無線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸

◎張建強(qiáng) 王帥

無線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸

◎張建強(qiáng) 王帥

互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代下，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展，被廣泛應(yīng)用到國(guó)防、電力、能源、農(nóng)業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域，憑借自身成本低、自組織性等優(yōu)勢(shì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)受到了廣泛關(guān)注。但隨著其在實(shí)踐中的應(yīng)用，無線傳感器網(wǎng)存在節(jié)點(diǎn)有限等缺陷，保持網(wǎng)絡(luò)對(duì)于數(shù)據(jù)感知準(zhǔn)確性成為無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要問題。文章結(jié)合無線傳感網(wǎng)構(gòu)成及特點(diǎn)，從關(guān)鍵技術(shù)等角度對(duì)無線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行探討，希望人們能夠進(jìn)一步了解無線傳感網(wǎng)。

隨著微傳感技術(shù)、射頻技術(shù)等技術(shù)不斷發(fā)展，信息產(chǎn)業(yè)進(jìn)入到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)改革的第三次浪潮當(dāng)中，對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。在無線傳感網(wǎng)絡(luò)支持下，人與人、人與物之間溝通日漸便利，使得智慧地球成為現(xiàn)實(shí)。由傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過節(jié)點(diǎn)之間的相互協(xié)作，能夠?yàn)閿?shù)據(jù)傳輸提供了極大的支持。

無線傳感網(wǎng)概述

無線傳感網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)可以分為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、硬件及軟件環(huán)境。一般來說，無線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是由傳感器、匯聚及管理三個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。節(jié)點(diǎn)是傳感網(wǎng)絡(luò)中最為重要的內(nèi)容之一，其負(fù)責(zé)信息的收集和發(fā)送，且是信息的路由載體。通過互聯(lián)網(wǎng)等途徑，能夠?qū)崿F(xiàn)與外界環(huán)境的信息溝通和交流。硬件環(huán)境是由硬件結(jié)構(gòu)組成，如傳感器、數(shù)模信息轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器、射頻模塊以及為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供電能的電源模塊等多種設(shè)備。而軟件涉及現(xiàn)有的嵌入式系統(tǒng)，如VxWorks、WinCE及QNX等。

相比較其他網(wǎng)絡(luò)，無線傳感網(wǎng)在實(shí)踐應(yīng)用中具有獨(dú)特性，如規(guī)?；攸c(diǎn)，傳感器的節(jié)點(diǎn)數(shù)量非常龐大，能夠達(dá)到上萬之多，對(duì)載體面積要求較高，如果在空間不大的載體上進(jìn)行密集部署，需要允許大量冗余節(jié)點(diǎn)。動(dòng)態(tài)性特點(diǎn)，傳感網(wǎng)是一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由于傳感網(wǎng)絡(luò)中的傳感器、感知對(duì)象等都具備移動(dòng)特點(diǎn)，因此要求傳感網(wǎng)絡(luò)具備適應(yīng)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)可重構(gòu)性。數(shù)據(jù)特征性，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的唯一地址標(biāo)識(shí)，要想訪問互聯(lián)網(wǎng)中的資源，需要將地址作為中心構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸

關(guān)鍵技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是無線傳感網(wǎng)的核心，通過MAC協(xié)議和路由協(xié)議，能夠進(jìn)行具體、詳細(xì)的數(shù)據(jù)傳輸。正因如此，協(xié)議賦予了節(jié)點(diǎn)計(jì)算、存儲(chǔ)等多項(xiàng)能力，但也在一定程度上增加了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)難度。網(wǎng)絡(luò)安全能夠保證數(shù)據(jù)傳輸安全性、任務(wù)執(zhí)行機(jī)密性，提高對(duì)數(shù)據(jù)的處理水平。

拓?fù)淇刂剖菬o線傳感網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，能夠減少節(jié)點(diǎn)能量，且能夠提高網(wǎng)絡(luò)延時(shí)。除此之外，時(shí)鐘同步、定位技術(shù)等也是傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾夹g(shù)之一，如定位技術(shù)能夠?qū)?jié)點(diǎn)的位置信息進(jìn)行定位，使得節(jié)點(diǎn)能夠進(jìn)行隨機(jī)部署。在具體應(yīng)用中，傳感網(wǎng)與分布式數(shù)據(jù)庫(kù)具有相似之處，能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行高效管理，為數(shù)據(jù)傳輸構(gòu)建和諧的外部環(huán)境。將關(guān)鍵技術(shù)有機(jī)整合到一起，為數(shù)據(jù)傳輸?shù)於▓?jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

