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1.3 传感网的核心技术
14-09-10    奋斗的小年轻
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本书根据《高等院校物联网工程专业发展战略研究报告暨专业规范(试行)》和物联网工程本科专业的教学需要,结合传感网的最新发展及其应用现状编写而成。主要内容包括传感网的概述,通信协议,数据管理技术,拓扑立即去当当网订购

传感网是当今信息领域新的研究热点,是微机电系统、计算机、通信、自动控制、人工智能等多学科交叉的综合性技术。目前的研究涉及通信、组网、管理、分布式信息处理等多个方面。具体而言,传感网的关键技术包括路由协议、MAC协议、拓扑控制、定位、时间同步、数据管理等。

1.路由协议

路由协议负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点,协议的主要功能是寻找源节点和目的节点间的优化路径,将数据分组沿着优化路径正确转发。在根据传感网的具体应用设计路由机制时,要满足下面的要求:

1)能量高效。传感网路由协议不仅要选择能量消耗小的消息传输路径,而且要从整个网络的角度考虑,选择使整个网络能量均衡消耗的路由。由于传感器节点的资源是有限的,因而传感网的路由机制要能够简单而且高效地实现信息传输。

2)可扩展性。在传感网中,检测区域范围或节点密度不同,网络规模会有所不同;节点失败、新节点加入以及节点移动等,也会使得网络拓扑结构动态地发生变化,这就要求路由机制具有可扩展性,能够适应网络结构的变化。

3)鲁棒性。能量耗尽或环境因素造成的传感器节点失效,周围环境影响无线链路的通信质量以及无线链路本身的缺点等,这些传感网的不可靠特性要求路由机制具有一定的容错能力。
4)快速收敛性。传感网的拓扑结构动态变化,节点能量和通信带宽等资源有限,因此要求路由机制能够快速收敛,以适应网络拓扑的动态变化,减少通信协议开销,提高消息传输的效率。

2.MAC协议

在传感网中,介质访问控制(MAC)协议决定无线信道的使用方式,在传感器节点之间分配有限的无线通信资源,用来构建传感网系统的底层基础结构。MAC协议处于传感网协议的底层部分,对传感网的性能有较大影响,是保证传感网高效通信的关键网络协议之一。传感器节点的能量、存储、计算和通信带宽等资源有限,单个节点的功能比较弱,而传感网的强大功能是由众多节点协作实现的。多点通信在局部范围需要MAC协议协调无线信道分配,在整个网络范围内需要路由协议选择通信路径。在设计传感网的MAC协议时,需要着重考虑以下几个方面。
1)节省能量。传感器节点一般是由电池提供能量,而且电池能量通常难以进行补充,为了长时间保证传感器网络的有效工作,MAC协议在满足应用要求的前提下,应尽量节省节点的能量。

2)可扩展性。由于传感器节点数目、节点分布密度等在传感网生存过程中不断发生变化,节点位置也可能移动,还有新节点加入网络的问题,因此传感网的拓扑结构具有动态性。MAC协议也应具有可扩展性,以适应这种动态变化的拓扑结构。

3)网络效率。网络效率包括网络的公平性、实时性、网络吞吐量以及带宽利用率等。

3.拓扑控制

传感网拓扑控制主要研究的问题是在满足网络覆盖度和连通度的前提下,通过功率控制和骨干网节点选择,剔除节点之间不必要的通信链路,形成一个数据转发的优化网络结构。具体地讲,传感网中的拓扑控制按照研究方向可以分为两类:节点功率控制和层次型拓扑控制。功率控制机制调节网络中每个节点的发射功率,在满足网络连通度的前提下,均衡节点的单跳可达邻居数目。层次型拓扑控制利用分簇机制,让一些节点作为簇头节点,由簇头节点形成一个处理并转发数据的骨干网,其他非骨干网节点可以暂时关闭通信模块,进入休眠状态以节省能量。

4.定位

对于大多数应用,不知道传感器位置而感知的数据是没有意义的。传感器节点必须明确自身位置才能详细说明“在什么位置或区域发生了特定事件”,实现对外部目标的定位和追踪;另一方面,了解传感器节点位置信息还可以提高路由效率,为网络提供命名空间,向部署者报告网络的覆盖质量,实现网络的负载均衡以及网络拓扑的自配置。而人工部署和为所有网络节点安装GPS接收器都会受到成本、功耗、扩展性等问题的限制,甚至在某些场合可能根本无法实现,因此必须采用一定的机制与算法实现传感网的自身定位。

5.时间同步

在传感网中,单个节点的能力非常有限,整个系统所要实现的功能需要网络内所有节点相互配合共同完成。很多传感网的应用都要求节点的时钟保持同步。

在传感网的应用中,传感器节点将感知到的目标位置、时间等信息发送到网络中的汇聚节点,汇聚节点对不同传感器发送来的数据进行处理后便可获得目标的移动方向、速度等信息。为了能够正确地监测事件发生的顺序,要求传感器节点之间必须实现时间同步。在一些事件监测的应用中,事件自身的发生时间是相当重要的参数,这要求每个节点维持唯一的全局时间以实现整个网络的时间同步。

时间同步是传感网的一个研究热点,在传感网中起着非常重要的作用,国内外的研究者已经提出了多种传感网时间同步算法。

6.数据管理

传感网本质上是一个以数据为中心的网络,它处理的数据为传感器采集的连续不断的数据流。由于传感网能量、通信和计算能力有限,因此传感网数据管理系统通常不会把数据都发送到汇聚节点进行处理,而是尽可能在传感网中进行处理,这样可以最大限度地降低传感网的能量消耗和通信开销,延长传感网的生命周期。现有的数据管理技术把传感网看作来自物理世界的连续数据流组成的分布式感知数据库[10],可以借鉴成熟的传统分布式数据库技术对传感网中的数据进行管理。由于传感器节点的计算能力、存储容量、通信能力以及电池能量有限,再加上Flash存储器以及数据流本身的特性,给传感网数据管理带来了不同于传统分布式数据库系统的一些新挑战。

传感网数据管理技术包括数据的存储、查询、分析、挖掘以及基于感知数据决策和行为的理论和技术[11]。传感网的各种实现技术必须与这些数据管理技术密切结合,才能够设计实现高效率的以数据为中心的传感网系统。到目前为止,数据管理技术的研究还不多,还有大量的问题需要解决。

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