無線傳感網(wǎng)節(jié)能組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究

王婷婷

摘 要：在互聯(lián)網(wǎng)日益深入到人們生活的同時，用戶對能隨時、隨地上網(wǎng)的需要已顯得日益迫切。無線局域網(wǎng)以其移動性、靈活性、易用性和擴充性等，不僅迅速成為網(wǎng)絡(luò)的一個非常重要的組成部分，而且其應(yīng)用領(lǐng)域也隨著人們的生活水平的不斷提高在不斷地擴大。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為無線網(wǎng)絡(luò)的一種，作為無線網(wǎng)絡(luò)的一種延伸，對未來智能化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。進而對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的研究，顯然已經(jīng)成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的重要一環(huán)，節(jié)能組網(wǎng)更是在此技術(shù)中的重中之重。

關(guān)鍵詞：無線網(wǎng)絡(luò)；傳感器網(wǎng)絡(luò)；節(jié)能；組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

伴隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)成為信息科學領(lǐng)域中一個全新的發(fā)展發(fā)向，同時，無線傳感網(wǎng)也是新興學科與傳統(tǒng)學科進行領(lǐng)域間交叉的結(jié)果。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個自組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，這個系統(tǒng)中最重要的組成部分是傳感器節(jié)點。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自組網(wǎng)的過程中用網(wǎng)絡(luò)拓撲技術(shù)來制定網(wǎng)絡(luò)布局的合理性與生存性，而在無線設(shè)備的通信過程中用到了路由控制技術(shù)，在進行數(shù)據(jù)處理過程中用到了數(shù)據(jù)融合技術(shù)，對多個節(jié)點進行數(shù)據(jù)傳送來說時間同步又是必不可少的。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

當前，傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、計算機技術(shù)構(gòu)成了現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)，無線傳感網(wǎng)將這三種技術(shù)結(jié)合在一起，實現(xiàn)對信息采集、傳輸和處理一體化與自動化。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由一組部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)、具有無線通信計算能力的大量廉價微型傳感器節(jié)點組成，每個傳感器節(jié)點既相當于路由器又相當于終端的雙功能，由此除可以進行一些基本信息采集與處理能力外，還具有對其他節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)匯聚和融合的處理能力，而在一些特殊需求方面?zhèn)鞲衅鞴?jié)點就需要與其他一些傳感器節(jié)點密切合作才能完成。普通傳感器節(jié)點被大量分派到任務(wù)區(qū)域中，每個節(jié)點覆蓋較小的作用范圍，其作用是收集該區(qū)域內(nèi)有用的信息，然后通過多跳路由的方式，把分析處理后的信息發(fā)給匯聚節(jié)點；匯聚節(jié)點把收集到的信息通過匯聚鏈路傳送到網(wǎng)絡(luò)邊界，再通過互聯(lián)網(wǎng)、通信網(wǎng)絡(luò)和WLAN等方式，將收集到的數(shù)據(jù)傳送到本次任務(wù)的終點即任務(wù)管理節(jié)點，任務(wù)管理節(jié)點對收集到的信息進行分析處理，任務(wù)控制節(jié)點是直接面向用戶，而用戶是信息的接受著、應(yīng)用者，由其最終對感知的信息進行分析判斷，制定決策，并采取具體的措施。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 網(wǎng)絡(luò)拓撲技術(shù)

因為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有自組網(wǎng)特性，所以網(wǎng)絡(luò)拓撲的設(shè)計功能優(yōu)化與否意義重大。實用的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)在使用中應(yīng)滿足：提高網(wǎng)絡(luò)能量效率、提高網(wǎng)絡(luò)通信效率、提高路由協(xié)議效率、提高數(shù)據(jù)融合效率、提高網(wǎng)絡(luò)可擴展性、確保網(wǎng)絡(luò)可靠性等方面的優(yōu)勢。

