浅谈无线传感器网络的3个方面
浅谈无线传感器网络的3个方面
无线网络主要分为两类。一类是具备基础设施的网络，它依赖于固定的基站，例如，我们常见的手机通信无线蜂窝网络就需要借助高耸的天线和强大的基站来提供支持；另一类则是不依赖基础设施的网络，它包括移动Ad Hoc网络和无线传感器网络（WSN），这些网络的节点是分散布局的，并不设有固定的基站。尽管如此，这类网络虽然无专门的固定基站，但依然存在基站。Ad Hoc网络，即无线自组织网络，其终端设备均具有快速移动的特性。相对而言，无线传感器网络的节点要么处于静止状态，要么移动速度极为缓慢。官方对无线传感器网络的定义是：它是由众多静止或缓慢移动的传感器节点，通过自组织和多跳通信方式构建而成的无线网络。观察可知，传感器网络的核心职责涵盖数据采集、处理及传输三大任务，这三者分别依赖于传感器技术、计算机处理技术以及无线通信技术。鉴于传感器网络节点的通信多采用无线方式，因此，传感器网络通常被等同于无线传感器网络。
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在传感器网络中，某些节点或所有节点能够以较慢的速度移动，其拓扑结构会伴随节点的移动而持续发生动态变化。节点间的通信采用Ad Hoc模式，每个节点均能扮演路由器的角色，并且拥有动态搜索、定位以及恢复连接的功能。从用户视角出发，无线传感器网络的结构主要由传感器节点、汇聚节点（类似于网关）以及管理节点构成。从网络功能的角度分析，每个传感器节点不仅具备信息采集和路由的双重特性，还执行本地信息的搜集与数据处理任务，并且负责存储、管理以及整合来自其他节点转发的数据，同时与其它节点协同无线传感器网络节点的基本结构，共同完成特定功能。图中展示了传感器网络的系统结构，众多传感器节点遍布于监测区域，它们以自组织形式构建起网络。这些节点在初步处理探测信息后浅谈无线传感器网络的3个方面，会采用多跳中继的方式将数据传输至汇聚节点。随后，信息将通过卫星、互联网等渠道传递至管理节点，即终端用户。终端用户同样能够通过管理节点对传感器网络进行操作和设置，例如下达监测任务等。
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传感器节点由处理器、射频组件和探测组件构成，其中处理器负责计算与控制任务无线传感器网络节点的基本结构，射频组件负责无线通信传输，探测组件负责数据采集。而汇聚节点则无需配备探测组件，仅需处理器模块和射频模块即可。不过，汇聚节点通常具备更强大的处理器模块，这包括提升的计算处理能力、存储处理能力和通信能力。它既可以是具备充足能量供应、更丰富的内存资源以及更强计算能力的强化型传感器节点，又可是一个配备无线通信接口的网关装置（其主要职能为数据转换）。此设备负责实现传感器网络与外部网络之间的数据交互。
2.传感器网络的结构
传感器网络的架构与TCP/IP类似，同样采用五层协议结构。其中，物理层主要负责生成载波频率、信号调制与解调；数据链路层则负责数据的封装、帧检测、介质访问控制以及差错控制，确保点对点及点对多点的通信可靠性，并保证源节点信息能够准确无误地到达目标节点；网络层负责路由的发现与维护，通常情况下，多数节点无法直接与网关进行通信，需借助中间节点，通过多跳路由将数据传输至汇聚节点；传输层则负责数据流的传输控制；而应用层则负责具体应用，如时间同步和定位等功能。众多传感器在协同执行特定任务时，彼此间的协作至关重要，这就要求节点在休眠与激活过程中实现时钟的同步，从而确保传感器节点之间的时钟一致性。为了精确定位，需明确传感器节点的相对或绝对位置。同时无线传感器网络节点的基本结构，应用层还需提供相应的应用服务接口和网络管理接口。
