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无线传感器网络的特点及关键技术

无线传感器网络的特点及关键技术

无线传感器网络被普遍认为是二十一世纪最重要的技术之一，是

目前计算机网络、无线通信和微电子技术等领域的研究热点。下面

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一、无线传感器网络的特点

与其他类型的无线网络相比，传感器网络有着鲜明的特征。其主

要特点可以归纳如下：

(一)传感器节点能量有限。当前传感器通常由内置的电池提供能量，

由于体积受限，因而其携带的能量非常有限。如何使传感器节点有限

的能量得到高效的利用，延长网络生存周期，这是传感器网络面临的

首要挑战。

(二)通信能力有限。无线通信消耗的能量与通信距离的关系为

E=kdn。其中，参数n的取值为2≤n≤4，n的取值与许多因素有关。

但是不管n具体的取值，n的取值范围一旦确定，就表明，无线通信的

能耗是随着距离的增加而更加急剧地增加的。因此，在满足网络连通

性的要求下，应尽量采用多跳通信，减少单跳通信的距离。通常，传

感器节点的通信范围在100m内。

(三)计算、存储和有限。一方面为了满足部署的要求，传感器节点

往往体积小;另一方面出于成本控制的目的，节点的价格低廉。这些因

素限制了节点的硬件资源，从而影响到它的计算、存储和通信能力。

(四)节点数量多，密度高，覆盖面积广。为了能够全面准确的监测

目标，往往会将成千上万的传感器节点部署在地理面积很大的区域内，

而且节点密度会比较大，甚至在一些小范围内采用密集部署的方式。

这样的部署方式，可以让网络获得全面的数据，提高信息的可靠性和

准确性。

(五)自组织。传感器网络部署的区域往往没有基础设施，需要依靠

传感器节点协同工作，以自组织的方式进行网络的配置和管理。

(六)拓扑结构动态变化。传感器网络的拓扑结构通常是动态变化的，

例如部分节点故障或电量耗尽退出网络，有新的节点被部署并加入网

络，为节约能量节点在工作和休眠状态间进行切换，周围环境的改变

造成了无线通信链路的变化，以及传感器节点的移动等都会导致传感

器网络拓扑结构发生变化。

(七)感知数据量巨大。传感器网络节点部署范围大、数量多，且网

络中的每个传感器通常都产生较大的流式数据并具有实时性，因此网

络中往往存在数量巨大的实时数据流。受传感器节点计算、存储和带

宽等资源的限制，需要有效的分布式数据流管理、查询、分析和挖掘

方法来对这些数据流进行处理。

(八)以数据为中心。对于传感器网络的用户而言，他们感兴趣的是

获取关于特定监测目标的真实可靠的数据。在使用传感器网络时，用

户直接使用其关注的事件作为任务提交给网络，而不是去访问具有某

个或某些地址标识的节点。传感器网络中的查询、感知、传输都是以

数据为中心展开的。

(九)传感器节点容易失效。由于传感器网络应用环境的特殊性以及

能量等资源受限的原因，传感器节点失效(如电池能量耗尽等)的概率远

大于传统无线网络节点。因此，需要研究如何提高数据的生存能力、

增强网络的健壮性和容错性以保证部分传感器节点的损坏不会影响到

全局任务的完成。此外，对于部署在事故和自然灾害易发区域的无线

传感器网络，还需要进一步研究当事故和灾害导致大部分传感器节点

失效时如何最大限度地将网络中的.数据保存下来，以提供给灾害救援

和事故原因分析等使用。

二、关键技术

无线传感器网络作为当今信息领域的研究热点，设计多学科交叉

的研究领域，有非常多的关键技术有待研究和发现，下面列举若干。

(一)网络拓扑控制。通过拓扑控制自动生成良好的拓扑结构，能够

提高路由协议和MAC协议的效率，可为数据融合、时间同步和目标定

位等多方面奠定基础，有利于节省能量，延长网络生存周期。所以拓

扑控制是无线传感器网络研究的核心技术之一。目前，拓扑控制主要

研究的问题是在满足网络连通度的前提下，通过功率控制或骨干网节

点的选择，剔除节点之间不必要的通信链路，生成一个高效的数据转

发网络拓扑结构。

(二)介质访问控制(MAC)协议。在无线传感器网络中，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