理论教育 物联网技术:WSN的基本特点

物联网技术:WSN的基本特点

时间:2023-11-17 理论教育 版权反馈
【摘要】:WSN与传统网络相比有一些独有的特点,正是由于这些特点使得其存在很多新问题,提出了很多新的挑战。

物联网技术:WSN的基本特点

WSN是一种独立出现的计算机网络,是由大量传感器节点通过无线通信技术自组织构成的网络。WSN可实现数据的采集量化、处理融合和传输应用,它是信息技术中的一个新的领域,在军事和民用领域均有着非常广阔的应用前景。WSN与传统网络相比有一些独有的特点,正是由于这些特点使得其存在很多新问题,提出了很多新的挑战。WSN的主要特点有:

1.节点数量大、密度高

由于WSN节点的微型化,每个节点的通信和传感半径有限,一般为十几米范围,而且为了节能,传感器节点大部分时间处于睡眠状态,所以往往通过布设大量的传感器节点来保证网络的质量。WSN的节点数量和密度都要比通常的Adhoc网络高几个数量级,可能达到每平方米上百个节点的密度,甚至多到无法为单个节点分配统一的物理地址。这会带来一系列问题,如信号冲突、信息的有效传送路径的选择、大量节点之间如何协同工作等。

2.节点体积小、能量有限

WSN是在微电机系统技术、数字电路技术基础上发展起来的,传感器节点各部分集成度很高,因此具有体积小的优点,通常只能携带能量十分有限的电池。由于传感器节点数目庞大、分布区域广,而且部署环境复杂,甚至人员不能到达,无法通过更换电池的方式来补充能量,所以传感器节点的电池能量限制是整个传感器网络设计最为关键的约束之一,它直接决定了网络的工作寿命。因此在考虑传感器网络体系结构以及各层协议设计时,节能是设计的主要考虑目标之一。

3.节点计算和存储能力有限

由于WSN应用的特殊性,要求传感器节点的价格低、功耗小,必然导致其携带的处理器能力比较弱,存储器容量比较小。因此,如何利用有限的计算和存储资源,完成诸多协同任务,也是WSN技术面临的挑战之一。随着低功耗电路和系统设计技术的提高,目前已经开发出很多超低功耗微处理器,传感器节点还可配备外部存储器,目前的Flash存储器是一种可以低电压操作、多次写、无限次读的非易失存储介质。

4.通信半径小,带宽低

无线传感器网络是利用“多跳”来实现低功耗下的数据传输,因此其设计的通信覆盖范围只有几十米。和传统无线网络不同,传感器网络中传输的数据大部分是经过节点处理过的数据,因此流量较少。根据目前观察到的现象特性来看,传感数据所需的带宽将会很低(1~100kbit/s)。

5.节点拓扑结构变化很快,具有较强的自适应性(www.daowen.com)

由于WSN中传感器节点密集、数量巨大,而且分布区域广泛,传感器节点在工作和睡眠状态之间切换以及传感器节点随时可能由于各种原因发生故障而失效,或者有新的传感器节点补充进来以提高网络的质量,这些特点都使得WSN的拓扑结构变化很快,而且网络一旦形成,人很少干预其运行,这对网络各种算法(如路由算法和链路质量控制协议等)的有效性提出了挑战。因此,WSN的软、硬件必须具有高强壮性和容错性,相应的通信协议必须具有可重构和自适应性。

6.无中心和自组织

在WSN中,所有节点的地位都是平等的,没有预先指定的中心,各节点通过分布式算法来相互协调,可以在无人工干预和任何其他预置的网络设施的情况下,节点自动组织成网络。正是由于WSN没有中心,所以网络不会因为单个节点的损坏而损毁,使得网络具有较好的鲁棒性和抗毁性。

7.网络动态性强

WSN中的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有一定的移动性,并且经常有新节点加入或已有节点失效。网络的拓扑结构动态变化,传感器、感知对象和观察者三者之间的路径也随之变化,网络必须具有可重构和自调整性。因此,WSN具有很强的动态性。

8.节点存在一定的故障率

由于WSN可能工作在恶劣的外界环境之中,网络中的节点可能会由于各种不可预料的原因而失效。为了保证网络的正常工作,要求WSN必须设计成具有一定的容错能力,允许传感器节点具有一定的故障率。

9.以数据为中心的网络

对于观察者来说,WSN的核心是感知数据而不是网络硬件。以数据为中心的特点要求WSN的设计必须以感知数据管理和处理为中心,把数据库技术和网络技术紧密结合,从逻辑概念和软、硬件技术两个方面实现一个高性能的以数据为中心的网络系统,使用户如同使用通常的数据库管理系统和数据处理系统一样自如地在WSN上进行感知数据的管理和处理。以数据为中心的特点要求WSN能够脱离传统网络的寻址过程,快速、有效地组织起各个节点的信息并融合提取出有用信息直接传送给用户。

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