無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)的關鍵問題

  7.2.5 無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)的關鍵問題
  1）可裁減、靈活可重構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議體系結(jié)構(gòu)
  無線傳感器網(wǎng)絡在軍事、環(huán)境、醫(yī)療、家庭和其他商務領域有著廣泛的應用前景。可以預計.隨#應用的增加，將會出現(xiàn)多種形式的無線傳感器網(wǎng)絡，在環(huán)境監(jiān)測應用中，需要靜止、低速的無線傳感器網(wǎng)絡；在軍事應用中，需要可移動、髙速的無線傳感器網(wǎng)絡。這些不同形式的網(wǎng)絡使用的拓撲結(jié)構(gòu)、路由機制、管理方法等組網(wǎng)機制可能完全不同。它們對網(wǎng)絡的性能有很大的影響。目前提出的各種協(xié)議都是基于某種特定的應用而提出來的，如何設計一種功能可栽減的、可以根據(jù)不同的應用需求自主重構(gòu)的靈活傳感器網(wǎng)絡協(xié)議體系結(jié)構(gòu)，將是一個非常具有挑戰(zhàn)性的工作。
  2）協(xié)議跨層優(yōu)化
  傳統(tǒng)的協(xié)議分層結(jié)構(gòu)嚴格限制只有相鄰層間才能交互信息。這種方式保證系統(tǒng)具有很好的層次性和伸縮性，易于修改和重用，但效率很低。在無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)中，由于資源嚴格受限、提高效率是系統(tǒng)設計的主要目標之一。因此人們提出了跨層優(yōu)化的概念，即不同層間可以共享信息并實現(xiàn)跨層操作，避免由于信息在各層間的存儲、轉(zhuǎn)發(fā)引起的時間、能世方面的開銷。以下列舉幾個跨層優(yōu)化的實例：
  ①RF喚醒機制，為了節(jié)省能量，無線傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點長期處于休眠狀態(tài)。當一個節(jié)點檢測到重要事件發(fā)生后，需要喚醒網(wǎng)絡中其他鄰近節(jié)點來協(xié)同收集、處理、傳輸數(shù)據(jù)。這一喚醒過程需要在網(wǎng)絡層以上實現(xiàn)。然而.我們可以利用對物理層信息的共享來實現(xiàn)超低功耗的喚網(wǎng)醒機制。在物理層，喚醒信號是一個長RF脈沖。節(jié)點通過對無線信道能量的采樣可以在50p內(nèi)檢測到是否有喚醒搶號。若喚醒檢測協(xié)議直接使用物理層的信息，則可以在50Ms內(nèi)檢測到喚醒報文，使檢測效率提高2000倍。
  ②時間同步:時間同步是無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)最重要的基礎服務之一，是節(jié)點協(xié)同作的基礎。影響時間同步精度的因素有很多，其中一個主要因素是同步報文本地處理時間的不確定性，如緩存、MAC協(xié)議處理、回退等有時會引起幾百毫秒的誤差，在嚴格的分層結(jié)構(gòu)中這些誤差難以克服。若采用跨層優(yōu)化方式，使時間同步協(xié)議直接獲取物理層的時間信息，可有效避免本地處理帶來的誤差。
  ③節(jié)點定位:節(jié)點定位是確定每個傳感器節(jié)點在系統(tǒng)中的相對位置或絕對地理坐標。節(jié)點定位功能在無線傳感器網(wǎng)絡的許多應用中都起著至關重要的作用>GPS定位是一種普遍使用的定位方法。但是在無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)中，由于體積、成本和功耗等方面的影響，不能為每個節(jié)點安裝GPS。因此?需要在不具備GPS定位功能的前提下，設計新型的節(jié)點定位機制。將無線電收發(fā)器作為一樸伶感器并配以高精度的時間同步，可以實現(xiàn)一種簡單的節(jié)點定位機制。由于射頻信號的強度隨著傳播距離衰減，采樣基帶信號的強度，結(jié)合傳輸能量等級，可以計算出信號發(fā)送者與接收者之間的距離。在此機制中，采用跨層優(yōu)化的方式，使節(jié)點定位協(xié)議直接獲取物理層的信息，可以有效地降低誤差，獲得較為準確的位置信息。
  從上述實例我們可以看到，跨層優(yōu)化的方法能夠極大地提高系統(tǒng)的效率，但這種方法影響了系統(tǒng)的層次化和模塊化,增加了系統(tǒng)設計的復雜度。
  3）相應標準的制定
  IEEE于2002年開始研究制訂兩個無線傳感器網(wǎng)絡相關標準。IEEE802.15.4是低速無線個域網(wǎng)標準，主要是物理層和MAC層標準；IEEE1451是關于無線智能變送器的接口標準。上述兩個標準，一個定位于物理層標準，另一個定位于面向互操作的應用層接口標準，而在物理層和應用層中間的大徹通信協(xié)議沒有相應的標準。目前，Zigbee聯(lián)盟正在進行網(wǎng)絡層協(xié)議的標準化工作，美國的Microchip公司2007年推出的“輕型”Zigbee協(xié)議MiWi可以為IEEE802.15.4收發(fā)器提供成本最低的全功能網(wǎng)絡協(xié)議。標準的制訂對于無線傳感器網(wǎng)絡的推廣使用有著重要的作用。有了標準，來自不同廠商的微傳感器之間才有互聯(lián)組網(wǎng)的基礎，開放性的產(chǎn)品之間才有競爭性，才有大批量生產(chǎn)的可能，從而降低成本。
  事實上，到目前為止，盡管無線傳感器網(wǎng)絡的研究取得了一些重要進展，但還是處在基本應用、演示實驗階段，沒有一套完整的理論和技術(shù)體系來支持這一領域的發(fā)展；由于無線傳感器網(wǎng)絡與應用密切相關,還存在大tt的工程實際問題需要解決。

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