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  一、什么是傳感網

  傳感網是當今信息領域新的研究熱點，是微機電系統(tǒng)、計算機、通信、自動控制、人工智能等多學科交叉的綜合性技術。目前的研究涉及通信、組網、管理、分布式信息處理等多個方面。具體而言，傳感網的關鍵技術包括路由協議、MAC協議、拓撲控制、定位、時間同步、數據管理等。

  二、傳感網的特點

  1、大規(guī)模

  傳感網一般都由大量的傳感器節(jié)點組成，節(jié)點的數量可能達到成千上萬，甚至更多。一方面，傳感器節(jié)點分布在很大的地理區(qū)域內;另一方面，傳感器節(jié)點部署很密集，在一個面積不是很大的空間內，密集部署了大量的傳感器節(jié)點。

  2、自組織

  傳感器節(jié)點的位置不需要設計或預先確定，這使得傳感器節(jié)點可以隨機部署在人跡罕至的地形或救災行動中。這就要求傳感器節(jié)點必須具有自組織能力。在一個傳感器節(jié)點部署完成之后，首先，必須檢測它的鄰居并建立通信，其次必須了解相互連接的節(jié)點的部署、節(jié)點的拓撲結構，以及建立自組織多跳的通信信道。

  3、動態(tài)性

  傳感網具有很強的動態(tài)性，它的拓撲結構可能因為下列因素而改變。

  1)環(huán)境因素或電能耗盡所造成的傳感器節(jié)點出現故障或失效;

  2)環(huán)境條件變化可能造成無線通信鏈路帶寬變化，甚至時斷時通;

  3)傳感網的傳感器、感知對象和觀察者這三個要素都可以具有移動性;

  4)新節(jié)點的加入。

  4、容錯性

  根據不同的應用場景，傳感器節(jié)點有可能部署在環(huán)境相當惡劣的地區(qū)，一些傳感器節(jié)點可能會因為電力不足、有物理損壞或外部環(huán)境的干擾而不能工作或者處于阻塞狀態(tài)，此時要確保傳感器節(jié)點的故障不能影響到整個傳感網的正常工作，也就是說，傳感網不能因為傳感器節(jié)點故障而產生任何中斷。

  5、資源受限

  一個傳感網實際上是由大量的體積非常小、低成本、低功耗、多功能的傳感器節(jié)點密集部署而形成的網絡，這些節(jié)點只能在短距離內自由通信。一般來講，傳感器節(jié)點不會作為移動設備，而是在部署之后靜止不動，在有些情況下對其補充能量是不現實的。由于節(jié)點體積微小、資源受限等特征使得其在能量和計算上都存在著很大的限制?？傮w來說，節(jié)點的資源制約因素主要包括有限的能量、短的通信范圍、低帶寬、有限的處理和存儲能力。

  6、應用相關

  與其他網絡相比，傳感網在設計和面對的挑戰(zhàn)上有很多不同，傳感網的解決方案是與應用緊密結合的。根據應用要求的不同，傳感網也將檢測不同的物理量，獲取不同的信息，因而傳感網的設計在很大程度上依賴于其所處的監(jiān)控環(huán)境。在確定網絡規(guī)模、部署計劃以及網絡的拓撲結構時，應用環(huán)境都起著關鍵作用。而網絡規(guī)模又會隨著所監(jiān)測環(huán)境的變化而變化。對于室內環(huán)境有限的空間，需要較少的節(jié)點組成網絡，而在室外環(huán)境中可能需要更多的節(jié)點以覆蓋較大的面積。當應用環(huán)境是人類不可訪問的，或由數百到數千節(jié)點組成的網絡時，臨時部署要優(yōu)于預先計劃的部署。而環(huán)境中的障礙物也可以限制節(jié)點之間的通信，這反過來又會影響網絡連接(或拓撲)

  三、傳感網的核心技術有哪些

  1、路由協議

  路由協議負責將數據分組從源節(jié)點通過網絡轉發(fā)到目的節(jié)點，協議的主要功能是尋找源節(jié)點和目的節(jié)點間的優(yōu)化路徑，將數據分組沿著優(yōu)化路徑正確轉發(fā)。在根據傳感網的具體應用設計路由機制時，要滿足下面的要求：

  1)能量高效。傳感網路由協議不僅要選擇能量消耗小的消息傳輸路徑，而且要從整個網絡的角度考慮，選擇使整個網絡能量均衡消耗的路由。由于傳感器節(jié)點的資源是有限的，因而傳感網的路由機制要能夠簡單而且高效地實現信息傳輸。

  2)可擴展性。在傳感網中，檢測區(qū)域范圍或節(jié)點密度不同，網絡規(guī)模會有所不同;節(jié)點失敗、新節(jié)點加入以及節(jié)點移動等，也會使得網絡拓撲結構動態(tài)地發(fā)生變化，這就要求路由機制具有可擴展性，能夠適應網絡結構的變化。

  3)魯棒性。能量耗盡或環(huán)境因素造成的傳感器節(jié)點失效，周圍環(huán)境影響無線鏈路的通信質量以及無線鏈路本身的缺點等，這些傳感網的不可靠特性要求路由機制具有一定的容錯能力。

  4)快速收斂性。傳感網的拓撲結構動態(tài)變化，節(jié)點能量和通信帶寬等資源有限，因此要求路由機制能夠快速收斂，以適應網絡拓撲的動態(tài)變化，減少通信協議開銷，提高消息傳輸的效率。

