无线传感器网络由于其自身的特性,与传统固定网络不同,具有资源有限、自组织、多跳路由、动态拓扑、规模大、的特点。随着无线传感网的广泛应用,尤其是物联网的应用,网络规模口益扩大,节点数量可能包含成千上万个传感节点,数据的采集、传输、计算、存储与共享等要求越来越高。相对于传统的通信网络而言,无线传感器网络是一个以数据为中心的网络。传统网络中的组网、路由、地址分配、网络部署等技术不能简单搬到无线传感器网络中应用。随着无线传感器网络的发展和应用需求的不断扩大,传统无线传感器网络的组网技术已经不适应需求的发展。无线传感器网络组网面临着巨大挑战,主要表现在以下几个方面:
1、大规模应用对组网的要求
近年来物联网的出现对网络提出了泛在化要求。作为物联网的重要组成部分,无线传感器网络也需要满足泛在化物联网的各种应用需求。泛在化物联网需要感知物与物之间的信息,几乎无所不在。感知的信息类型多种多样。作为物联网的重要组成部分,无线传感器网络的应用范围广、规模大,可能需要跨越多个城市和地区,节点数量可能达到几十万个,属于广域网范围的应用。如此庞大的网络规模不可能是由单一的某一种传感器网络构成,往往需要通过各种小规模的网络互连而成。这些不同的传感网彼此之间可能具有不同类型,比如采集的数据类型可能不一样,通信方式也可能不同,我们把具有不同的通信体制,不同组网结构的网络称为异构网络。大规模的无线传感器网络就是由多个异构网络构成。这些通信体制既包含传感网内部通信技术,如RFID、ZigBee、Wi-Fi、UWB等,也包含传感网接入技术,如WLAN、3G/LTE等。采用不同通信技术的传感网都有自己的组网方式,采用什么样的组网架构可以统一现有的众多通信技术,达到多种通信体制融合的效果,是组网需要考虑的问题。
2、多用途、多目标应用对组网的要求
对于无线传感器网络来说,一种传感信息可能不止支持一种应用,一种应用也可能不仅仅需要一种传感信息。各种信息经过采集一汇聚一融合一存储一分发至不同的应用系统。因此数据流呈现的是一种“X”型结构。这种“X”型结构不是一对一的通信,也不是广播通信,传感信息采集后是“无方向性”的,或者说是“多方向性”的。信息是根据不同应用系统的需求进行分发。应用系统通常对传感信息的关注, 胜于关注传感节点或传感网本身。因此可以将信息采集和信息提供看作是两个独立阶段。传统的IP技术无法解决数据的这种无方向性和多目标性。因此,信息采集和信息提供之间的架构如何设计成为关键。
3、信息共享对组网的要求
在大规模无线传感网中因为业务种类繁多,业务数据量大,对数据进行 的汇聚融合处理,能减少信息量,地降低传感网的能耗。应用系统对传感信息的立体交叉使用决定传感信息 共享,因此在数据采集和数据提供之间的综合数据处理的需求 。而现有的通信技术和组网架构通常只面向单一业务的数据实现数据融合,无法对多种信息综合处理。因此如何进行数据的组织与数据服务,打造统一的信息融合处理平台,将数据传输与数据融合的结合起来,是组网技术需要考虑的重要内容之一。
4、编址寻址对组网的要求
大规模异构无线传感器网络的应用涉及到复杂的寻址问题。由于传感器节点数量巨大,因此不会像Internet那样采用全局统一地址分配。和基于地址寻址的网络不同,无线传感器网络是以数据为中心的,其寻址大多和业务数据的内容有关。用户 关心的是某个区域或某种类型的数据,而对于具体是哪一个传感节点并不关心,因此基于地址的点到点的寻址机制不适合无线传感器网络的应用。这种复杂的寻址要求,原来的传感网架构是不满足的,需要一种全新架构适应从传统传感网到物联网的过渡。
5、网络节能优化部署对组网的要求
对于大规模无线传感器网络而言,网络部署对网络的使用寿命、部署成本以及服务质量有着重要的影响。实际应用中,网络的部署往往是渐进式的。即先部署一部分,再根据需要部署下一部分,根据需求决定部署的传感器网络的类型、节点的位置和数量。而传感器节点本身是廉价的、能量受限的节点,这个特点决定了无线传感网的使用寿命不长。在网络部署中,通常都要考虑如何部署才能延长网络的使用寿命。不合理的网络部署往往会严重影响节点的寿命,节点的数量和位置无疑是决定网络部署的关键。考虑适合渐进部署的组网架构和节能的部署策略是无线传感器网络的组网的一个重要内容。