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无线智能传感器网络研究的难点与关键技术

发布时间:2015-11-2      发布人:长沙泽天      点击:

无线智能传感器网络涉及多学科交叉的研究领域,有非常多的难点和关键技术有待发现与研究,具体来说有节能技术、网络安全、协议与拓扑控制、时间同步、定位技术、数据融合、容错性、无线通信技术等关键技术与技术难点。

1)节能技术研究

由于传感器网节点多,覆盖范围大,对于电池供电系统通过更换电池来延长网络寿命不容易实现,设计中必须充分考虑节能的问题,使得整个网络在消耗尽可能少能量情况下完成尽可能多的任务。

休眠机制是节省能量的最有效方式之一。但如何进行休眠调度,而不影响传感器网的正常运行十分重要,不能因此而使网络的探测覆盖范围明显降低。目前已有多种算法提出来进行休眠调度,通过考虑电量的计算、低能量消耗的网络协议技术,从硬件、软件和系统的角度来实现传感器网的节电设计,通过采取动态调整监控电压,降低处理器供电电压,减缓运算速度等方式,获取更长的工作时间。

2) 网络协议研究

由于传感器节点的计算能力、存储能力、通信能力以及携带的能量都十分有限,每个节点只能获得局部网络的拓扑信息,节点上运行的网络协议也不能太复杂。同时,传感器拓扑结构动态变化,网络资源也在不断变化,这些都对网络协议提出了更高的要求。目前研究的重点是网络层协议和数据链路层协议。网络层的路由协议决定监测信息的传输路径;数据链路层的介质访问控制用来构建底层的基础结构,控制传感器节点的通信过程和工作模式。

传感器网络的MAC协议首先要考虑的是节省能源和可扩展性,其次才考虑公平性、利用率和实时性。在MAC层的能量浪费主要表现在空闲侦听、接收不必要的数据和碰撞重传等。为了减少能量的消耗,MAC协议通常采用“侦听/睡眠”交替的无线信道侦听机制,传感器节点在需要收发数据时才侦听无线信道,没有数据收发时就尽量进入睡眠状态。

3) 网络拓扑控制

对于无线自组织的传感器网络而言,网络拓扑控制具有特别重要的意义。通过拓扑控制自动生成良好的网络拓扑结构,能够提高路由协议和MAC协议的效率,可为数据融合、时间同步和目标定位等多方面奠定基础,有利于节省节点的能量来延长网络的生存期。所以,拓扑控制是传感器网络研究的核心技术之一。

4) 网络安全

无线传感器网络作为任务型的网络,不仅要进行数据的传输,而且要进行数据采集和融合、任务的协同控制等。如何保证任务执行的机密性、数据产生的可靠性、数据融合的高效性以及数据传输的安全性,就成为传感器网络安全问题需要全面考虑的内容。

为了保证任务的机密布置和任务执行结果的安全传递和融合,传感器网络需要实现一些最基本的安全机制:机密性、点到点的消息认证、完整性鉴别、新鲜性、认证广播和安全管理,水印技术也成为传感器网络安全的研究内容。

5) 时间同步

在基于TDMA方式的通讯和时间相关的监测任务中,工作节点的时钟需要保持同步。然而只有整个网络内存在大量可利用的时标情况下,在庞大的网络中维持一个全局性的时间标准才是可行的,显然这种方式并不适合于传感器网,最好的解决策略是节点维护自身的时钟。传感器网时间同步方案应该在系统中建立一个本地时钟与其它时钟相关的偏移参数表,在数据转发过程中利用这些参数进行本地与远地时间比较。事实上时间参数变换可以封装进数据包,即节点能够在转发数据过程中持续进行时间变换以保证每一跳中能与本地时钟一致。时间同步是传感器网络实现协同工作的一个关键机制。

6) 定位技术

位置信息是传感器节点采集数据中不可缺少的部分,没有位置信息的监测消息通常是毫无意义的。考虑到大多数传感器网络应用场景,获得传感器的绝对或相对位置是十分重要的。目前的一些研究是通过借助GPS技术实现系统定位。

7) 数据融合

数据融合是将多份数据或信息进行综合,以获得更符合需要结果的过程。数据融合技术应用在传感器网络中,可以在汇聚数据的过程中减少数据传输量,提高信息的精度和可信度,以及网络采集数据的整体效率。在应用层可以利用分布式数据库技术,对采集到的数据进行逐步筛选;网络层的很多路由协议均结合了数据融合机制,以期减少数据传输量。

8) 容错性

由于周围物理环境或其自身能量耗尽传感器就会失效,对于替换传感器可能性不大的情况下,整个网络必须能够在其应用过程中及时屏蔽掉发生故障的传感器。容错过程可以在数据交换中实现(例如SPIN协议),但该过程要消耗能量。因此出现数据交换和能量利用矛盾的冲突,衡量数据交换与功耗的优先权在取决于实际应用情况。

9) 无线通信技术

传感器网络需要低功耗短距离的无线通信技术。IEEE802.15.4标准是针对低速无线个域网的通信标准,把低功耗、低成本作为设计的主要目标,旨在为个人或者家庭范围内不同设备之间低速联网提供统一标准。由于IEEE802.15.4标准的网络特征与无线传感器网络的特征十分类似,目前有许多研究机构把它作为无线传感器网络的无线通信平台。超宽带技术(UWB)是一种极具潜力的无线通信技术。超宽带技术具有对信道衰落不敏感,发射信号功率谱密度低、低截获能力、系统复杂度低、能提供数厘米的定位精度等优点,非常适合应用在无线智能传感器网络中.迄今为止关于UWB有两种技术方案,一种是以Freescale公司为代表的DS-CDMA单频方案,另一种是有英特尔、德州仪器等公司共同提出的多频带OFDM方案,但目前还没有一种方案成为正式的国际标准。本文源自泽天传感,转载请保留出处。