无线传感器网络节点设计以及路由策略研讨

第一章绪论

1.1引言无线传感器网络(WirelessSensorNetwork,WSN)是近年来得到迅速发展和普遍重视的新型网络技术,它的出现和发展对现代科学技术产生了极其深刻的影响。与传统的网络技术不同,无线传感器网络技术将现代无线通信技术、微型传感器技术和网络技术有机地融为一体,己经是近几年来国内外研究的热点,引起了世界上许多国家军界、学术界和工业界的高度重视【1.2],其应用前景十分广阔。

1.2无线传感器网络的研究背景传感器下的定义根据国家标准GB7665-87是:“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将检测感受到的信息,按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。而近年来对传感器的需求越来越复杂,单个传感器已经基本不能满足日益增长的复杂要求。所以将多种传感器构建成网络己经成为研究的热点。传感器网络通常是由许多空间分布的装置组成的一种计算机网络,这些装置使用传感器监控不同位置的条件(比如温度、声音、振动、压力、运动或污染物)。通常这些装置很小很便宜,以便可以大量制造和部署,因此它们的资源(能源、存储、计算速度和带宽)严重受限。每个装置都具备一个无线电收发器、一个很小的微控制器和一个能源(通常为电池)。

这些装置互相帮助,将数据传输到一台监控计算机。传感器网络是由一组传感器以AdHoc方式构成的有线或无线网络,其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息,并给观察者。对于传统网络,大部分是以有线方式构建,这是因为有线方式的传输带宽宽,传输速度快,误码率低,构建简单等优点。但是这些优点对于传感器来说并不重要,这是因为传感器的数据速率低,要求带宽窄,而误码率问题可以通过纠错与编码方式降低。所以,在传感器网络方面采用有线传输模式并不是最好的选择。我们注意到传感器是为了监控不同位置的条件,比如温度、声音、振动,压力、运动的信息,所以其安装位置一般来说都是具有典型代表性的。特别对于一些特定环境中,例如古建筑、恶劣的污染环境,布线困难或者无法布线的情况,采用无线方式构造传感器网络是较为合适的。由于传感器种类繁多,其数据特性也各不相同。所以构造一个万能的传感器网络技术上非常复杂,代价也很高。因此构造一些较小的,灵活的子网络,再由这些子网络构造一个大的网络成为较为通用的做法。当前无线传输设备小型化,低功耗化,使得无线传感器网络的构建成为可能。

3无线传感器网络的特点无线传感器网络是一种独立出现的计算机网络,它的基本组成单位是节点,这些节点集成了传感器、微处理器、无线接口和电源四个模块。传统的计算机网络技术中业己成熟的解决方案可以借鉴到无线传感器网络中来。但是基于无线传感器网络自身的用途和优点,开发专用的通信协议和路由算法已经成为了当前无线传感器网络领域内急待研究的课题。

无线传感器网络具有以下特点

(1)无线传感器网络包括了大面积的空间分布:比如在军事应用方面,可以将无线传感器网络部署在战场上跟踪敌人的军事行动,智能化的终端可以被大量地装在宣传品、子弹或炮弹壳中,在目标地点撒落下去,形成大面积的监视网络。

(2)源受限制:网络中每个节点的电源是有限的,网络大多工作在无人区或者对人体有伤害的恶劣环境中,更换电源几乎是不可能的事,这势必要求网络功耗要小以延长网络的寿命,而且要尽最大可能的节省电源消耗。

(3)网络的自动管理和高度协作性:在无线传感器网络中,数据处理由节点自身完成,这样做的目的是减少无线链路中传送的数据量,只有与其他节点相关的信息才在链路中传送。以数据为中心的特性是无线传感器网络的又一个特点,由于节点不是预先计划的,而且节点位置也不是预先确定的,这样就有一些节点由于发生较多错误或者不能执行指定任务而被中止运行。为了在网络中监视目标对象,配置冗余节点是必要的,节点之间可以通信和协作,共享数据,这样可以保证获得被监视对象比较全面的数据。

(4)以数据为中心:在无线传感器网络中,人们只关心某个区域的某个观测指标的值,而不会去关心具体某个节点的观测数据。以数据为中心的特点要求传感器网络的设计必须以感知数据管理和处理为中心。

(5)网络的动态拓扑、多跳路由:无线传感器网络是一个动态的网络。一个节点可能会因为电池能量耗尽或其他故障从运行网络中退出;也可能由于工作的需要而被添加到网络中。