无线传感网

无线传感网（Wireless Sensor Network, WSN）: 具有感知、计算和无线网络通信能力的传感器及由其构成的无线传感器网络。

WSN由随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信模块的微小节点通过自组织的方式构成网络，借助于节点中形式多样的内置传感器，相互协作，实时感知和采集周边环境中的物理信息，并对这些信息进行处理，可以使人们在任何时间、绝大多数地点和多种环境条件下获取大量翔实而可靠的信息。

与传统传感器技术相比，无线传感器网络是由低成本、密集型、随机分布的节点组成的，自组织性和容错能力使其不会因为某些节点损坏而导致整个系统的崩溃，无线连接使其部署几乎不受监测对象的影响，维护成本非常低。

在无线传感器网络的研究与应用中，由于与传统无线网络及移动自组网络（Mobile Self-organizing Networks）的差异，在基础理论和工程技术层面出现了一系列挑战性问题，其中最核心的是能耗问题。

传统无线网络通常侧重如何满足用户的QoS要求，虽然也要考虑电能消耗，但是传统网络节点的电能可以补充，电能不是制约其应用的主要问题。而无线传感器网络中由于网络布置环境及节点规模等特点，节点电能一般由电池供应，在很多场合下由于条件限制，维护人员难以接近，电池更换非常困难，甚至不可能更换，但是却要求网络的生存时间尽可能的长，节点电能受限成为其最大制约因素。

可以通过两种途径去解决上述问题：一是利用可以再生的环境能源，使传感器节点实现自供电；二是采用低功耗电路设计方法和高效的电源管理方法，降低传感器节点的功耗，或通过网络级功耗管理技术、功率控制技术等多种技术相结合的方式实现网络电能利用率的提高，从而降低网络的整体能耗。在实际的应用中由于节点受成本的限制，往往较多采用后者的技术途径去实现网络的能耗降低，从而延长网络生存期。

无线传感器网络的特点

自组织网络，抗毁性强
无线传感器网络中没有严格的控制中心，网络的布设无需依赖于任何预设的基础设施。节点通过分布式算法协调各自的行为，开机后就可以快速、自动的组成一个独立的网络。任何节点失效或新节点加入都不会影响整个网络的运行，具有很强的可扩展性和抗毁性。
多跳路由模式
传感器节点通信距离有限，一般在几十到几百米范围内。要访问通信范围以外的节点，需要通过中间节点进行多跳路由。固定网络的多跳路由使用网关和路由器来实现，而无线传感器网络没有专门的路由设备，多跳路由是由传感器节点完成的，每个节点既是信息的发起者，也可以是信息的转发者。
传感节点数量大，分布密度高
为了获取精确信息，以及利用节点之间高度连接性来保证系统的容错性和抗毁性，传感器网络的节点数量和分布密度都要比一般无线网络高几个数量级。这会带来一系列问题，如信号冲突、信息无法有效传送、路由选择困难、大量节点之间如何协同工作等。
网络动态性强
传感器网络工作在比较恶劣的环境中，经常有新节点加入或已有节点失效，且网络中的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性，网络的拓扑结构和数据传输路径也随之变化。因此传感器网络必须具有可重构和自调整性。
以数据为中心
对无线传感器网络的用户而言，传感器网络的核心是感知数据，而不是网络硬件。以数据为中心的特点要求传感器网络能够快速有效的组织起各个节点的信息，并提取有用信息直接传送给用户。
与应用相关
无线传感器网络应用广泛，不同的应用对系统的要求必然会有很大差别，所以传感器网络不能像Internet那样有统一的通信协议平台。针对每一个具体应用来研究传感器网络技术，这是传感器网络不同于传统网络的显著特征。只有让系统更贴近应用，才能做出最高效的目标系统。
电池电能是网络寿命的关键
传感器节点一般由电池供电，电池电能极其有限，且传感器网络通常运行在人无法接近甚至危险的远程环境中，不能给电池充电或更换电池。一旦电池电能用完，这个节点也就失去了作用。因此节能是无线传感器网络设计要考虑的首要因素。
传感器节点体积小，计算和存储能力有限
无线传感器网络是在MEMS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。同时由于体积、成本及电能的限制，嵌入式处理器的计算能力十分有限，存储器的容量也较小。传统网络上成熟的协议和算法对传感器网络而言开销太大，难以使用，必须重新设计简单有效的协议及算法。
通信半径小，带宽较低
随着通信距离的增加，无线通信的能耗将急剧增加，因此无线传感器网络的通信半径一般较小。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，因此流量较小。

无线传感网协议栈模型

随着应用和体系结构的不同，无线传感网络的通信协议栈也不尽相同，协议栈模型如下图所示：
无线传感网通信协议栈模型
该模型既参考了现有通用网络的模型架构，同时又包含了传感器网络特有的电源管理、移动管理及任务管理。

  • 应用层为不同的应用提供一个相对统一的高层接口。
  • 如有需要，传输层可为传感网络保持数据流或保证与Internet连接。
  • 网络层主要关心数据的路由。
  • 数据链路层协调无线媒质的访问，尽量减少相邻节点广播时的冲突。
  • 物理层为系统提供一个简单、稳定的调制、传输和接收系统。
  • 电源管理、移动管理和任务管理负责传感器由节点能量、移动和任务分配的监测，帮助传感器节点协调感测任务，尽量减小整个系统的功耗。