根据传感器节点的数量，我们可以将传感器网络的结构划分为平面和分级两种类型。在平面结构中，各个节点享有相同的地位，从源节点到目标节点通常有多条路径可供选择，网络中的负载则由这些路径共同分担。然而，随着传感器节点数量的上升，可以预见到每个节点都需要持续进行自组织网络的构建与路由设置；加之，所有节点均扮演路由器的角色，这会导致大量节点参与到路由过程中，进而大量占用带宽，对网络数据的传输速度造成影响。此外，还需注意的是其扩展性不足，新增一个节点时，必须确保所有现有节点都意识到该节点已接入网络，因此，平面结构仅适用于节点数量较少的传感器网络。考虑到传感器节点必须承担一定的成本，若我们采用分层架构，使得每个节点仅需维护其所在区域的网络拓扑，便能有效降低成本。这种分层结构的思想，实际上是将传感器网络划分成了若干个簇，每个簇内包含一个簇头以及若干个簇成员。这些簇头进一步构成了一个更高层次的网络结构。这可以比作TCP/IP协议中的子网概念，其中路由器在转发数据包时，会依据网络号进行选择。在传感器网络的分级架构中，簇头节点承担着在簇间传输数据的任务，而簇内成员主要负责数据的收集。这样的分工显著降低了网络中路由控制信息的总量，从而提升了网络的扩展性能。簇头的选取既可以是预先设定的，也可以通过节点运用分簇算法进行自动选举。
然而，世间万物皆无完美。簇头在处理整个簇群间的数据及其拓扑结构时，必须投入大量能量，且难以进入休眠状态。这就导致了簇头能量消耗的增加。对于传感器网络而言，能量消耗问题尤为棘手。尽管分级结构相较于平面结构更为复杂，但整体能量消耗却有所降低，这是因为只有簇头需要大量能量，从而提升了其实用性。
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3.传感器网络的特点
传感器网络与无线网络在诸多方面具有共通之处，然而它们之间亦存在显著的不同。传感器网络本质上是一种融合了监测、控制及无线通信功能的网络体系，其节点数量众多，分布密集，且易受外界环境和能量消耗的限制。传感器网络节点往往更易发生故障，这主要是因为节点故障或新节点的加入导致网络拓扑结构持续变动。通常，传感器节点是固定不动的。这些差异的主要原因是传感器网络与无线网络在关注点上的不同。无线网络的首要任务是确保优质的服务水平及高效的网络使用率，而传感器网络的核心追求则是在实现其功能的同时，力求最大限度地节约能源并高效利用能源。鉴于传感器节点受限于环境因素，其供电能力相对有限，多数情况下只能依赖电池供电，因此，在传感器网络的设计中，节能成为了一个至关重要的理念。
传感器节点所使用的能量主要分布在传感器部分、处理部分以及无线传输部分。得益于技术的不断革新，传感器和处理器的能耗已有所下降，而无线传输部分则成为了能耗的主要集中区域。具体到通信模块，其能耗从高到低依次为数据发送、数据接收、空闲监听以及睡眠模式，而睡眠模式下的能耗则是最低的。传感器节点在能量方面存在限制，同时其通信及计算存储能力亦受到制约。这些限制可通过节点体积小巧、成本较低的特点得以体现。
传感器网络在构建过程中展现出自主构建、以数据为核心、网络规模庞大以及稳定可靠等特性。在这些特性中，自主构建尤为关键，因为当传感器节点被置于工作场景中时，并不存在一个预设的中心节点。它们通过分布式算法相互配合，无需人工干预，便能自发形成一个探测网络。由于缺乏中心节点，整个网络对单个节点的脱落具有极强的抗干扰能力。传感器网络由此构建完成，即便新节点加入、传感器节点发生故障或失效，或是传感器、感知对象或观察者发生移动浅谈无线传感器网络的3个方面，该网络依然能够自主地形成新的通信网络。正得益于这些优势，传感器网络得以持续迅猛发展。
