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  一、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(diǎn)，是微機(jī)電系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、通信、自動(dòng)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(gè)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?、定位、時(shí)間同步、數(shù)據(jù)管理等。

  二、傳感網(wǎng)的特點(diǎn)

  1、大規(guī)模

  傳感網(wǎng)一般都由大量的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，節(jié)點(diǎn)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(diǎn)分布在很大的地理區(qū)域內(nèi);另一方面，傳感器節(jié)點(diǎn)部署很密集，在一個(gè)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(diǎn)。

  2、自組織

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

  3、動(dòng)態(tài)性

  傳感網(wǎng)具有很強(qiáng)的動(dòng)態(tài)性，它的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能因?yàn)橄铝幸蛩囟淖儭?

  1)環(huán)境因素或電能耗盡所造成的傳感器節(jié)點(diǎn)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(shí)通;

  3)傳感網(wǎng)的傳感器、感知對(duì)象和觀察者這三個(gè)要素都可以具有移動(dòng)性;

  4)新節(jié)點(diǎn)的加入。

  4、容錯(cuò)性

  根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)可能會(huì)因?yàn)殡娏Σ蛔?、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(shí)要確保傳感器節(jié)點(diǎn)的故障不能影響到整個(gè)傳感網(wǎng)的正常工作，也就是說，傳感網(wǎng)不能因?yàn)閭鞲衅鞴?jié)點(diǎn)故障而產(chǎn)生任何中斷。

  5、資源受限

  一個(gè)傳感網(wǎng)實(shí)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(diǎn)密集部署而形成的網(wǎng)絡(luò)，這些節(jié)點(diǎn)只能在短距離內(nèi)自由通信。一般來講，傳感器節(jié)點(diǎn)不會(huì)作為移動(dòng)設(shè)備，而是在部署之后靜止不動(dòng)，在有些情況下對(duì)其補(bǔ)充能量是不現(xiàn)實(shí)的。由于節(jié)點(diǎn)體積微小、資源受限等特征使得其在能量和計(jì)算上都存在著很大的限制?？傮w來說，節(jié)點(diǎn)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(chǔ)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(jì)和面對(duì)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(cè)不同的物理量，獲取不同的信息，因而傳感網(wǎng)的設(shè)計(jì)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(jì)劃以及網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)用環(huán)境都起著關(guān)鍵作用。而網(wǎng)絡(luò)規(guī)模又會(huì)隨著所監(jiān)測(cè)環(huán)境的變化而變化。對(duì)于室內(nèi)環(huán)境有限的空間，需要較少的節(jié)點(diǎn)組成網(wǎng)絡(luò)，而在室外環(huán)境中可能需要更多的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)時(shí)，臨時(shí)部署要優(yōu)于預(yù)先計(jì)劃的部署。而環(huán)境中的障礙物也可以限制節(jié)點(diǎn)之間的通信，這反過來又會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)連接(或拓?fù)?

  三、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(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)，協(xié)議的主要功能是尋找源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)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(jì)路由機(jī)制時(shí)，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(gè)網(wǎng)絡(luò)的角度考慮，選擇使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能量均衡消耗的路由。由于傳感器節(jié)點(diǎn)的資源是有限的，因而傳感網(wǎng)的路由機(jī)制要能夠簡(jiǎn)單而且高效地實(shí)現(xiàn)信息傳輸。

  2)可擴(kuò)展性。在傳感網(wǎng)中，檢測(cè)區(qū)域范圍或節(jié)點(diǎn)密度不同，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模會(huì)有所不同;節(jié)點(diǎn)失敗、新節(jié)點(diǎn)加入以及節(jié)點(diǎn)移動(dòng)等，也會(huì)使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)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(diǎn)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(diǎn)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(cuò)能力。

  4)快速收斂性。傳感網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化，節(jié)點(diǎn)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?dòng)態(tài)變化，減少通信協(xié)議開銷，提高消息傳輸?shù)男省?

  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(diǎn)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(duì)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(diǎn)的能量、存儲(chǔ)、計(jì)算和通信帶寬等資源有限，單個(gè)節(jié)點(diǎn)的功能比較弱，而傳感網(wǎng)的強(qiáng)大功能是由眾多節(jié)點(diǎn)協(xié)作實(shí)現(xiàn)的。多點(diǎn)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(gè)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(jì)傳感網(wǎng)的MAC協(xié)議時(shí)，需要著重考慮以下幾個(gè)方面。

  1)節(jié)省能量。傳感器節(jié)點(diǎn)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(zhǎng)時(shí)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(diǎn)的能量。

  2)可擴(kuò)展性。由于傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目、節(jié)點(diǎn)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(diǎn)位置也可能移動(dòng)，還有新節(jié)點(diǎn)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(dòng)態(tài)性。MAC協(xié)議也應(yīng)具有可擴(kuò)展性，以適應(yīng)這種動(dòng)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(shí)時(shí)性、網(wǎng)絡(luò)吞吐量以及帶寬利用率等。

  3、拓?fù)淇刂?/strong>