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传感器的组成

也需要消耗一部分能量

  无线传感器网络组网问题涉及到多个方面。首先,网络体系结构是组网的首要问题,它决定着网络的互连方式,物理拓扑结构,协议层次等一系列关键技术。另外,网络的编址寻址和路由也是组网问题中不可或缺的内容,针对特定的网络架构和应用,应该有合适的编址寻址机制相对应。还有,无线传感器网络具有严苛的能量约束,能量效率始终是无线传感器网络面临的核心问题和重大挑战。通过合理的网络部署来有效降低网络的能耗也是组网问题的一个核心内容。

  传感器网络的发展可以分为四个阶段,不同的阶段具有不同的网络架构。第一代传感器网络是由简单模拟信号传输功能的传感器组成的点到点输出的测控系统。这种网络结构简单,只实现了信息的单向传输。第二代传感器网络是由智能传感器和现场控制站组成的测控网络。传感器与现场控制站间的信息依然是模拟信号,但现场控制站间的通信是数字化的。传感器之间基本上没有组网而是直接与控制站通信。第三代传感器网络是基于现场总线的架构。通过现场总线的全数字、双向通信网络,实现传感器之间的组网与传感信息的传输。到了第四代传感器网络,应用领域对测控系统要求不断提高,一方面需要大量传感器密集分布在监控区域,另一方面,还需要传感器之间能够快速自组织组网,因此无线传感器网络就应运而生。传感器节点之间采用无线通信,并且能够根据自身位置和能量情况自组织组网。这种分布式传感器网络由于具有广阔的应用前景,引起各国科研机构的广泛关注,开展了如PicoRadio、WINS、SmartDust、μAMPS、SCADDS等许多关于无线传感器网络的研究计划。无线传感器网络的网络架构在发展过程中也出现了多种变化。

  早期的无线传感器网络架构考虑的是部署在同一监测区域的同一类型传感节点之间的组网,可以分为平面组织结构和分层组织结构。平面组织结构中,所有节点地位平等,既采集数据又进行数据转发,传感数据通过多跳方式传递到Sink节点。此结构适合随机部署的网络。在分层组织结构中,传感网根据需要划分成簇,每个簇有一个簇头,簇内节点将信息发给簇头,簇头节点之间构成上一层网络,再将信息发给更高一层的网络节点。这种分层组织结构可以支持大规模网络。簇头节点通常是从传感节点之间选举出来的,由于节点的能量有限,分层结构中通常具有节能的簇头选举算法,如LEACH算法等。簇内节点通信有单跳和多跳两种方式。单跳方式中所有簇群成员节点直接与簇头进行通信,但离簇头较远的节点将消耗较多的能量,多跳方式中成员节点与簇头通信时可利用其他节点作为中继节点与簇头通信。节点在传送自身的数据之外,还负责其他节点数据的转发,也需要消耗一部分能量。典型的ZigBee无线传感器网络的组网架构采用的树型结构组网,树与树之间类似于多个簇之间的通信。在分簇结构的基础上,还出现了动态树型结构。

  从分层角度来看,传统的无线传感器网络可以分为:物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。

  物理层提供传感节点之间的物理传输介质。无线传感器网络的传输介质可以是无线、红外或者光介质。无线传感器网络主要使用的是无线)数据链路层

  USN架构中的数据链路层主要是负责传感节点间数据帧检测、多路复用、媒体接入和差错控制。主要由媒体访问控制(MAC)层协议实现。无线传感器网络中常用的MAC层协议有802.11、802.15.4等协议。

  网络层是负责实现传感器网络节点之间的组网和路由功能。在传感器网络环境中,能量的限制和冗余分布使得传感器网络的无线路由协议不同于传统网络中的路由协议。无线传感器网络的路由算法需要更多地考虑能耗问题和效率问题,因此网络层需要特殊的节能路由协议。除了在网络层需要考虑节能策略以外,跨层设计方法也被广泛研究。

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