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第二章 概述

第三节 1.3 无线传感器网络的特点

  在过去的几十年中,无线网络技术取得了迅猛发展。从人工操作的无线电报网络到使用扩频技术的自动化无线局域和个域网络,无线网络的应用领域随着技术的进步不断扩展。但迄今为止,主流的无线网络技术中,如IEEE 502.11、Bluetooth,都是为了数据传输而设计的,称为无线数据传输网络。目前,无线数据传输网络研究的热点问题是无线自组网络技术。尽管无线传感器网络与无线自组网络在自组织的网络结构和多跳的传输机制上有一定的相似性,而且有些文献甚至将无线传感器网络归为无线自组网络的一种。但深入的研究和对比表明,二者存在着一些本质的区别,归纳如表1-1所示。

表
  由此看来,无线传感器网络与传统的无线网络以及在组网形式上相似的无线自组网络相比,有着明显不同的设计目标、技术要求和应用要求。一些为Ad Hoc等无线自组网络设计的协议和算法未必满足无线传感器网络的特点和应用要求,需要重新根据具体应用为其设计适用的通信协议和算法。

  下面进一步简要比较一下相关的几种无线网络模型,包括移动自组织网络、蜂窝网络以及包括蓝牙技术在内的许多短距离的无线局域网。

  移动自组织网络是对等网络,它通常包含成千上万个通信节点,这些节点能覆盖到几百米的范围,可以是完全移动的。移动自组织网络的目的是形成并维持一个有联系的多跳网络,并保证节点在高速移动情形下,网络仍能提供好的吞吐时延特性。相对于移动自组织网络,无线传感器网络有如下特点:

  1)无线传感器网络传感器节点的数量比移动自组织网络节点多几个数量级,且布置非常稠密。

  2)传感器节点易于失效,无线传感器网络的拓扑结构可能变化频繁。

  3)无线传感器网络主要使用广播通信方式,而移动自组织网络主要使用P2P(Peer to Peer)通信方式。

  4)传感器节点在能量、计算能力和储存容量方面都很有限。

  5)由于传感器节点的数量巨大,所以传感器节点或许没有唯一的标志符。

  蜂窝网络是由静止节点和移动节点组成的网络。位于通信子网中的基站和构成固定基础设施结构的有线骨干网络相连。每个基站都覆盖一个很大的区域,有成百上千个移动节点。这种蜂窝网络的主要目标就是提供高的服务质量和高的带宽效率。基站有无限的功率供给,而移动台由电池供电。

  蓝牙是短距离的无线网络系统,其目的是替换掉电器之间的电缆线,同时提供电器间的射频连接。蓝牙的拓扑为星形网络结构,一个主节点最多可以有若干个附属节点与之相连。网络的信息速率大约为1Mbit/s,典型的传输功率是1mW,可覆盖10m的范围。

  综上所述,这些传统的无线网络的主要目标都是在移动环境下能提供高的服务质量和高的带宽效率,以传输数据为目的。网络的设计遵循着“端到端”的边缘论思想,强调将一切与功能相关的处理都放在网络的端系统上,中间节点仅仅负责数据分组的转发,而且能量消耗并不是设计主要考虑的因素。

  无线传感器网络是以感知为目的,实现人与人、人与物、物与物全面互联的网络。其突出特征是通过传感器等方式获取物理世界的各种信息,结合互联网、移动通信网等网络进行信息的传送与交互,采用智能计算技术对信息进行分析处理,从而提升对物质世界的感知能力,实现智能化的决策和控制。因此,中间节点不但要转发数据,还要进行与具体应用相关的数据处理、融合和缓存。

  无线传感器网络的主要特点如下。

  1.大规模网络
  为了获取精确信息,在监测区域通常部署大量传感器节点,传感器节点数量可能达到成千上万,甚至更多。通过不同空间视角获得的信息具有更大的信噪比;通过对采集的大量信息进行分布式处理能够提高监测的精确度,降低对单个节点传感器的精度要求;大量冗余节点的存在,使得系统具有很强的容错性能;大量节点能够增大覆盖的监测区域,减少洞穴或者盲区。

  2.通信能力有限

  无线传感器网络的通信覆盖范围只有几十到几百米。传感器之间的通信断接频繁。通信容易受到高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响,因此传感器可能会脱离网络离线工作。由于网络中节点通信距离有限,节点只能与它的邻居节点直接通信。如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信,则需要通过中间节点转发。普通网络的多跳路由使用网关和路由器来实现,而无线传感器网络中的多跳路由是由普通节点协作完成的,而不是由专门的路由设备来完成。这样每个节点既可以是信息的发起源,也可以充当其他节点所发起的信息的转发者。

  3.动态性网络

  无线传感器网络是一个动态的网络,节点可以随处移动。一个节点可能会因为电池能量耗尽或其他故障,退出网络运行;一个节点也可能由于工作的需要而被添加到网络中。这样,在无线传感器网络中的节点个数就动态地增加或减少,加之无线信道间的相互干扰、天气和地形等因素的影响,这些都会使无线传感器网络的拓扑结构即时动态变化。具体来讲,可能因为下列因素而改变:

  • 环境因素或电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效。环境条件变化可能造成无线通信链路的带宽变化,甚至时断时通。
  •  无线传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性。
  • 新节点的加入。
  • 可靠的网络。

  4.通信能力受限

  无线通信的能量消耗与通信距离的关系为E=kd n(1-1)

  式(1-1)中,参数n满足2<n<4。n的取值与很多因素有关,例如传感器节点部署贴近地面时,障碍物多、干扰大,n的取值就大;天线质量对信号发射质量的影响也很大。考虑诸多因素,通常取n为3,即通信能耗与距离的三次方成正比。随着通信距离的增加,能耗将急剧增加。因此,在满足通信连通度的前提下应尽量减少单跳通信距离。一般而言,传感器节点的无线通信半径在100m以内比较合适。

  考虑到传感器节点的能量限制和网络覆盖区域大,无线传感器网络采用多跳路由的传输机制。传感器节点的无线通信带宽有限,通常仅有几百kbit/s的速率。由于节点能量的变化受高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响,无线通信性能可能经常变化,频繁出现通信中断。在这样的通信环境和节点通信能力有限的情况下,如何设计网络通信机制以满足无线传感器网络的通信需求是无线传感器网络面临的挑战之一。

  5.计算和存储能力受限

  传感器节点是一种微型嵌入式设备,要求它价格低、功耗小,这些限制必然导致其携带的处理器能力比较弱,存储器容量比较小。由于传感器节点个数多、成本要求低廉、分布区域广,而且部署区域环境复杂,有些区域甚至人员不能到达,所以传感器节点通过更换电池的方式来补充能源是不现实的。如何高效使用能量来最大化网络生命周期是无线传感器网络面临的首要挑战。传感器节点消耗能量的模块包括传感器模块、处理器模块和无线通信模块。随着集成电路工艺的进步,处理器和传感器模块的功耗变得很低,绝大部分能量消耗在无线通信模块上。传感器节点传输信息时要比执行计算时更消耗电能,传输1bit信息100m距离需要的能量相当于执行3000条计算指令消耗的能量。

  无线通信模块存在发送、接收、空闲和睡眠四种状态。无线通信模块在空闲状态一直监听无线信道的使用情况,检查是否有数据发送给自己,而在睡眠状态则关闭通信模块。无线通信模块在发送状态的能量消耗最大,在空闲状态和接收状态的能量消耗接近,略少于发送状态的能量消耗,在睡眠状态的能量消耗最少。如何让网络通信更有效率,减少不必要的转发和接收,不需要通信时尽快进入睡眠状态,是无线传感器网络协议设计需要重点考虑的问题。

  为了完成各种任务,传感器节点需要完成监测数据的采集和转换、数据的管理和处理、应答汇聚节点的任务请求和节点控制等多种工作。传统Internet网络上成熟的协议和算法对传感器网络而言开销太大,难以使用,所以必须重新设计简单有效的协议及算法。如何利用有限的计算和存储资源完成诸多协同任务成为无线传感器网络设计的挑战。

  6.以数据为中心的网络

  无线传感器网络是一个任务型的网络,脱离具体应用单纯谈论节点没有实际意义。传感器网络中的节点采用编号标志,节点编号是否全网唯一取决于通信协议的设计。很多情况下,由于传感器节点是随机进行部署的,节点与节点编号之间构成的关系是完全动态的,两者没有必然联系。在传感器网络中人们只关心某个区域的某个观测指标的值,不会去关心具体某个节点的观测数据。例如,在应用于目标跟踪的传感器网络中,跟踪目标可能出现在任何地方,对目标感兴趣的用户只关心目标出现的位置和时间,并不关心哪个节点监测到了目标。也就是说,用户使用传感器网络查询事件时,并不是将所关心的事件通告给某个确定编号的节点,而是直接通告给网络,网络在获得该事件的相关信息后再汇报给用户。这种以数据本身作为查询或者传输线索的思想更接近于自然语言交流的习惯。所以,通常说无线传感器网络是一个以数据为中心的网络。

  7.应用相关的网络

  传感器用来感知客观物理世界,获取物理世界的信息量。客观世界的物理量多种多样,不可穷尽。不同的传感器应用关心不同的物理量,因此对传感器的应用系统也有多种多样的要求。不同的应用背景对传感器网络的要求不同,其硬件平台、软件系统和网络协议必然会有很大差异。所以,传感器网络不能像Internet一样,有统一的通信协议平台。对于不同的传感器网络应用虽然存在一些共性问题,但在开发传感器网络应用中,更关心传感器网络的差异。只有让系统更贴近应用,才能做出更高效的目标系统。应该针对每一个具体应用来研究传感器网络技术并设计其软硬件平台及通信协议,这是无线传感器网络设计不同于传统网络的显著特征。

  此外,无线传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域,传感器节点可能工作在露天环境中,遭受太阳的暴晒或者风吹雨淋,甚至遭到无关人员或动物的破坏。由于监测区域环境的限制以及传感器节点数量巨大,人工不能“照顾”每个传感器节点,网络的维护十分困难甚至不可维护。无线传感器网络的通信保密性和安全性也十分必要,要防止监测数据被盗取和获取伪造的监测数据。因此,无线传感器网络的软硬件必须具有鲁棒性和容错性。