设计无线传感器网络的节点部署方案时必须考虑哪些问题，无线传感器网络研究的新方向：移动数据收集

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一、设计无线传感器网络的节点部署方案时必须考虑哪些问题

设计无线传感器网络节点需要遵循以下几个主要的原则。

（1）微型化与低成本

由于无线传感器网络节点数量大，只有实现节点的微型化与低成本才有可能大规模部署与应用。因此节点的微型化与低成本一直是研究人员追求的主要目标之一。对于目标跟踪与位置服务一类的应用来说，部署的无线传感器节点越密，定位精度就越高。对于医疗监控类的应用来说，微型节点容易被穿戴。实现节点的微型化与低成本需要考虑硬件与软件两个方面的因素，而关键是研制专用的片上系统（SystemonChip，SoC）芯片。对于传统的个人计算机，内存2GB、硬盘100GB已经是常见的配置，而一个典型的无线传感器节点的内存只有4kB、程序存储空间只有10kB。正是因为传感器节点硬件配置的限制，所以节点的操作系统、应用软件结构的设计与软件编程都必须注意节约计算资源，不能够超出节点硬件可能支持的范围。

（2）低功耗

传感器节点在使用过程中受到电池能量的限制。在实际应用中，通常要求传感器节点数量很多，但是每个节点的体积很小，携带的电池能量十分有限。同时，由于无线传感器网络的节点数量多、成本低廉、部署区域的环境复杂，有些区域甚至人员不能到达，因此传感器节点通过更换电池来补充能源是不现实的。如何高效使用有限的电池能量，来最大化网络生命周期是无线传感器网络面临的最大的挑战。

传感器节点消耗能量的模块包括：传感器模块、处理器模块和无线通信模块。随着集成电路工艺的进步，处理器和传感器模块的功耗变得很低。图2-43给出了传感器节点各部分能量消耗情况。从图中可以看出，传感器节点能量的绝大部分消耗在无线通信模块。传感器节点发送信息消耗的电能比计算更大，传输1bit信号到相距100m的其他节点需要的能量相当于执行3000条计算指令消耗的能量。

图2-43传感器节点各部分能量消耗情况无线通信模块存在四种状态：发送、接收、空闲和休眠。无线通信模块在空闲状态一直监听无线信道的使用情况，检查是否有数据发送给自己，而在休眠状态则关闭通信模块。从图中可以看到，无线通信模块在发送状态的能量消耗最大；在空闲状态和接收状态的能量消耗接近，但略少于发送状态的能量消耗；在休眠状态的能量消耗最少。为让网络通信更有效率，必须减少不必要的转发和接收，不需要通信时尽快进入休眠状态，这是设计无线传感器网络协议时需要重点考虑的问题。

（3）灵活性与可扩展性

无线传感器网络节点的灵活性与可扩展性表现在适应不同的应用系统，或部署在不同的应用场景中。例如，传感器节点可以用于森林防火的无线传感器网络中，也可以用于天然气管道安全监控的无线传感器网络中；可以用于沙漠干旱环境下天然气管道安全监控，也可以用于沼泽地潮湿环境的安全监控；可以适应单一声音传感器精确位置测量的应用，也可以适应温度、湿度与声音等多种传感器的应用；节点可以按照不同的应用需求，将不同的功能模块自由配置到系统中，而不需重新设计新的传感器节点；节点的硬件设计必须考虑提供的外部接口，可以方便地在现有的节点上直接接入新的传感器。软件设计必须考虑到可裁剪，可以方便地扩充功能，可以通过网络自动更新应用软件。

（4）鲁棒性

二、无线传感器网络的特点及关键技术

无线传感器网络的特点及关键技术

　　无线传感器网络被普遍认为是二十一世纪最重要的技术之一，是目前计算机网络、无线通信和微电子技术等领域的研究热点。下面我为大家搜索整理了关于无线传感器网络的特点及关键技术，欢迎参考阅读！

　　一、无线传感器网络的特点

　　与其他类型的无线网络相比，传感器网络有着鲜明的特征。其主要特点可以归纳如下：

　　（一）传感器节点能量有限。当前传感器通常由内置的电池提供能量，由于体积受限，因而其携带的能量非常有限。如何使传感器节点有限的能量得到高效的利用，延长网络生存周期，这是传感器网络面临的首要挑战。

　　（二）通信能力有限。无线通信消耗的能量与通信距离的关系为E=kdn。其中，参数n的取值为2≤n≤4，n的取值与许多因素有关。但是不管n具体的取值，n的取值范围一旦确定，就表明，无线通信的能耗是随着距离的增加而更加急剧地增加的。因此，在满足网络连通性的要求下，应尽量采用多跳通信，减少单跳通信的距离。通常，传感器节点的通信范围在100m内。

