基于量子遗传算法的无线传感器网络QoS路由选择算法研究 第14页
据的融合，去除冗余信息，从而达到节省能量的目的。由于传感器节点的易失效性，传感器网络也需要数据融合技术对多份数据进行综合，提高信息的准确度。
数据融合技术可以与传感器网络的多个协议层次进行结合。在应用层设计中，可以利用分布式数据库技术，对采集到的数据进行逐步筛选，达到融合的效果；在网络层中，很多路由协议均结合了数据融合机制，以期减少数据传输量。
（7）数据管理
从数据存储的角度来看，传感器网络可被视为一种分布式数据库。以数据库的方法在传感器网络中进行数据管理，可以将存储在网络中的数据的逻辑视图与网络中的实现进行分离，使得传感器网络的用户只需要关心数据查询的逻辑结构，无需关心实现细节。虽然对网络所存储的数据进行抽象会在一定程度上影响执行效率，但可以显著增强传感器网络的易用性。传感器网络的数据管理与传统的分布式数据库有很大的差别。由于传感器节点能量有限且容易失效，数据管理系统必须在尽量减少能量消耗的同时提供有效的数据服务。同时，传感器网络中节点数量庞大，且传感器节点产生的是无限的数据流，无法通过传统的分布式数据库的数据管理技术进行分析处理。此外，对传感器网络数据的查询经常是连续的查询或随机抽样的查询，这也使得传统分布式数据库的数据管理技术不适用于传感器网络。
（8）无线通信技术
传感器网络需要低功耗短距离的无线通信技术。IEEE802.15.4针对低速无线个人域网络的无线通信标准，把低功耗、低成本作为设计的主要目标，旨在为个人或者家庭网络范围内不同设备之间低速联网提供统一标准。由于 IEEE802.15.
4标准的网络特征与无线传感器网络存在很多相似之处，故很多研究机构把它作为无线传感器网络的无线通信平台。
（9）嵌入式操作系统
传感器节点是一个微型的嵌入式系统，携带非常有限的硬件资源，需要操作系统能够节能高效地使用有限的内存、处理器和通信模块,且能够对各种特定对应环境提供最大的支持。在面向无线传感器网络的操作系统的支持下，多个应用可以并发地使用系统的有限资源。传感器节点有两个突出的特点。一个特点是并发性密集，即可能存在多个需要同时执行的逻辑控制，这需要操作系统能够有效地满足这种发生频繁、并发程度高、执行过程比较短的逻辑控制流程；另一个特点是传感器节点模块化程度很高，要求操作系统能够让应用程序方便地对硬件进行控制，且保证在不影响整体开销的情况下，应用程序中的各个部分能够比较方便地进行重新组合。
（10）应用层技术
传感器网络应用层由各种面向应用的软件系统构成，部署的传感器网络往往执行多种任务。应用层的研究主要是各种传感器网络应用系统的开发和多任务之间的协调，如作战环境侦察与监控系统、军事侦查系统、情报获取系统、战场监测与指挥系统等。
5.1.2 无线传感器网络节点特征
（1）电池电量有限
传感器节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池。由于传感器节点个数多、成本要求低廉、分布区域广阔，而且部署区域环境复杂，有些区域甚至人员根本不能到达，所以传感器网络通过更换电池的方式来补充能量是不现实的。如何高效使用能量来最大化网络生命周期是传感器网络面临的首要挑战。
传感器节点消耗能量的模块包括传感器模块、处理器模块和无线通信模块。随着集成电路工艺的进步，处理器和传感器模块的功耗变得很低，绝大部分能量消耗在无线通信模块上。图5.1所示是传感器节点各部分能量消耗的情况，从图中可知传感器节点的绝大部分能量消耗在无线通信模块。传感器节点传输信息时要比执行计算时更消耗电能，传输1比特信息100m距离需要的能量大约相当于执行3000条计算指令消耗的能量。
