無線智能傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的難點與關(guān)鍵技術(shù)
無線智能傳感器網(wǎng)絡(luò)涉及多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域，有非常多的難點和關(guān)鍵技術(shù)有待發(fā)現(xiàn)與研究，具體來說有節(jié)能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全、協(xié)議與拓?fù)淇刂?、時間同步、定位技術(shù)、數(shù)據(jù)融合、容錯性、無線通信技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)與技術(shù)難點。
1）節(jié)能技術(shù)研究
由于傳感器網(wǎng)節(jié)點多，覆蓋范圍大，對于電池供電系統(tǒng)通過更換電池來延長網(wǎng)絡(luò)壽命不容易實現(xiàn)，設(shè)計中必須充分考慮節(jié)能的問題，使得整個網(wǎng)絡(luò)在消耗盡可能少能量情況下完成盡可能多的任務(wù)。
休眠機制是節(jié)省能量的最有效方式之一。但如何進行休眠調(diào)度，而不影響傳感器網(wǎng)的正常運行十分重要，不能因此而使網(wǎng)絡(luò)的探測覆蓋范圍明顯降低。目前已有多種算法提出來進行休眠調(diào)度，通過考慮電量的計算、低能量消耗的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議技術(shù)，從硬件、軟件和系統(tǒng)的角度來實現(xiàn)傳感器網(wǎng)的節(jié)電設(shè)計，通過采取動態(tài)調(diào)整監(jiān)控電壓，降低處理器供電電壓，減緩運算速度等方式，獲取更長的工作時間。
2) 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究
由于傳感器節(jié)點的計算能力、存儲能力、通信能力以及攜帶的能量都十分有限，每個節(jié)點只能獲得局部網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔?，?jié)點上運行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議也不能太復(fù)雜。同時，傳感器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)變化，網(wǎng)絡(luò)資源也在不斷變化，這些都對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議提出了更高的要求。目前研究的重點是網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)層的路由協(xié)議決定監(jiān)測信息的傳輸路徑；數(shù)據(jù)鏈路層的介質(zhì)訪問控制用來構(gòu)建底層的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，控制傳感器節(jié)點的通信過程和工作模式。
傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議首先要考慮的是節(jié)省能源和可擴展性，其次才考慮公平性、利用率和實時性。在MAC層的能量浪費主要表現(xiàn)在空閑偵聽、接收不必要的數(shù)據(jù)和碰撞重傳等。為了減少能量的消耗，MAC協(xié)議通常采用“偵聽/睡眠”交替的無線信道偵聽機制，傳感器節(jié)點在需要收發(fā)數(shù)據(jù)時才偵聽無線信道，沒有數(shù)據(jù)收發(fā)時就盡量進入睡眠狀態(tài)。
3) 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂?/strong>
對于無線自組織的傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂凭哂刑貏e重要的意義。通過拓?fù)淇刂谱詣由闪己玫木W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠提高路由協(xié)議和MAC協(xié)議的效率，可為數(shù)據(jù)融合、時間同步和目標(biāo)定位等多方面奠定基礎(chǔ)，有利于節(jié)省節(jié)點的能量來延長網(wǎng)絡(luò)的生存期。所以，拓?fù)淇刂剖莻鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)研究的核心技術(shù)之一。
4) 網(wǎng)絡(luò)安全
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為任務(wù)型的網(wǎng)絡(luò)，不僅要進行數(shù)據(jù)的傳輸，而且要進行數(shù)據(jù)采集和融合、任務(wù)的協(xié)同控制等。如何保證任務(wù)執(zhí)行的機密性、數(shù)據(jù)產(chǎn)生的可靠性、數(shù)據(jù)融合的高效性以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，就成為傳感器網(wǎng)絡(luò)安全問題需要全面考慮的內(nèi)容。