　　（三）计算、存储和有限。一方面为了满足部署的要求，传感器节点往往体积小；另一方面出于成本控制的目的`，节点的价格低廉。这些因素限制了节点的硬件资源，从而影响到它的计算、存储和通信能力。

　　（四）节点数量多，密度高，覆盖面积广。为了能够全面准确的监测目标，往往会将成千上万的传感器节点部署在地理面积很大的区域内，而且节点密度会比较大，甚至在一些小范围内采用密集部署的方式。这样的部署方式，可以让网络获得全面的数据，提高信息的可靠性和准确性。

　　（五）自组织。传感器网络部署的区域往往没有基础设施，需要依靠传感器节点协同工作，以自组织的方式进行网络的配置和管理。

　　（六）拓扑结构动态变化。传感器网络的拓扑结构通常是动态变化的，例如部分节点故障或电量耗尽退出网络，有新的节点被部署并加入网络，为节约能量节点在工作和休眠状态间进行切换，周围环境的改变造成了无线通信链路的变化，以及传感器节点的移动等都会导致传感器网络拓扑结构发生变化。

　　（七）感知数据量巨大。传感器网络节点部署范围大、数量多，且网络中的每个传感器通常都产生较大的流式数据并具有实时性，因此网络中往往存在数量巨大的实时数据流。受传感器节点计算、存储和带宽等资源的限制，需要有效的分布式数据流管理、查询、分析和挖掘方法来对这些数据流进行处理。

　　（八）以数据为中心。对于传感器网络的用户而言，他们感兴趣的是获取关于特定监测目标的真实可靠的数据。在使用传感器网络时，用户直接使用其关注的事件作为任务提交给网络，而不是去访问具有某个或某些地址标识的节点。传感器网络中的查询、感知、传输都是以数据为中心展开的。

　　（九）传感器节点容易失效。由于传感器网络应用环境的特殊性以及能量等资源受限的原因，传感器节点失效（如电池能量耗尽等）的概率远大于传统无线网络节点。因此，需要研究如何提高数据的生存能力、增强网络的健壮性和容错性以保证部分传感器节点的损坏不会影响到全局任务的完成。此外，对于部署在事故和自然灾害易发区域的无线传感器网络，还需要进一步研究当事故和灾害导致大部分传感器节点失效时如何最大限度地将网络中的数据保存下来，以提供给灾害救援和事故原因分析等使用。

　　二、关键技术

　　无线传感器网络作为当今信息领域的研究热点，设计多学科交叉的研究领域，有非常多的关键技术有待研究和发现，下面列举若干。

　　（一）网络拓扑控制。通过拓扑控制自动生成良好的拓扑结构，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，有利于节省能量，延长网络生存周期。所以拓扑控制是无线传感器网络研究的核心技术之一。目前，拓扑控制主要研究的问题是在满足网络连通度的前提下，通过功率控制或骨干网节点的选择，剔除节点之间不必要的通信链路，生成一个高效的数据转发网络拓扑结构。

　　（二）介质访问控制（MAC）协议。在无线传感器网络中，MAC协议决定无线信道的使用方式，在传感器节点之间分配有限的无线通信资源，用来构建传感器网络系统的底层基础结构。MAC协议处于传感器网络协议的底层部分，对传感器网络的性能有较大影响，是保证无线传感器网络高效通信的关键网络协议之一。传感器网络的强大功能是由众多节点协作实现的。多点通信在局部范围需要MAC协议协调其间的无线信道分配，在整个网络范围内需要路由协议选择通信路径。

　　在设计MAC协议时，需要着重考虑以下几个方面：

　　（1）节省能量。传感器网络的节点一般是以干电池、纽扣电池等提供能量，能量有限。

　　（2）可扩展性。无线传感器网络的拓扑结构具有动态性。所以MAC协议也应具有可扩展性，以适应这种动态变化的拓扑结构。

　　（3）网络效率。网络效率包括网络的公平性、实时性、网络吞吐量以及带宽利用率等。

　　（三）路由协议。传感器网络路由协议的主要任务是在传感器节点和Sink节点之间建立路由以可靠地传递数据。由于传感器网络与具体应用之间存在较高的相关性，要设计一种通用的、能满足各种应用需求的路由协议是困难的，因而人们研究并提出了许多路由方案。

　　（四）定位技术。位置信息是传感器节点采集数据中不可或缺的一部分，没有位置信息的监测消息可能毫无意义。节点定位是确定传感器的每个节点的相对位置或绝对位置。节点定位分为集中定位方式和分布定位方式。定位机制也必须要满足自组织性，鲁棒性，能量高效和分布式计算等要求。