簡潔的拓撲控制機制不但能夠優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，而且能夠減少能耗進而提高路由協(xié)議和MAC協(xié)議的效率，減少數(shù)據(jù)融合難度，從而延長網(wǎng)絡(luò)的生存周期。通過控制功率和骨干網(wǎng)節(jié)點數(shù)目，刪除節(jié)點的無線通信鏈路冗余，以此得到一個高效、簡潔且能夠進行數(shù)據(jù)融合的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。這樣可以從控制網(wǎng)絡(luò)拓撲節(jié)點的有效功率和層次結(jié)構(gòu)這兩方面入手，功率控制機制指的是在網(wǎng)絡(luò)的連通度不受影響的情況下，優(yōu)減網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點發(fā)射功率，簡化節(jié)點之間的無線通信鏈路；層次型拓撲控制可使用一些節(jié)點作為簇頭節(jié)點，簇頭節(jié)點的形成過程中使用了骨干網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)機制，其他非骨干網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可以屏蔽通信進入休眠狀態(tài)，從而達到節(jié)能目的。

2.2 路由控制技術(shù)

優(yōu)化的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有節(jié)點具有低能量耗、以數(shù)據(jù)為中心、多對一傳輸、高數(shù)據(jù)冗余和應(yīng)用相關(guān)等特征。在網(wǎng)絡(luò)運行中，有一些如能量、帶寬、處理功耗等資源，這些資源都是在不斷發(fā)生動態(tài)變化的，因此系統(tǒng)要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生動態(tài)變化的實際情況對自身的功能進行相關(guān)的調(diào)整，因為對于隨時變換的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)來說，要維持路由表的正常運行需要耗費大量的能量、時間、金錢等，所以對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言擁有適合自己網(wǎng)絡(luò)拓撲的路由控制協(xié)議是非常必要的。

路由協(xié)議的作用是在進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時，路由源節(jié)點利用網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)功能將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方面主要有兩個方面的考慮：其一是尋找源節(jié)點與目的節(jié)點間最適合路徑進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方式。此類網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的任務(wù)是尋找源節(jié)點到目的節(jié)點間最小通信路徑，同時提高網(wǎng)絡(luò)的利用率以達到減免擁塞的作用，但對傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量消耗這一方面沒有考慮到。其二是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中能耗問題，傳感節(jié)點的能量有限，在這種情況下若沒有及時補充能量將影響網(wǎng)絡(luò)的整體連通性，所以路由協(xié)議的設(shè)計需要做到高效利用能量。

2.3 數(shù)據(jù)融合技術(shù)

對大多數(shù)自組網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，在其實際應(yīng)用中需要高密度地部署大量傳感器節(jié)點。由于傳感器節(jié)點的能量源有限，在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，基層的傳感器節(jié)點只負責一些簡單數(shù)據(jù)采集和傳輸，而對于高一級的傳感器匯聚節(jié)點來說，不僅涉及數(shù)據(jù)采集，還要負責對大量的基層節(jié)點采集來的數(shù)據(jù)進行分類匯總。在此過程中信息匯總是對大量信息融合過程。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中當節(jié)點的部署密度很大時，傳感器收集到的數(shù)據(jù)會存在冗余重復(fù)，即多個相鄰的傳感器節(jié)點采集到相同的息。為了節(jié)省傳感器節(jié)點的能量，有必要去除掉這些重復(fù)的信息，來減少數(shù)據(jù)傳輸。在具有成千上萬的傳感器節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)融合能夠很好的去除這些多余的信息，使得傳遞信息量變小。從而進行差錯處理，進而保留有用的信息成分，最終實現(xiàn)信息的優(yōu)減。由于傳感器節(jié)點在數(shù)據(jù)傳送中存在易失效性和能量有限性，所以巧妙利用傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)融合技術(shù)進行多數(shù)據(jù)的綜合處理，這對提高信息傳送的準確度和節(jié)省能量是非常重要的。數(shù)據(jù)融合的關(guān)鍵在于，如何保證數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性，還有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換能力，及數(shù)據(jù)進行邏輯推理和連接關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫等。