無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的關(guān)鍵問題

  7.2.5 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的關(guān)鍵問題
  1）可裁減、靈活可重構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)
  無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事、環(huán)境、醫(yī)療、家庭和其他商務(wù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景?？梢灶A(yù)計(jì).隨#應(yīng)用的增加，將會出現(xiàn)多種形式的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用中，需要靜止、低速的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；在軍事應(yīng)用中，需要可移動(dòng)、髙速的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。這些不同形式的網(wǎng)絡(luò)使用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、路由機(jī)制、管理方法等組網(wǎng)機(jī)制可能完全不同。它們對網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用而提出來的，如何設(shè)計(jì)一種功能可栽減的、可以根據(jù)不同的應(yīng)用需求自主重構(gòu)的靈活傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)，將是一個(gè)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(yán)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(luò)系統(tǒng)中，由于資源嚴(yán)格受限、提高效率是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)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(shí)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(shí)間、能世方面的開銷。以下列舉幾個(gè)跨層優(yōu)化的實(shí)例：
  ①RF喚醒機(jī)制，為了節(jié)省能量，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)長期處于休眠狀態(tài)。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)檢測到重要事件發(fā)生后，需要喚醒網(wǎng)絡(luò)中其他鄰近節(jié)點(diǎn)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(luò)層以上實(shí)現(xiàn)。然而.我們可以利用對物理層信息的共享來實(shí)現(xiàn)超低功耗的喚網(wǎng)醒機(jī)制。在物理層，喚醒信號是一個(gè)長RF脈沖。節(jié)點(diǎn)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(bào)文，使檢測效率提高2000倍。
  ②時(shí)間同步:時(shí)間同步是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)最重要的基礎(chǔ)服務(wù)之一，是節(jié)點(diǎn)協(xié)同作的基礎(chǔ)。影響時(shí)間同步精度的因素有很多，其中一個(gè)主要因素是同步報(bào)文本地處理時(shí)間的不確定性，如緩存、MAC協(xié)議處理、回退等有時(shí)會引起幾百毫秒的誤差，在嚴(yán)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(shí)間同步協(xié)議直接獲取物理層的時(shí)間信息，可有效避免本地處理帶來的誤差。
  ③節(jié)點(diǎn)定位:節(jié)點(diǎn)定位是確定每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)中的相對位置或絕對地理坐標(biāo)。節(jié)點(diǎn)定位功能在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的許多應(yīng)用中都起著至關(guān)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(luò)系統(tǒng)中，由于體積、成本和功耗等方面的影響，不能為每個(gè)節(jié)點(diǎn)安裝GPS。因此?需要在不具備GPS定位功能的前提下，設(shè)計(jì)新型的節(jié)點(diǎn)定位機(jī)制。將無線電收發(fā)器作為一樸伶感器并配以高精度的時(shí)間同步，可以實(shí)現(xiàn)一種簡單的節(jié)點(diǎn)定位機(jī)制。由于射頻信號的強(qiáng)度隨著傳播距離衰減，采樣基帶信號的強(qiáng)度，結(jié)合傳輸能量等級，可以計(jì)算出信號發(fā)送者與接收者之間的距離。在此機(jī)制中，采用跨層優(yōu)化的方式，使節(jié)點(diǎn)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(zhǔn)確的位置信息。
  從上述實(shí)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(shè)計(jì)的復(fù)雜度。
  3）相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的制定
  IEEE于2002年開始研究制訂兩個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。IEEE802.15.4是低速無線個(gè)域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，主要是物理層和MAC層標(biāo)準(zhǔn)；IEEE1451是關(guān)于無線智能變送器的接口標(biāo)準(zhǔn)。上述兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)定位于物理層標(biāo)準(zhǔn)，另一個(gè)定位于面向互操作的應(yīng)用層接口標(biāo)準(zhǔn)，而在物理層和應(yīng)用層中間的大徹通信協(xié)議沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。目前，Zigbee聯(lián)盟正在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)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(luò)協(xié)議。標(biāo)準(zhǔn)的制訂對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的推廣使用有著重要的作用。有了標(biāo)準(zhǔn)，來自不同廠商的微傳感器之間才有互聯(lián)組網(wǎng)的基礎(chǔ)，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(shí)上，到目前為止，盡管無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究取得了一些重要進(jìn)展，但還是處在基本應(yīng)用、演示實(shí)驗(yàn)階段，沒有一套完整的理論和技術(shù)體系來支持這一領(lǐng)域的發(fā)展；由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用密切相關(guān),還存在大tt的工程實(shí)際問題需要解決。

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