　　（五）数据融合。传感器网络为了有效的节省能量，可以在传感器节点收集数据的过程中，利用本地计算和存储能力将数据进行融合，取出冗余信息，从而达到节省能量的目的。

　　（六）安全技术。安全问题是无线传感器网络的重要问题。由于采用的是无线传输信道，网络存在偷听、恶意路由、消息篡改等安全问题。同时，网络的有限能量和有限处理、存储能力两个特点使安全问题的解决更加复杂化了。

无线传感器网络研究的新方向：移动数据收集

无线传感器网络的移动数据收集具有广泛的应用价值，依据所搭载不同类型的传感器，可以探测包括电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中的各种现象。在军事、航空、反恐、防爆、救灾、环境、医疗等应用领域具有广泛的应用。当今正是物联网蓬勃发展的初期，无线传感器网络移动数据收集的发展在工业控制、环境监测、目标跟踪、医疗护理及军事领域有着不可估量的作用。

无线传感器网络的数据收集

▲移动型无线传感器网络的移动模式、移动模型和移动节点分类

数据收集的目标在于结合实际应用需求和无线传感器网络本身的特点来设计高效的数据收集方法，以保证所收集数据的能量有效性、可扩展性及动态适应性等。虽然无线传感器网络中有关数据收集的研究已经持续了很多年并取得了大量的研究成果，但是随着无线传感器网络应用的多样化发展，新的应用特点和需求不断被提出，已有的数据收集方法仍存在缺陷与不足，具体体现在：数据收集能量开销大且传感器节点能量消耗不均衡；传感器节点间的相关性度量有效性差，不能进行有效的空间分簇；数据收集精度低且不可控；数据收集方法的设计目标单一，不能满足各类网络场景的数据收集应用需求。

目前国内外对无线传感器网络的研究热点已经从静态数据收集转移到移动数据收集。移动数据收集已经成为无线传感器网络研究的一个新的研究方向。移动数据收集相比传统的数据收集方式，可以极大地节约传感器中的能量、延长传感器的网络寿命，可以有效地消除传感器之间能量消耗的不均匀性等。通过将多用户多输入-多输出(multiple-inputmultiple-output，MIMO)技术、空分多路复用(spacedivisionmultipleaccess，SDMA)技术、并发数据上传技术等现代通信技术应用到无线传感器网络的移动数据收集，显著地提高了移动数据收集的性能。因此，移动数据收集已经超出传统无线传感器网络(wirelesssensornetwork，WSN)的研究范畴和深度，为未来无线传感器网络的部署方式和运行机制提供了新的理论基础。

▲在无线传感器网络中基于锚点范围传输的数据收集模型(其中传感器一个子集的位置被用来作为锚点)

《无线传感器网络移动数据收集》（郭松涛等著.北京：科学出版社，2023.10）一书的内容来源于作者近年来在无线传感器网络移动数据收集方面的最新研究成果，得到了国际学术界的高度评价，在国际上具有一定的先进性和前瞻性。读者通过阅读本书能够了解无线传感器网络移动数据收集的基本思想、关键技术及重要结论，也可以把握无线传感器网络的研究方向，通过对一些基本研究方法和研究成果的深思和总结，有助于形成自己独特的研究思路和新的研究方向。

本书阐述了无线传感器网络移动数据收集的基础理论、关键技术和最新研究成果，详细介绍了将多用户多输入多输出(multiple-inputmultiple-output，MIMO)技术、空分多路复用（spacedivisionmultipleaccess，SDMA）技术、并发数据上传技术等现代通信技术应用到无线传感器网络的移动数据收集，深入讨论了在网络连通或不连通、低传输延迟、收集代价最小、有界中继跳数等情况下的无线传感器网络移动数据收集。

在组织结构上，本书首先介绍了无线传感器网络及数据收集，给出数据收集的分类、存在的问题、挑战及移动数据收集的分类等，然后详细讨论了连通及不连通WSN的移动数据收集机制、WSN中移动数据收集的路径规划、基于有界中继跳数的移动数据收集、基于多用户MIMO技术的移动数据收集、基于空分多路复用的有效移动数据收集等关键技术，最后又阐述了基于优化的分布式移动数据收集算法、基于代价最小化的移动数据收集算法、基于并发数据上传的移动数据收集架构、基于信号与干扰加噪声比(signaltointerferenceplusnoiseratio，SINR)的低延迟数据收集算法等算法和架构。

本文摘编自《无线传感器网络移动数据收集》（郭松涛等著.北京：科学出版社，2023.10）一书“前言”“第1章绪论”有删减修改，标题为编者所加。

ISBN978-7-03-061852-8

责任编辑：张展黄嘉

（本文编辑：刘四旦）

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