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第二章 概述

第一节 无线传感器网络概述

  无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)是计算机、通信和传感器这三项技术相结合的产物,是一种全新的信息获取和处理技术,能够实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息。目前已成为计算机科学领域一个活跃的研究分支。

  无线传感器网络是由一组传感器节点自组织而形成的一个多跳无线网络,不需要固定网络支持,具有快速展开、抗毁性强等优势,同时还具有自组织、多跳、动态拓扑和能量资源受限等特点。它能够在人们无法接近的恶劣或特殊环境中工作,如地震与气候监控、外层空间以及战场环境和信息采集系统建设等,是信息感知和采集的一场革命。

  1.1.1  无线传感器网络的概念

  随着“后PC时代”的到来,计算机的设计冲破了传统高性能计算机和服务器的设计模式,开始向小型化、低功耗、分布式方向发展,VLSI设计的普及化和半导体芯片制造工艺的迅速发展使得在一块芯片上集成一个完整的计算机系统已经成为可能;微机电技术和传感技术的进步导致了传感器的微型化;无线通信技术和分布式计算技术的成熟带来了难以估量的计算处理能力。这些方面的高度集成又孕育出了无线传感器网络这一全新的信息获取和处理模式。

  无线传感器网络是由若干具有无线通信能力的传感器节点自组织构成的网络。无线传感器网络可实现数据的采集量化、处理融合和传输应用,是信息技术中的一个新领域。无线传感器网络的概念最早由美国军方提出,起源于1978年美国国防部高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)开始资助卡耐基-梅隆大学进行分布式传感器网络的研究项目。2008年,国际电信联盟远程通信标准化组织(ITU Telecommunication Standardization Sector,ITU-T)发表了《泛在传感器网络》的研究报告,指出传感器网络已经向泛在传感器网络的方向发展,它是由智能传感器节点组成的网络,可以以“任何地点、任何时间、任何人、任何物”的形式被部署。该技术具有巨大的潜力,因为它可以在广泛的领域中推动新的应用和服务,从安全保卫和环境监控到推动个人生产力和增强国家竞争力都有涉及。

  无线传感器网络的巨大应用价值已经引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的极大关注,美国自然科学基金委员会在2003年制订了无线传感器网络研究计划,巨额投资支持相关基础理论的研究,美国国防部和各军事部门都对无线传感器网络给予了高度重视,提出了C4ISRT(Command,Control,Communication,Computing,Intelligence,Surveillance,Reconnaissance and Targeting)计划,强调战场情报的感知能力、信息的综合能力和信息的利用能力,把无线传感器网络作为一个重要研究领域,设立了一系列军事传感器网络研究项目。美国英特尔公司、美国微软公司等信息工界巨头也开始了无线传感器网络方面的工作,纷纷设立或启动相应的行动计划。日本、英国、意大利、巴西等国家也对无线传感器网络表现出了极大的兴趣,纷纷展开了该领域的研究工作。

  我国的无线传感器网络研究启动于世纪之交。1999年,无线传感器网络首次正式出现于中国科学院《知识创新工程试点领域方向研究》的信息与自动化领域研究报告中,是该领域提出的五个重大项目之一。目前,国内一些研究机构与高等院校已积极开展无线传感器网络的相关研究工作,主要有中科院软件所、中科院计算机研究所、清华大学、电子科技大学、哈尔滨工业大学、浙江大学、南京大学等,前期的研究工作主要集中在穿戴式计算、上下文感知环境、智能教室等领域。随着无线传感器网络应用的日益发展与不断深入,支持无线传感器网络的无线通信网络技术、超微型嵌入式实时操作系统等若干关键技术逐渐成为研究热点。
 
  根据不同的任务需求,低成本、微型化的传感器节点集成了不同类型的传感器,以感知和测量所在周边环境的温度、湿度、噪声、发光强度、压力、速度、加速度等。数量巨大的传感器节点通过飞机抛撒或其他特定的方式分散在监控区域内,通过无线通信自主地构成网络,并通过协作式的感知、数据采集和分布式的计算,实现对监控区域内用户所感兴趣的物理量的监测,并将监测结果通过网络传送给用户。

  1.1.2  无线传感器网络的分类

  无线传感器网络根据不同的指标可以有多种不同的分类,根据节点的移动能力可分为三类:

  (1)静态网络

  静态网络中的节点不具有移动能力,一旦被放置后其位置不能再发生更改。网络的拓扑变化较小,通常由于节点能量耗尽或受到外力破坏引起节点失效,或是环境、地形、障碍物的干扰导致节点不可达,抑或是新节点的加入会导致网络拓扑变化。

  (2)移动网络

  移动网络也叫动态网络,网络中的所有节点具有移动能力,可以通过路径选择到达目标位置。除在静态网络中对网络拓扑变化产生影响的那些因素以外,节点的移动性是导致移动网络拓扑变化的首要因素。

  (3)混合型网络

  混合型是在静态网络的基础上辅以部分移动节点来保证覆盖性和连通性的网络。引起网络拓扑变化的因素和移动网络相似。

  根据构成的差异,无线传感器网络还可分为同构无线传感器网络(Homogeneous Wireless Sensor Networks)和异构无线传感器网络(Heterogeneous Wireless Sensor Networks)。

  (1)同构无线传感器网络

  由相同类型传感器节点组成的网络称为同构无线传感器网络。早期的无线传感器网络研究一般都集中在同构无线传感器网络上。即认为网络内的所有节点的软硬件资源都是一样的,节点类型是单一的。研究中,关于无线传感器网络的假设,忽略了传感器网络对研究结果影响不大的一些物理属性,虽然在精确度上存在一定程度的缺失,但正是这种假设简化了问题的复杂度,有利于对传感器网络中一些问题进行定性研究。

  (2)异构无线传感器网络

  异构无线传感器网络是指由多种不同类型的传感器节点构成的网络。客观上讲,无线传感器网络的异构性是普遍存在的。以最常见的能量异构性为例,不同类型的传感器节点配置不同的初始能量,即使是同种类型的节点构成的无线传感器网络,对于多对一的多跳网络传输中,网关附近的节点将消耗更多的能量,也会出现能量的异构性现象。

  无线传感器网络的异构性不仅体现在能量上,还包括感测能力、计算能力、通信能力、网络结构协议等多个方面。