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无线传感器网络关键技术研究

发布时间:2013.01.15 11:15 来源:物联网世界 作者:物联网世界

    无线传感器网络研究的主要问题有网络协议、定位技术、时间同步、数据融台、数据管理、嵌入式操作系统和网络安全

路由协议的设计

    与传统的网络路由协议的设计思路相比,无线传感器网络的路由协议的侧重点在于:能量优先、基于局部拓扑信息、以数据为中心,以及与应用相关的因素。设计路由协议必须首先考虑如何在有限能量的前提下,延长无线传感器网络生存期。为了节约能量,每个结点不能进行大量的数据计算,因此路由生成只能限制在局部拓扑信息上。无线传感器网络中的很多结点分布感兴趣的地区,部署者关心的是被监测区域的大量结点的感知数据,而不是个别结点获取的数据。路由协议必须考虑对感知数据的需求、数据通信模式与数据流向,以便形成以数据为中心的转发路径。同时,无线传感器网络实际直用场景和要求区别很大,设计者必须针对具体的应用需求去考虑路由协议。因此,无线传感器网络的路由协议设计应该满足:能量高效,具有可扩展性、鲁棒性和能快速收敛。

定位技术研究

   在传感器网络中,位置信息对传感器网络的监测活动至关重要,它是事件位置报告、目标跟踪、地理路由、网络管理等系统功能的前提。事件发生的位置或获取信息的结点位置,是传感器结点监测报告中所包含的重要信息,没有位置信息的监测报告往往毫无意义。在环境监测应用中,需要知道采集的环境信息所对应的具体区域位置。一旦监测到事件发生之后,人们关心的重要问题就是事件发生的位置。例如森林火灾现场位置、战场上敌方车辆运动的区域、天然气管道泄的具体地点,这些信息都是决策者进一步采取措施和做出决策的依据之一。位置信息可以用于目标跟踪,实时监视目标的行动路线,预测目标的前进轨迹;可以直接利用结点位置信息,实现数据传递按地理的路由;根据结点位置信息构建网络拓扑图,实时统计网络覆盖情况,对结点密度低的区域及时采取必要措施,进行网络管理。因此,结点位置的定位是传感器网络的基本功能之一。

时间同步技术

   分布式系统通常需要一个表示整个系统时间的全局时间,这个时间根据需要可以是物理时间或逻辑时间。物理时间用来表示人类社会使用的绝对时间,逻辑时间表达事件发生的顺序关系,它是一个相对的概念。

   无线传感器网络是一个分布式系统,不同结点都有自己的本地时钟。由于结点的晶体振荡器频率存在偏差以及温度变化和电磁波干扰等,即使在某个时刻所有结点都达到时间同步,它们的时间也会逐渐出现偏差,而分布式网络系统的协同工作需要结点之间的时间同步,时间同步机制是分布式系统基础框架中的一个关键机制。

   无线传感器网络应用中需要时间同步机制。由于传感器网络的特点,以及在能量、价格和体积等方面的约束,使得复杂的时间同步机制不适用于它,需要修改或重新设计时间同步机制来满足传感器网络的要求。

数据融合技术

   由于无线传感器网络的基本功能是收集、传输传感器结点所在监测区域的信息,而传感器结点受到能量与易失效性的约束,因此减少数据传输量以有效地节省能量,利用结点的本地计算和存储能力处理数据的融合,通过数据融合(data aggregation)达到数据备份与信息的准确性,成为传感器网络研究的又一个重要的课题。

   无线传感器网络的数据融合是指:将传感器结点产生的多份数据或信息进行处理,组合出更有效、更符合用户需求的数据的过程。数据融合的方法普遍应用在日常生活中,人在辨别一个事物的时候通常会综合视觉、听觉、触觉、嗅觉等各种感官获得的信息,对事物做出准确判断。

   在无线传感器网络的应用中,人们更多地是关心监测的结果。而不需要收到大量原始数据,数据融合是通过处理传感器的数据,得出准确的判断的过程。例如,无线传感器网络在森林防火的应用中,需要对多个温度传感器探测到的位置、环境温度数据进行融合,报告是否出现火灾以及发生的位置。如果在目标识别应用中,由于各个结点的地理位置不同,针对同一目标所报告的图像的拍摄角度不同,需要进行三维空间的考虑,因此数据融合的难度相对较大。数据融合技术的技术方案和系统的指标取决于实际应用的需求。

数据管理技术

   研究无线传感器网络数据管理技术的目的是:将网络上数据处理方法与网络的物理实现方法分离,使无线传感器网络的用户和应用程序只需要关心查询数据的逻辑结构,而无需关心无线传感器网络具体如何获取信息的细节。

   在实际应用中,应用程序通过对无线传感器网络获取的感知数据进行查询和分析,有效地对它所关心的环境进行监测,获得灾害地区、城市交通管理系统的车辆监控、军事侦察的信息。

   在这些应用中,数据通常包括两类:一类是静态数据,例如描述传感器特性的信息;另一类是动态数据,是由传感器自身感知的环境数据。由这些感知数据构成的数据集合类似于大型分布式数据库,需要通过一个软件系统来管理,即传感器网络数据管理系统。因此,人们必须针对无线传感器网络的特点,研究网络数据管理系统的结构、数据模型和查询语言、网络数据的存储与索引技术、数据查询处理技术。

嵌入式操作系统技术

   由于传感器结点具有数量大、拓扑动态变化、携带非常有限的硬件资源等特点,同时计算存储和通信等操作需要并发地调用系统资源,因此需要研究适合无线传感器网络的新型操作系统。在研究无线传感器网络的初期,研究人员并没有重视这个问题。有研究人员认为无线传感器网络的硬件很简单,没有必要设计一个专门的操作系统,可以直接在硬件上编写应用程序。但是,随着研究工作的深入,人们发现面向无线传感器网络的应用程序开发难度很大,直接在硬件上编写的应用程序无法适应多种服务。同时,软件的重用性差。开发效率低,应用程序很难移植与扩展。因此,设计无线传感器网络的专用操作系统成为一个重要研究课题。

网络安全技术

   无线传感器网络的安全技术研究是当前的热点和富有挑战性的课题。无线传感网络的安全隐患可以分为两类:信息泄露与空间攻击。有些无线传感器网络应用在军事与公共安全领域,要求安全性很高,而无线传感器网络极易受到攻击。无线传感器网络不仅要进行数据传输,而且要进行数据采集、融合和协同工作。传感器结点本身受到计算与存储资源、能源的限制,必须在计算复杂度和安全强度之间权衡。另外,一个实际传感器网络的结点数可能达到成千上万,必须在单个结点的安全性与对整个网络的安全影响之间权衡。因此,如何保证任务执行的机密性、数据产生的可靠性、数据融合的高效性与数据传输的安全性.成为无线传感器网络安全问题需要全面考虑的内容。