无线通信模块存在发送、接收、空闲和睡眠四种状态。无线通信模块在空闲状态一直监听无线信道的使用情况，检查是否有数据发送给自己，而在睡眠状态则关闭通信模块，从图5.1中可以看到，无线通信模块在发送状态的能量消耗最大，在空闲状态和接收状态的能量消耗接近，略少于发送状态的能量消耗，在睡眠状态的能量消耗最少。如何让网络通信更有效率，减少不必要的转发和接收，不需要在通信时尽快进入睡眠状态，是传感器网络协议设计需要重点考虑的问题。
图5.1 传感器节点能量消耗情况
（2）计算和存储能力有限
传感器节点是一种微型嵌入式设备，要求它价格低功耗小，这些限制必然导致其携带的处理器能力比较弱，存储器容量比较小。为了完成各种任务，传感器节点需要完成监测数据的采集和转换、数据的管理和处理、应答网关节点的任务请求和节点控制等多种工作，如何利用有限的计算和存储资源完成诸多协同任务成为传感器网络设计的挑战。
5.2 无线传感器网络路由协议概述
无线传感器网络路由协议负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点，它主要包括两个方面的功能：寻找源节点和目的节点间的优化路径，将数据分组沿着优化路径正确转发。Ad hoc、无线局域网等传统无线网络的首要目标是提供高服务质量和公平高效地利用网络带宽，这些网络路由协议的主要任务是寻找源节点到目的节点间通信延迟小的路径，同时提高整个网络的利用率，避免产生信道拥塞并均衡网络流量等，而能量消耗问题不是这类网络考虑的重点。在无线传感器网络中，节点能量有限且一般没有能量补充，因此路由协议需要高效利用能量，同时传感器网络节点数目往往很大，节点只能获取局部拓扑结构信息，路由协议要能在局部网络信息的基础上选择合适的路径。传感器网络具有很强的应用相关性，不同应用中的路由协议可能差别很大，没有一个通用的路由协议。此外，传感器网络的路由机制还经常与数据融合技术联系在一起，通过减少通信量而节省能量。因此，传统无线网络的路由协议不适应于无线传感器网络，需要为无线传感器网络设计专门的路由协议。
5.2.1 无线传感器网络路由协议的特点
与传统网络的路由协议相比，无线传感器网络的路由协议具有以下特点：
（1）能量优先。传统路由协议在选择最优路径时，很少考虑节点的能量消耗问题。而无线传感器网络中节点的能量有限，延长整个网络的生存期成为传感器网络路由协议设计的重要目标，因此需要考虑节点的能量消耗以及网络能量均衡使用的问题。
（2）基于局部拓扑信息。无线传感器网络为了节省通信能量，通常采用多跳的通信模式，而节点有限的存储资源和计算资源，使得节点不能存储大量的路由信息，不能实现太复杂的路由计算。在节点只能获得局部拓扑信息和资源有限的情况下，如何实现简单高效的路由机制是无线传感器网络的一个基本问题。
（3）以数据为中心。传统的路由协议通常以地址作为节点的标识和路由的依据，而无线传感器网络中大量节点随机部署，所关注的是监测区域的感知数据，而不是具体哪个节点获取的信息，不依赖于全网唯一的标识。传感器网络通常包括多个传感器节点到少数汇聚节点的数据流，按照对感知数据的要求、数据通信模式和流向等，以数据为中心形成信息的转发路径。
（4）应用相关。传感器网络的应用环境千差万别，数据通信模式不同，没有一个路由机制适合所有的应用，这是传感器网络应用相关性的一个体现。设计者需要针对每一个具体应用的需求，设计与之适应的特定路由机制。
5.2.2 无线传感器网络的分类
无线传感器网络大致可以分为三类：
（1）按源节点获取路径的划分
根据源节点获取路径的方法可以把路由协议分为三种类型，即“充分路由”，“按需路由”和“混合路由”。充分路由是指所有的路径都是事先已经计算好的，不考虑实际情况中这个路径是否用的到。按需路由指只有需要某条路径的话，才会按照需求去计算这条路径。混合路由则是充分路由和按需路由的一个结合体。
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