  2、MAC協議

  在傳感網中，介質訪問控制(MAC)協議決定無線信道的使用方式，在傳感器節(jié)點之間分配有限的無線通信資源，用來構建傳感網系統(tǒng)的底層基礎結構。MAC協議處于傳感網協議的底層部分，對傳感網的性能有較大影響，是保證傳感網高效通信的關鍵網絡協議之一。傳感器節(jié)點的能量、存儲、計算和通信帶寬等資源有限，單個節(jié)點的功能比較弱，而傳感網的強大功能是由眾多節(jié)點協作實現的。多點通信在局部范圍需要MAC協議協調無線信道分配，在整個網絡范圍內需要路由協議選擇通信路徑。在設計傳感網的MAC協議時，需要著重考慮以下幾個方面。

  1)節(jié)省能量。傳感器節(jié)點一般是由電池提供能量，而且電池能量通常難以進行補充，為了長時間保證傳感器網絡的有效工作，MAC協議在滿足應用要求的前提下，應盡量節(jié)省節(jié)點的能量。

  2)可擴展性。由于傳感器節(jié)點數目、節(jié)點分布密度等在傳感網生存過程中不斷發(fā)生變化，節(jié)點位置也可能移動，還有新節(jié)點加入網絡的問題，因此傳感網的拓撲結構具有動態(tài)性。MAC協議也應具有可擴展性，以適應這種動態(tài)變化的拓撲結構。

  3)網絡效率。網絡效率包括網絡的公平性、實時性、網絡吞吐量以及帶寬利用率等。

  3、拓撲控制

  傳感網拓撲控制主要研究的問題是在滿足網絡覆蓋度和連通度的前提下，通過功率控制和骨干網節(jié)點選擇，剔除節(jié)點之間不必要的通信鏈路，形成一個數據轉發(fā)的優(yōu)化網絡結構。具體地講，傳感網中的拓撲控制按照研究方向可以分為兩類：節(jié)點功率控制和層次型拓撲控制。功率控制機制調節(jié)網絡中每個節(jié)點的發(fā)射功率，在滿足網絡連通度的前提下，均衡節(jié)點的單跳可達鄰居數目。層次型拓撲控制利用分簇機制，讓一些節(jié)點作為簇頭節(jié)點，由簇頭節(jié)點形成一個處理并轉發(fā)數據的骨干網，其他非骨干網節(jié)點可以暫時關閉通信模塊，進入休眠狀態(tài)以節(jié)省能量。

  4、定位

  對于大多數應用，不知道傳感器位置而感知的數據是沒有意義的。傳感器節(jié)點必須明確自身位置才能詳細說明“在什么位置或區(qū)域發(fā)生了特定事件”，實現對外部目標的定位和追蹤;另一方面，了解傳感器節(jié)點位置信息還可以提高路由效率，為網絡提供命名空間，向部署者報告網絡的覆蓋質量，實現網絡的負載均衡以及網絡拓撲的自配置。而人工部署和為所有網絡節(jié)點安裝GPS接收器都會受到成本、功耗、擴展性等問題的限制，甚至在某些場合可能根本無法實現，因此必須采用一定的機制與算法實現傳感網的自身定位。

  5、時間同步

  在傳感網中，單個節(jié)點的能力非常有限，整個系統(tǒng)所要實現的功能需要網絡內所有節(jié)點相互配合共同完成。很多傳感網的應用都要求節(jié)點的時鐘保持同步。

  在傳感網的應用中，傳感器節(jié)點將感知到的目標位置、時間等信息發(fā)送到網絡中的匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點對不同傳感器發(fā)送來的數據進行處理后便可獲得目標的移動方向、速度等信息。為了能夠正確地監(jiān)測事件發(fā)生的順序，要求傳感器節(jié)點之間必須實現時間同步。在一些事件監(jiān)測的應用中，事件自身的發(fā)生時間是相當重要的參數，這要求每個節(jié)點維持唯一的全局時間以實現整個網絡的時間同步。

  時間同步是傳感網的一個研究熱點，在傳感網中起著非常重要的作用，國內外的研究者已經提出了多種傳感網時間同步算法。

  6、數據管理

  傳感網本質上是一個以數據為中心的網絡，它處理的數據為傳感器采集的連續(xù)不斷的數據流。由于傳感網能量、通信和計算能力有限，因此傳感網數據管理系統(tǒng)通常不會把數據都發(fā)送到匯聚節(jié)點進行處理，而是盡可能在傳感網中進行處理，這樣可以最大限度地降低傳感網的能量消耗和通信開銷，延長傳感網的生命周期?，F有的數據管理技術把傳感網看作來自物理世界的連續(xù)數據流組成的分布式感知數據庫，可以借鑒成熟的傳統(tǒng)分布式數據庫技術對傳感網中的數據進行管理。由于傳感器節(jié)點的計算能力、存儲容量、通信能力以及電池能量有限，再加上Flash存儲器以及數據流本身的特性，給傳感網數據管理帶來了不同于傳統(tǒng)分布式數據庫系統(tǒng)的一些新挑戰(zhàn)。

  傳感網數據管理技術包括數據的存儲、查詢、分析、挖掘以及基于感知數據決策和行為的理論和技術。傳感網的各種實現技術必須與這些數據管理技術密切結合，才能夠設計實現高效率的以數據為中心的傳感網系統(tǒng)。到目前為止，數據管理技術的研究還不多，還有大量的問題需要解決。