數(shù)據(jù)采集。無線傳感網(wǎng)最簡(jiǎn)單的采集方式是將采集到的數(shù)據(jù)定期發(fā)送到基站，基站進(jìn)行離線處理。節(jié)點(diǎn)不會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，僅負(fù)責(zé)信息收集和發(fā)送任務(wù)。但是這種傳感器節(jié)點(diǎn)能耗具有有限性，無法滿足人們?nèi)諠u提升的信息采集需求。對(duì)于大規(guī)模、高密度布置的無線傳感網(wǎng)，這種網(wǎng)外離線數(shù)據(jù)采集方式，通信開銷較大，對(duì)電能消耗過度，在一定程度上增加了信息傳輸成本。因此在具體應(yīng)用中，要盡可能減少節(jié)點(diǎn)數(shù)量，以此來延長(zhǎng)無線網(wǎng)絡(luò)壽命，避免節(jié)點(diǎn)之間的互相影響，最大限度上提高節(jié)點(diǎn)通信量。此外，還有一種基于模型的數(shù)據(jù)采集，通過有效的數(shù)據(jù)維度，將信息發(fā)送到基站，發(fā)送的信息并非實(shí)際測(cè)量值，而是一組權(quán)值，與實(shí)際數(shù)據(jù)比較來看，需要發(fā)送系數(shù)、權(quán)值的數(shù)量較少，通過分布式處理方式，能夠避免資源受限的限制。因此，還應(yīng)對(duì)分布式感知數(shù)據(jù)建模問題進(jìn)行關(guān)注，突破資源限制。

數(shù)據(jù)傳輸。無線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸建立在路由、傳輸協(xié)議基礎(chǔ)之上，底層為802.11無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。大規(guī)模無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)回收過程中，可以將其中的節(jié)點(diǎn)劃分不同的子網(wǎng)絡(luò)，以此來拓展無線傳感網(wǎng)覆蓋范圍。針對(duì)無線傳感網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)，當(dāng)主網(wǎng)絡(luò)無法滿足需求時(shí)，可以轉(zhuǎn)移到子網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行回收。具體來說：

首先，回收協(xié)議棧。傳感節(jié)點(diǎn)路由組網(wǎng)，能夠在很大程度上確保數(shù)據(jù)傳輸可靠性，通過樹路由協(xié)議，能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行子網(wǎng)組網(wǎng)及數(shù)據(jù)包路由轉(zhuǎn)發(fā)，且提高傳輸層協(xié)議的控制，促使其能夠在應(yīng)用層完成傳輸任務(wù)。

其次，MESH傳輸。該回收方式與上一種方式有所差別。MESH網(wǎng)絡(luò)回收建立在MESH-CA協(xié)議基礎(chǔ)之上，子網(wǎng)SINK節(jié)點(diǎn)子網(wǎng)能夠接受節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包，并將網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)有機(jī)整合，實(shí)現(xiàn)主體之間的通信，最終將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器。

最后，上位機(jī)軟件。這種方式能夠真實(shí)、全面的反映拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且能夠保存回收的數(shù)據(jù)信息，滿足用戶需求。通過多條組網(wǎng)，能夠?qū)⑸衔粰C(jī)軟件與SINK節(jié)點(diǎn)相連接，實(shí)現(xiàn)通訊目標(biāo)。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，用戶能夠通過SINK節(jié)點(diǎn)接收子網(wǎng)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，且對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和回收，提高通信有效性。

根據(jù)上文所述，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，人們生活水平改善，電子終端產(chǎn)品成為人們生活和工作不可缺少的一部分，對(duì)于無線傳感網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸要求更高，要求數(shù)據(jù)傳輸更加準(zhǔn)確、快速。在未來，我們還要加大對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)难芯苛Χ龋鰪?qiáng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸性能，滿足人們多元化需求，從而促進(jìn)無線傳感網(wǎng)的綜合效益得到充分發(fā)揮。針對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的研究多集中在通信商，忽略了其自身性能的限制。因此我們還需要從不同的角度給予更多關(guān)注。

（作者單位：山東省計(jì)算中心（國(guó)家超級(jí)計(jì)算濟(jì)南中心；山東省計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

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