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無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點分析與分層設(shè)計方法

: 問提問者：網(wǎng)友 | 2018-07-13

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自組無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在周期性采樣、事件驅(qū)動和“存儲與轉(zhuǎn)發(fā)”中得到很多應(yīng)用，為了滿足這些應(yīng)用對功耗、傳輸距離及數(shù)據(jù)率的要求，工程師必須對相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和功耗等性能特點全面深入了解。本文介紹了支持這種標(biāo)準(zhǔn)的三種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點，并說明了在進(jìn)行協(xié)議堆棧各層設(shè)計及不同應(yīng)用時的注意事項。自組無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)、醫(yī)療、消費及軍事中有直接的應(yīng)用，為實現(xiàn)這些應(yīng)用對功耗、傳輸距離和數(shù)據(jù)率的要求，業(yè)界提出了一種無線新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)-IEEE802.15.4。該技術(shù)的功耗和數(shù)據(jù)率均低于藍(lán)牙技術(shù)，在具體實現(xiàn)時將面臨一些困難，例如電池的使用和設(shè)備大小等。此外，這種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在包括延時、節(jié)點搜尋時間、傳輸路徑查找以及消息確認(rèn)等方面還存在挑戰(zhàn)。為了正確運用這種技術(shù)，我們有必要全面了解它的物理及數(shù)據(jù)鏈路層參數(shù)。與存在很多不同規(guī)格的藍(lán)牙設(shè)備不同，自組無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通常只有三種應(yīng)用，即周期性采樣、事件驅(qū)動和“存儲與轉(zhuǎn)發(fā)”。實現(xiàn)該技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也有三種：星狀網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)及混合網(wǎng)(星狀網(wǎng)+網(wǎng)狀網(wǎng))。每種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)都有自身的優(yōu)點和缺點，用戶必須充分了解這些網(wǎng)絡(luò)特點以滿足不同無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用要求。微電機系統(tǒng)、低功耗無線電路和數(shù)字電路設(shè)計的飛速發(fā)展在很大程度上促成了這種低功耗自組網(wǎng)的產(chǎn)生和應(yīng)用。目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的功耗可降低到毫安級以下，因此傳感器節(jié)點可使用一顆3V直流紐扣式電池來供電，根據(jù)不同的采樣率，其工作時間可以達(dá)五年或以上。采用紐扣式電池的此類傳感器節(jié)點外型小巧，便于攜帶且易于設(shè)計到小型設(shè)備中。這些低功耗、低數(shù)據(jù)率的應(yīng)用包括工廠中各種精密數(shù)字輔助測量儀器，如水表和煤氣抄表、供應(yīng)鏈出貨量監(jiān)測和個人標(biāo)記佩戴報告等。這些應(yīng)用有三個共同要求：外型小、電池壽命長以及具有魯棒特性，滿足這些要求的前提條件是選擇適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 基本的星狀網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一個單跳(single-hop)系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)中所有無線傳感器節(jié)點都與基站和網(wǎng)關(guān)進(jìn)行雙向通信(圖1a)。基站可以是一臺PC、PDA、專用控制設(shè)備、嵌入式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，或其它與高數(shù)據(jù)率設(shè)備通信的網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點基本相同。除了向各節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)和命令外，基站還與因特網(wǎng)等更高層系統(tǒng)之間傳輸數(shù)據(jù)。各節(jié)點將基站作為一個中間點，相互之間并不傳輸數(shù)據(jù)或命令。在各種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，星狀網(wǎng)整體功耗最低，但節(jié)點與基站間的傳輸距離有限(圖2)，通常ISM頻段的傳輸距離為10-30米。網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是多跳(hop，即一次: 回答者：網(wǎng)友

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