第1部分 空間傳感器網絡技術發展現狀

第1章 無線傳感器網絡簡介

1.1 無線傳感器網絡概述

隨著社會的不斷發展和進步，通信技術也在高速發展，無線通信技術的應用也越來越廣泛，不斷改變著我們的生活。無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN）作為無線通信中一個新的領域，也得到了快速發展，并走向集成化和規?；l展。

WSN是由大量低成本、低功耗功能不同的傳感器節點組成，可以被廣泛地應用于各種不同的復雜環境中。由于微機電系統和通信技術的快速發展，使得傳感器節點變得越來越微型化、智能化，成本也越來越低。傳感器節點的體積雖然很小，但是集成嵌入式微處理器、無線射頻收發裝置和各種傳感器。這類傳感器除了能夠檢測環境中我們需要的一些數據外，還可以對收集到的數據進行一些必要的處理，然后把數據通過無線網絡發送給其他節點或網關，有的傳感器節點甚至具備數據融合功能。因此，WSN不僅能夠進行信息采集，而且還能實現數據處理、無線通信和與因特網互聯，可以廣泛地應用到環境監測、軍事、醫療、工業控制等多個領域。WSN是繼因特網之后，將對人類生活方式產生重大影響的重要技術之一，是物聯網的重要組成部分。近些年來，WSN在學術界和工業界得到極大的關注，同時也引發了研究熱潮。為了解決WSN的設計和應用問題，開展了大量的研究活動，取得了顯著的成果?？梢灶A見，WSN將在民用和軍事領域取得更為廣泛的應用。

WSN是一種特殊的無線通信網絡，它是由許多個傳感器節點通過無線自組織網絡的方式構成的，應用在一些人力不能及的領域，如戰場、環境檢測等地方，通過無線網絡的形式將傳感器感知到的數據進行簡單的處理之后，傳送給網關或者外部網絡，因為WSN具有自組織網形式和抗擊毀的特點，已經引起了各個國家的重視。

WSN是由多個無線傳感器節點和少數幾個匯聚（Sink）節點構成，一般來說無線傳感器網絡的工作流程如下：首先在目標區域部署大量的微型且具有一定的數據處理能力的無線傳感器節點，節點激活后通過無線網絡來搜集它附近的傳感器節點，并和這些節點建立網絡連接，從而形成多節點分布式網絡，這些無線傳感器節點通過自身集成的傳感器感知和收集這些區域的信息，經過自身的處理器處理完后，通過節點之間的相互通信最終傳送到外部網絡。

如圖1-1所示，WSN由傳感區域內大量無線傳感器節點、Sink節點和外部網絡構成，其中無線傳感器節點按照一定的規則分布在被監測區域內，通過協作感知的形式實現區域內節點間的通信?？紤]到節點能量問題或者通信范圍的限制，節點只能與一定范圍內的節點進行數據交換，因此要將數據傳送到鄰居節點以外的節點或者外部網絡，必須采用多跳傳輸。Sink節點的能量值和通信距離比其他傳感器節點要輕一些，負責整個無限通信網絡與外部網絡之間的信息交換，從而實現外部網關與傳感區域內的節點的相互通信。例如節點A感知到的數據通過B、C、D多跳傳送給Sink節點，再由Sink節點傳送到外部網絡。

傳統的無線網絡包括移動通信、無線局域網、無線個人網、藍牙網絡等，這些網絡大多都是為了滿足音頻、視頻、圖像等信息的交換。而WSN一般是為了某個特定的應用而設計，是一種基于應用的無線網絡，和傳統的無線通信網絡、蜂窩網絡相比，WSN有下面幾個特點。

（1）網絡規模大：WSN節點的數量通常都是成百上千，有的甚至上萬。為了對某些地理區域進行監測、保證數據的高可靠性和實現數據的冗余，需要高密度部署節點，其數量比移動自組織網絡多出幾個數量級。

（2）自組織：傳感器節點通常部署在環境惡劣或者無人區域，一旦完成部署，傳感器節點必須能夠自動配置，完成組網工作，并且能夠根據節點的加入或退出來重新組織網絡，使網絡能夠穩定運行。

（3）安全性差：對于WSN來說，由于每個節點的通信范圍是非常有限的，因此只能和自己通信范圍內的節點進行通信，采用無線信道，對于鄰居節點以外的節點通信需要通過多跳路由的形式進行，所以傳輸的可靠性不高。

（4）資源有限：由于無線傳感器節點受到成本、硬件體積等的影響，節點只具備有限的信號處理能力、計算能力和存儲能力等。

（5）能量有限：由于受到成本和硬件條件的影響，傳感器節點一般都采用電池供應能量，其能量有限。節點的能量消耗主要集中在節點的數據收發和處理上，而數據的接收和發送占據了主要部分。

（6）動態拓撲：WSN節點容易被破壞或者失效，節點的添加、能量耗盡、信道衰減等因素都可以引起網絡拓撲結構的變化。

（7）數據高冗余度：WSN通常采用大量的傳感器節點協同完成任務，這些肩墊被密集地部署在目標區域，多個節點所獲取的數據具有較強的相關性和冗余度。