设计无线传感器网络应着重解决的几个关键问题Word格式.docx

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1无线传感器网络概述

无线传感器网络（WSN）是指由一类具有自动化、全嵌入式操作、微型封装、低功率节点所组成的分布式系统。

Zigbee基于著名的IEEE802.15.4规范为该类网络提供了无线侦测和控制的统一标准。

Zigbee网络的众多优点之一是其所采用的网状网络协议,该协议是针对多跳跃路由、数据传送、安全可靠性以及有关应用层互操作的整套策略而开发的。

2网络的结构和规模及相关解决方案

决定网络的结构和规模是最关键的设计环节之一。

通常大型网络的设计和维护都是相对困难的,网络的结构和规模对此会有明显的影响,当网络扩展到几百个以上节点时,所面临的主要问题之一就是如何解决网络阻塞问题。

下面着重讨论解决网络拥挤问题的2个可供选择的策略。

1）控制网络密度

影响网络高效可靠的重要指标是其网络密度,也就是在彼此可以正常通信的范围内,可以有多少个节点?

理论和实践的建议是应该低于5个。

当网络密度超过

7个时,就可能带来严重的部分阻塞。

随之而来的问题是怎样来精确地决定节点数目。

其中容易的方法之一是定制嵌入式程序。

在Zigbee网络中,有关节点的信息对协议运行是十分关键的。

节点广播自己的信息,相邻的节点都可以接收到,驻留程序查询邻区记录表并且计算出表中条目的数量,然后把分析结果传送到一个指定的节点上。

这仅对于网络最初安装、网络密度尚可改变时有意义,一旦网络安装就绪并已运行,则初始的密度信息对于问题解决只起到参考作用。

同时也要注意,如果邻区表上的记录数目少于周围节点的数目,那么Zigbee软件堆栈就会周期性更新邻区表。

即使根本没有节点变动,网络为了更新邻区表,也要反复检查路径,这无疑会增加通信负担。

因此,在决定网络密度时,我们既要考虑网络阻塞问题也

要兼顾邻区表的尺寸。

如果节点的物理位子是固定的,那么网络可以通过减少收发机的功率容易地控制阻塞区的网络密度。

降低发射功率和把节点移到远处的效果是一样的,都是使节点彼此之间不能通信。

但是为了确保最大的覆盖范围和最好的链路质量,制造商倾向于设置最大发射功率。

我们的经验是,在覆盖范围不是问题的地方,就可以调低发射功率。

最后要考虑的是理论上对网络密度的限制,当网络密度达到这个限制时,访问失败率足以引发雪崩式效应。

显然,这个参数取决于网络中信息流量。

我们的经验是,如果在有效通信范围内,每个节点每秒发送一个最大数据包,网络密度的理论极限值是25节点左右。

2）网络信道隔离

当减少节点数目和降低发射功率的方法都不可行的时候,我们也可以选择信道隔离技术来应对网络阻塞问题,就是说,需要把运行在单一信道的网络隔离成分别运行在不同信道的几个网络。

IEEE802.15.4在2.4GHz频段指定了16个信道,在900MHz频段又制定了10信道。

但这也带来了额外的复杂性,我们必须为隔离后的每个网络安装各自的协调器。

信道隔离方法十分重要,隔离后的每个网络逻辑上被视为独立的。

例如,在某个建筑中实现自动化,人们会经常希望建筑中每个楼层都有运行在自己信道上的网络。

如果每个楼层再配备有网络协调器,那么跨楼层的节点间的通信便没有必要了,而且如果进行这样的通信,就会影响网络性能。

最重要的是信道隔离应该依据实际要求和可用信道的数目而定。

如果不同隔离区的节点需要彼此通信的话,那么信道隔离会进一步使网络整体设计复杂化。

3吞吐量及相关解决方案

吞吐量是指在单位时间网络所传送的有用数据总量。

许多系统工程师会错误地判断存在更多的可用带宽,这会降低网络性能或网络根本无法运行。

出现这样常识性错误的原因是由于广告上通常说IEEE802.15.4网络链路的容量是

250kbps。

其实,这个数字是指PHY层有效带宽的理论极限值。

其中没有考虑物理层以上各层所造成的协议延迟、数据包解析和处理、介子访问、传送确认和位错误。

依据经验,在两个相距一个跳跃距离的Zigbee节点之间所建立的对等链接上,只能支持110~120kbps的传送率。

随着传输正确认证机制的引入,这个传送率还会减少一半左右。

在典型网络环境中,如果3~5节点在任何给定的时间要同时访问共享介子时,那么这个传输率就只剩几十比特率了,所以应该注意的是,无线传感器网络不是面向高宽带应用的,而是针对带宽要较低的大型网络。

尽管所期望的吞吐量和技术上可支持的吞吐量之间存在差异是普遍现象,但为了在实际环境中能够有效地运行,带宽优化技术得到了合理的应用。

以一个每秒采样100次的传感器为例,如果把每次采样都用各自的数据包发送,这会给网络正常运行带来灾难性后果,因为这能引起严重的网络阻塞和雪崩式重传失败。

针对这些问题,就需要把多次采样聚合在单一的数据包里,我们称之数据聚合技术,这是一个十分有效的解决方案。

当数据聚合失效时,可以采用本地处理方式来降低带宽要求。

以具有上下门限值的恒温器作为例子,不必把所有的数据都传送出去,而只把超出门限值的数据发送出去就可以了,这当然降低带宽要求。

节点可以通过本地处理来检测什么时候读数超出规定的范围,并且只把超出规定的数据发送出去,进而提醒下一台遥测设备。

还可以求平均值和求和算法来帮助减少数据传输量。

综上所述,我们在无线传感器网络组网实践中,必须给予上面几个方面的问题足够的重视,并要熟练运用我们所提及的相应解决方案,这些对于我们能否构建一个满足要求的网络十分重要。

参考文献

[1]李白萍,王志明主编.现代通信系统[M].北京大学出版社,2007,11.[2]WirelessNetworks.

[3]无线网状网.架构、协议与标准[M].电子工业出版社.