定位跟蹤技術兩種技術手段。節點自定位技術指的是確定無線傳感器網絡里面所以節點的位置，而這恰恰為隨機組網的最終目標。目標定位跟蹤是一種室外經常選取的自定位方法，可是它不但成本不低，而且在有遮擋區域有可能定位不準確。無線傳感器網絡在一般情況下會選取結合這樣的定位技術和方法：手動安裝一小部分目標點，而剩余點則會依據拓撲與距離之間的關系來估計它們的間接位置。目標定位跟蹤技術是采用無線傳感器網絡里面傳感器節點之間的配合來實現它們對無線傳感器網絡里面的特定的目標定位以及跟蹤技術，通常都是在無線傳感器節點定位的基礎上實現的。

4 總結與展望

無線傳感網絡在日益的發展著，現在的設備越來越低功耗，高計算能力。自組網技術的不斷發展使得無線傳感器網絡也在漸漸受到人們的關注，同時也成為現在工業和學術界研究的一個重點和熱點。這篇文章對無線傳感器網絡的發展現狀和幾個關鍵性的技術問題做了詳細的介紹和匯總。在當今社會中無線傳感器網絡的研究是一個很大的科學課題，它也有著很廣闊的應用前景，甚至可以從根本上改變人們的生活方式。