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无线传感器网络特点分析与分层设计方法

: 问提问者：网友 | 2018-07-13

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自组无线传感器网络在周期性采样、事件驱动和“存储与转发”中得到很多应用，为了满足这些应用对功耗、传输距离及数据率的要求，工程师必须对相关的网络结构、网络协议和功耗等性能特点全面深入了解。本文介绍了支持这种标准的三种网络结构的优缺点，并说明了在进行协议堆栈各层设计及不同应用时的注意事项。自组无线传感器网络在工业、医疗、消费及军事中有直接的应用，为实现这些应用对功耗、传输距离和数据率的要求，业界提出了一种无线新技术标准-IEEE802.15.4。该技术的功耗和数据率均低于蓝牙技术，在具体实现时将面临一些困难，例如电池的使用和设备大小等。此外，这种网络协议在包括延时、节点搜寻时间、传输路径查找以及消息确认等方面还存在挑战。为了正确运用这种技术，我们有必要全面了解它的物理及数据链路层参数。与存在很多不同规格的蓝牙设备不同，自组无线传感器网络设备通常只有三种应用，即周期性采样、事件驱动和“存储与转发”。实现该技术的网络结构也有三种：星状网、网状网及混合网(星状网+网状网)。每种网络结构都有自身的优点和缺点，用户必须充分了解这些网络特点以满足不同无线传感器网络的应用要求。微电机系统、低功耗无线电路和数字电路设计的飞速发展在很大程度上促成了这种低功耗自组网的产生和应用。目前无线传感器网络的功耗可降低到毫安级以下，因此传感器节点可使用一颗3V直流纽扣式电池来供电，根据不同的采样率，其工作时间可以达五年或以上。采用纽扣式电池的此类传感器节点外型小巧，便于携带且易于设计到小型设备中。这些低功耗、低数据率的应用包括工厂中各种精密数字辅助测量仪器，如水表和煤气抄表、供应链出货量监测和个人标记佩戴报告等。这些应用有三个共同要求：外型小、电池寿命长以及具有鲁棒特性，满足这些要求的前提条件是选择适当的网络结构。网络拓扑结构基本的星状网拓扑结构是一个单跳(single-hop)系统，网络中所有无线传感器节点都与基站和网关进行双向通信(图1a)。基站可以是一台PC、PDA、专用控制设备、嵌入式网络服务器，或其它与高数据率设备通信的网关，网络中各节点基本相同。除了向各节点传输数据和命令外，基站还与因特网等更高层系统之间传输数据。各节点将基站作为一个中间点，相互之间并不传输数据或命令。在各种无线传感器网络中，星状网整体功耗最低，但节点与基站间的传输距离有限(图2)，通常ISM频段的传输距离为10-30米。网状拓扑结构是多跳(hop，即一次: 回答者：网友

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