無線傳感器網絡研究

坎香+金海峰

摘 要 無線傳感器網絡涉及傳感器技術，無線通信技術，嵌入式技術，分布式信息處理技術等多個學科領域的內容， 是當今學術研究的熱點領域之一。本文闡述了無線傳感器網絡的特點、分類以及性能的評估。

【關鍵詞】無線傳感器 網絡 數據

1 無線傳感網絡概述

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，簡稱WSN）是在監測區域中部署大量的無線傳感器節點，這些節點采用無線連接、以多跳自組織的方式快速形成網絡。無線傳感器網絡中的傳感器節點具有感知、監測、傳感、信息處理等功能，能夠對目標區域中的信息進行感知和采集，然后通過無線通信方式傳遞給匯聚節點，最后匯聚節點將數據通過Internet或衛星通訊網傳遞給用戶終端，最終實現任務節點與用戶終端之間的通信。

不同于移動Ad-Hoc網絡，無線傳感器網絡有以下特點：

1.1 無線傳感器網絡規模比較大

為了獲取盡可能詳盡的數據，完成網絡探測任務，傳感器節點的布置區域都非常大；同時，無線傳感器節點一般工作在人類無法到達的惡劣環境中，傳感器網絡中部署的節點由于受到惡劣環境的影響較易失效，且一旦節點部署完成，將不再對這些節點進行干預，因此，在監測區域會部署大量的傳感器節點，這樣也可以盡可能保證探測到數據的精確性。

1.2 傳感器節點能量供應有限

隨著微電子的發展以及基于傳感器網絡實際應用需求的成本考慮，傳感器節點都是微型的。由于體積小，所以節點的能源一般由電池供應，導致傳感器節點能量有限，節點的使用時間受限。而無線傳感器網絡一般應用于一些人類無法到達的惡劣環境中，網絡中傳感器節點成千上萬，要給這些節點延續能量或更換電池是非常困難的，而實際應用中往往要求傳感器節點正常工作的時間能盡可能的長，即要求節點的壽命盡可能的長，因此傳感器節點能源問題也是當今專家學者們研究的重點方向之一。

1.3 無線傳感器網絡可維護性差

由于傳感器節點一般工作在人類無法到達的惡劣環境中，一旦節點初始部署完成，將不再對這些節點進行干預，因此要對整個無線傳感器網絡進行維護是幾乎不可能的。

1.4 無線傳感器節點具有無線連接、自組織的能力

無線傳感器節點采用拓撲控制機制和自帶的底層網絡協議自組織形成網絡，若有節點失效，傳感器節點之間會以自組織的形式重新形成網絡，以保障節點之間通信的暢通性，從而實現網絡的探測任務。

1.5 以數據為中心

由于無線傳感器網絡的目標是實現任務節點與用戶終端之間的通信，從而實現網絡的探測任務。而傳感器節點的任務就是負責實時監測并采集數據，然后通過無線通信方式傳送至匯聚節點，再由匯聚節點將數據通過Internet或衛星通訊網傳遞給用戶終端，因此我們說無線傳感器網絡是以數據為中心的。

1.6 網絡拓撲結構復雜

傳感器節點經常由于受到自然環境等影響導致節點失效，網絡中的其他傳感器節點將不斷地動態自組織重新形成新的傳輸路徑，從而整個網絡的拓撲結構也在不斷的變化，所以說網絡的拓撲結構比較復雜。

1.7 數據處理能力低下

由于無線傳感器網絡是任務型的網絡，因此為了保證探測數據的精確性，通常會在監測區域布置大量的傳感器節點，而為了降低無線傳感器網絡的實際應用成本，傳感器節點的體積都設計的非常小，這樣就導致傳感器節點的處理器以及存儲器都非常有限，進而導致傳感器處理數據的能力低下。

1.8 有融合數據的能力

由于無線傳感器節點一般工作在惡劣環境中，人類一般無法到達該區域，因此在初始部署傳感器節點時，一般都會布置數量巨大的傳感器節點。由于在監測區域傳感器節點非常密集，這樣就導致感器節點采集到冗余的數據，因此傳感器節點需具有處理并融合數據的能力，以節省整個網絡的能源消耗。