為了保證任務(wù)的機密布置和任務(wù)執(zhí)行結(jié)果的安全傳遞和融合，傳感器網(wǎng)絡(luò)需要實現(xiàn)一些最基本的安全機制：機密性、點到點的消息認(rèn)證、完整性鑒別、新鮮性、認(rèn)證廣播和安全管理，水印技術(shù)也成為傳感器網(wǎng)絡(luò)安全的研究內(nèi)容。
5) 時間同步
在基于TDMA方式的通訊和時間相關(guān)的監(jiān)測任務(wù)中，工作節(jié)點的時鐘需要保持同步。然而只有整個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)存在大量可利用的時標(biāo)情況下，在龐大的網(wǎng)絡(luò)中維持一個全局性的時間標(biāo)準(zhǔn)才是可行的，顯然這種方式并不適合于傳感器網(wǎng)，最好的解決策略是節(jié)點維護自身的時鐘。傳感器網(wǎng)時間同步方案應(yīng)該在系統(tǒng)中建立一個本地時鐘與其它時鐘相關(guān)的偏移參數(shù)表，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程中利用這些參數(shù)進行本地與遠地時間比較。事實上時間參數(shù)變換可以封裝進數(shù)據(jù)包，即節(jié)點能夠在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)過程中持續(xù)進行時間變換以保證每一跳中能與本地時鐘一致。時間同步是傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)協(xié)同工作的一個關(guān)鍵機制。
6) 定位技術(shù)
位置信息是傳感器節(jié)點采集數(shù)據(jù)中不可缺少的部分，沒有位置信息的監(jiān)測消息通常是毫無意義的?？紤]到大多數(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景，獲得傳感器的絕對或相對位置是十分重要的。目前的一些研究是通過借助GPS技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)定位。
7) 數(shù)據(jù)融合
數(shù)據(jù)融合是將多份數(shù)據(jù)或信息進行綜合，以獲得更符合需要結(jié)果的過程。數(shù)據(jù)融合技術(shù)應(yīng)用在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，可以在匯聚數(shù)據(jù)的過程中減少數(shù)據(jù)傳輸量，提高信息的精度和可信度，以及網(wǎng)絡(luò)采集數(shù)據(jù)的整體效率。在應(yīng)用層可以利用分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)，對采集到的數(shù)據(jù)進行逐步篩選；網(wǎng)絡(luò)層的很多路由協(xié)議均結(jié)合了數(shù)據(jù)融合機制，以期減少數(shù)據(jù)傳輸量。
8) 容錯性
由于周圍物理環(huán)境或其自身能量耗盡傳感器就會失效，對于替換傳感器可能性不大的情況下，整個網(wǎng)絡(luò)必須能夠在其應(yīng)用過程中及時屏蔽掉發(fā)生故障的傳感器。容錯過程可以在數(shù)據(jù)交換中實現(xiàn)（例如SPIN協(xié)議），但該過程要消耗能量。因此出現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和能量利用矛盾的沖突，衡量數(shù)據(jù)交換與功耗的優(yōu)先權(quán)在取決于實際應(yīng)用情況。
9) 無線通信技術(shù)
傳感器網(wǎng)絡(luò)需要低功耗短距離的無線通信技術(shù)。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)是針對低速無線個域網(wǎng)的通信標(biāo)準(zhǔn)，把低功耗、低成本作為設(shè)計的主要目標(biāo)，旨在為個人或者家庭范圍內(nèi)不同設(shè)備之間低速聯(lián)網(wǎng)提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。由于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)特征與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特征十分類似，目前有許多研究機構(gòu)把它作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線通信平臺。超寬帶技術(shù)（UWB）是一種極具潛力的無線通信技術(shù)。超寬帶技術(shù)具有對信道衰落不敏感，發(fā)射信號功率譜密度低、低截獲能力、系統(tǒng)復(fù)雜度低、能提供數(shù)厘米的定位精度等優(yōu)點，非常適合應(yīng)用在無線智能傳感器網(wǎng)絡(luò)中.迄今為止關(guān)于UWB有兩種技術(shù)方案，一種是以Freescale公司為代表的DS-CDMA單頻方案，另一種是有英特爾、德州儀器等公司共同提出的多頻帶OFDM方案，但目前還沒有一種方案成為正式的國際標(biāo)準(zhǔn)。本文源自澤天傳感，轉(zhuǎn)載請保留出處。
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