第1部分 空间传感器网络技术发展现状

第1章 无线传感器网络简介

1.1 无线传感器网络概述

随着社会的不断发展和进步，通信技术也在高速发展，无线通信技术的应用也越来越广泛，不断改变着我们的生活。无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）作为无线通信中一个新的领域，也得到了快速发展，并走向集成化和规模化发展。

WSN是由大量低成本、低功耗功能不同的传感器节点组成，可以被广泛地应用于各种不同的复杂环境中。由于微机电系统和通信技术的快速发展，使得传感器节点变得越来越微型化、智能化，成本也越来越低。传感器节点的体积虽然很小，但是集成嵌入式微处理器、无线射频收发装置和各种传感器。这类传感器除了能够检测环境中我们需要的一些数据外，还可以对收集到的数据进行一些必要的处理，然后把数据通过无线网络发送给其他节点或网关，有的传感器节点甚至具备数据融合功能。因此，WSN不仅能够进行信息采集，而且还能实现数据处理、无线通信和与因特网互联，可以广泛地应用到环境监测、军事、医疗、工业控制等多个领域。WSN是继因特网之后，将对人类生活方式产生重大影响的重要技术之一，是物联网的重要组成部分。近些年来，WSN在学术界和工业界得到极大的关注，同时也引发了研究热潮。为了解决WSN的设计和应用问题，开展了大量的研究活动，取得了显著的成果。可以预见，WSN将在民用和军事领域取得更为广泛的应用。

WSN是一种特殊的无线通信网络，它是由许多个传感器节点通过无线自组织网络的方式构成的，应用在一些人力不能及的领域，如战场、环境检测等地方，通过无线网络的形式将传感器感知到的数据进行简单的处理之后，传送给网关或者外部网络，因为WSN具有自组织网形式和抗击毁的特点，已经引起了各个国家的重视。

WSN是由多个无线传感器节点和少数几个汇聚（Sink）节点构成，一般来说无线传感器网络的工作流程如下：首先在目标区域部署大量的微型且具有一定的数据处理能力的无线传感器节点，节点激活后通过无线网络来搜集它附近的传感器节点，并和这些节点建立网络连接，从而形成多节点分布式网络，这些无线传感器节点通过自身集成的传感器感知和收集这些区域的信息，经过自身的处理器处理完后，通过节点之间的相互通信最终传送到外部网络。

如图1-1所示，WSN由传感区域内大量无线传感器节点、Sink节点和外部网络构成，其中无线传感器节点按照一定的规则分布在被监测区域内，通过协作感知的形式实现区域内节点间的通信。考虑到节点能量问题或者通信范围的限制，节点只能与一定范围内的节点进行数据交换，因此要将数据传送到邻居节点以外的节点或者外部网络，必须采用多跳传输。Sink节点的能量值和通信距离比其他传感器节点要轻一些，负责整个无限通信网络与外部网络之间的信息交换，从而实现外部网关与传感区域内的节点的相互通信。例如节点A感知到的数据通过B、C、D多跳传送给Sink节点，再由Sink节点传送到外部网络。

图1-1 无线传感器网络

传统的无线网络包括移动通信、无线局域网、无线个人网、蓝牙网络等，这些网络大多都是为了满足音频、视频、图像等信息的交换。而WSN一般是为了某个特定的应用而设计，是一种基于应用的无线网络，和传统的无线通信网络、蜂窝网络相比，WSN有下面几个特点。

（1）网络规模大：WSN节点的数量通常都是成百上千，有的甚至上万。为了对某些地理区域进行监测、保证数据的高可靠性和实现数据的冗余，需要高密度部署节点，其数量比移动自组织网络多出几个数量级。

（2）自组织：传感器节点通常部署在环境恶劣或者无人区域，一旦完成部署，传感器节点必须能够自动配置，完成组网工作，并且能够根据节点的加入或退出来重新组织网络，使网络能够稳定运行。

（3）安全性差：对于WSN来说，由于每个节点的通信范围是非常有限的，因此只能和自己通信范围内的节点进行通信，采用无线信道，对于邻居节点以外的节点通信需要通过多跳路由的形式进行，所以传输的可靠性不高。

（4）资源有限：由于无线传感器节点受到成本、硬件体积等的影响，节点只具备有限的信号处理能力、计算能力和存储能力等。

（5）能量有限：由于受到成本和硬件条件的影响，传感器节点一般都采用电池供应能量，其能量有限。节点的能量消耗主要集中在节点的数据收发和处理上，而数据的接收和发送占据了主要部分。

（6）动态拓扑：WSN节点容易被破坏或者失效，节点的添加、能量耗尽、信道衰减等因素都可以引起网络拓扑结构的变化。

（7）数据高冗余度：WSN通常采用大量的传感器节点协同完成任务，这些肩垫被密集地部署在目标区域，多个节点所获取的数据具有较强的相关性和冗余度。