2 無線傳感器網絡的分類

根據無線傳感器網絡在實際應用中的不同，無線傳感器網絡的體系結構是不同的，因此根據實際的應用應選擇合適的網絡。常見的無線傳感器網絡的分類有：

（1）根據傳感器節點之間是對等的還是分等級的，網絡分為平面網絡結構和分層網絡結構。

（2）若網絡中的節點是移動的，則傳感器網絡是動態網絡；若網絡中的節點是靜止的，則傳感器網絡是靜態網絡。

（3）根據網絡的實際應用，部署節點的方式是不同的。若監測區域在人跡罕至的地區，只能用飛機隨機撒播來投放節點，從而節點的位置是未知的、隨機的，這種網絡為隨機性網絡。若根據傳感器網絡的實際應用，網絡中的節點需由人工部署，則該網絡為確定性網絡。

（4）若網絡中傳感器節點的硬件結構相同，則網絡為同構型網絡；否則網絡為異構型網絡。

（5）若傳感器節點需經過多跳才能與匯聚節點通信，則該網絡為多跳網路；否則為單跳網絡。

3 無線傳感器網絡的性能評估

無線傳感器網絡成為當今專家學者們研究的熱點之一，其性能的好壞也是重點研究的方向。目前普遍采用的評估標準有如下幾點：

3.1 能源的有效性

考慮到無線傳感器網絡組網的成本，在網絡中投入傳感器節點的數量是有限的；受監測區域環境的影響，傳感器節點的感知區域也將受到限制；由于節點的體積很小，節點的能源提供也會受到限制。而無線傳感器網絡在這些因素限制的條件下，可以有效地完成任務的數量就是網絡能源的有效性。由于無線傳感器網絡一般應用于人類無法到達的惡劣環境中，所以在初始部署節點時會投放成千上萬個節點，一旦節點失效或能源耗盡，要更換節點或者對節點續能幾乎是不可能的，而實際應用中往往要求傳感器節點的生存周期盡可能長，因此能源的有效性問題也是目前無線傳感器網絡應用亟待解決的問題之一。

3.2 魯棒性

由于無線傳感器網絡一般應用于人跡罕至的地區，如原始森林、外太空星球等人類無法到達的地區，一旦傳感器節點能源耗盡或者節點失效，要對其進行人工維護是非常困難的或者幾乎是不可能的，因此要求無線傳感器網絡的魯棒性好，在部分傳感器節點無法正常工作時整個網絡能繼續生存。

3.3 可擴展性

由于傳感器節點通常工作在人類無法到達的惡劣且復雜的環境中，網絡中的部分節點由于受到環境因素的影響而無法正常工作，根據實際應用，為了使無線傳感器網絡能長時間工作，需要在監測區域中繼續投入新傳感器節點，這就要求傳感器節點能自組織并協同工作，從而實現傳感器網絡的動態可擴展性。

3.4 感知精確性和有效性

無線傳感器網絡在實際應用中主要用于對環境進行監測并獲取有效的數據信息，而數據的精準性決定了無線傳感器網絡的服務質量。數據的精準性受到傳感器節點自身的感知能力、信息處理能力以及無線通信能力等因素的影響。因此在設計傳感器節點時應考慮到這些方面的因素；由于在網絡監測區域會布置數量巨大的傳感器節點，而過度密集的節點導致采集到的信息將有重復，因此傳感器節點應具有融合信息的能力，以保證數據的有效性。

當然，無線傳感器網絡的這些評估標準并不是獨立，它們有著密切的關系，在評估時應綜合考慮。

參考文獻

[1]王燕莉，安世全.無線傳感器網絡的覆蓋問題研究[J].傳感技術學報，2005，18（02）：307-312.

[2]靳立忠，常桂然，賈杰.基于差分進化算法的移動傳感器網絡節點的分布優化 [J].控制與決策，2010，25（12）：1857-1860.

作者簡介

坎香（1986-），女，江蘇省江陰市人。碩士學位。講師。研究方向為計算機網絡編程。

作者單位

江陰職業技術學院計算機科學系 江蘇省江陰市 214400endprint