无线传感器网络技术的关键问题

  7.2.5 无线传感器网络技术的关键问题
  1）可裁减、灵活可重构的无线传感器网络协议体系结构
  无线传感器网络在军事、环境、医疗、家庭和其他商务领域有着广泛的应用前景。可以预计.随#应用的增加，将会出现多种形式的无线传感器网络，在环境监测应用中，需要静止、低速的无线传感器网络；在军事应用中，需要可移动、髙速的无线传感器网络。这些不同形式的网络使用的拓扑结构、路由机制、管理方法等组网机制可能完全不同。它们对网络的性能有很大的影响。目前提出的各种协议都是基于某种特定的应用而提出来的，如何设计一种功能可栽减的、可以根据不同的应用需求自主重构的灵活传感器网络协议体系结构，将是一个非常具有挑战性的工作。
  2）协议跨层优化
  传统的协议分层结构严格限制只有相邻层间才能交互信息。这种方式保证系统具有很好的层次性和伸缩性，易于修改和重用，但效率很低。在无线传感器网络系统中，由于资源严格受限、提高效率是系统设计的主要目标之一。因此人们提出了跨层优化的概念，即不同层间可以共享信息并实现跨层操作，避免由于信息在各层间的存储、转发引起的时间、能世方面的开销。以下列举几个跨层优化的实例：
  ①RF唤醒机制，为了节省能量，无线传感器网络中的节点长期处于休眠状态。当一个节点检测到重要事件发生后，需要唤醒网络中其他邻近节点来协同收集、处理、传输数据。这一唤醒过程需要在网络层以上实现。然而.我们可以利用对物理层信息的共享来实现超低功耗的唤网醒机制。在物理层，唤醒信号是一个长RF脉冲。节点通过对无线信道能量的采样可以在50p内检测到是否有唤醒抢号。若唤醒检测协议直接使用物理层的信息，则可以在50Ms内检测到唤醒报文，使检测效率提高2000倍。
  ②时间同步:时间同步是无线传感器网络系统最重要的基础服务之一，是节点协同作的基础。影响时间同步精度的因素有很多，其中一个主要因素是同步报文本地处理时间的不确定性，如缓存、MAC协议处理、回退等有时会引起几百毫秒的误差，在严格的分层结构中这些误差难以克服。若采用跨层优化方式，使时间同步协议直接获取物理层的时间信息，可有效避免本地处理带来的误差。
  ③节点定位:节点定位是确定每个传感器节点在系统中的相对位置或绝对地理坐标。节点定位功能在无线传感器网络的许多应用中都起着至关重要的作用>GPS定位是一种普遍使用的定位方法。但是在无线传感器网络系统中，由于体积、成本和功耗等方面的影响，不能为每个节点安装GPS。因此?需要在不具备GPS定位功能的前提下，设计新型的节点定位机制。将无线电收发器作为一朴伶感器并配以高精度的时间同步，可以实现一种简单的节点定位机制。由于射频信号的强度随着传播距离衰减，采样基带信号的强度，结合传输能量等级，可以计算出信号发送者与接收者之间的距离。在此机制中，采用跨层优化的方式，使节点定位协议直接获取物理层的信息，可以有效地降低误差，获得较为准确的位置信息。
  从上述实例我们可以看到，跨层优化的方法能够极大地提高系统的效率，但这种方法影响了系统的层次化和模块化,增加了系统设计的复杂度。
  3）相应标准的制定
  IEEE于2002年开始研究制订两个无线传感器网络相关标准。IEEE802.15.4是低速无线个域网标准，主要是物理层和MAC层标准；IEEE1451是关于无线智能变送器的接口标准。上述两个标准，一个定位于物理层标准，另一个定位于面向互操作的应用层接口标准，而在物理层和应用层中间的大彻通信协议没有相应的标准。目前，Zigbee联盟正在进行网络层协议的标准化工作，美国的Microchip公司2007年推出的“轻型”Zigbee协议MiWi可以为IEEE802.15.4收发器提供成本最低的全功能网络协议。标准的制订对于无线传感器网络的推广使用有着重要的作用。有了标准，来自不同厂商的微传感器之间才有互联组网的基础，开放性的产品之间才有竞争性，才有大批量生产的可能，从而降低成本。
  事实上，到目前为止，尽管无线传感器网络的研究取得了一些重要进展，但还是处在基本应用、演示实验阶段，没有一套完整的理论和技术体系来支持这一领域的发展；由于无线传感器网络与应用密切相关,还存在大tt的工程实际问题需要解决。

返回目录:通信工程师互联网技术新一代工业控制网络汇总

编辑推荐:

中级通信专业实务互联网技术教程汇总

中级通信专业实务传输与接入教程汇总

通信专业实务考试设备与环境教程汇总

通信专业实务考试交换技术教程汇总