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无线传感器网络的研究现状及发展
默认分类 2008-06-12 18:19:20 阅读910 评论0 字号：大中小
摘要：无线传感器网络(WSN)综合了传感器技术、微电子机械系统(MEMS)嵌入式计算技术．分布式信息处理技术和无线通信技术，能够协作地实时感知、采集、处理和传输各种环境或监测对象的信息．具有十分广阔的应用前景，成为国内外学术界和工业界新的研究领域研究热点。本文简要介绍了无线传感器网络的网络结构、节点组成，分析了无线传感器网络的特点及其与现有网络的区别。进而介绍现有无线传感器网络中的MAC层技术、路由技术、节点技术和跨层设计等关键技术。最后展望无线传俄器网络的应用和发展并指出关键技术的进步将起到决定性的促进作用。
关键词：无线传感器网络 节点 MAC层 路由协议 跨层设计
Abstract: Wireless sensor network (WSN) is integration of sensor techniques, Micro-Electro-Mechanical Systems, embedded computation techniques, distributed computation techniques and wireless communication technique. They can be used for sensing, collecting, processing and transferring information of monitored objects for users. As a new research area and interest hotspot of academia and industries, Wireless Sensor Network(WSN) has a wide application future. This paper briefly introduced the wireless sensor network of networks, nodes, the analysis of the characteristics of wireless sensor networks and the differences wih the existing networks. And the MAC layer technology, routing technology, joint cross-layer design technology and key technology are introduced . At last the prospects of wireless sensor network are discussed in this article.
Key Words: Wireless Sensor Network, node, MAC, routing protocol, Cross-layer design
一、概述
随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的发展进步，包括微电子机械系统（Micro-Electro-Mechanical Systems， MEMS）以及相关的接口、信号处现技术的飞速发展和日益成熟，具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器网络引起了人们的极大关注。无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息妙理技术和通信技术，能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理；获得详尽而准确的信息，传送到需要这些信息的用户。无线传感器网络系统可以被广泛地应用于国防军事、工业过程控制、国家安全、环境监测等领域。
由于传感器网络的巨大应用价值，它已经引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的极大关注。美国《技术评论》2003年1月号上，《技术评论》的编辑们认为，有十种新兴技术在不远的将来会产生巨大影响、其中第一项就是无线传感器网络。
美国国防刻和各军事部门都对传感器网络给予了高度重视。在C4ISR的基础上提出了C4KISR计划，强调战标情报的感知能力、信息的综合能力和信息的利用能力，把传感器网络作为一个重要研究领域，设立了一系列的军事传感器网络研究项目，如美国陆军2001年提出了“灵巧传感器网络通信”计划，已被批准为2001财政年度的一项科学技术研究计划．并在2001～2005财政年度期间实施；美国海军最近开展的网状传感器系统CEC（cooperative engagement capability），即使是今天最先进的反舰巡航导弹也会被实时地监测到并被击中。
在民用领域， 2002年，美国 Intel公司发布了“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”。今后，Intel将致力于微型传感器网络在预防医学、环境监测、森林灭火乃至海底板块调查、行星探查等领域的应用。伯克利实验室和大西洋学院的研究人员计划部署和使用无线传感器网络来研究岛上环境。这些传感器由温度、湿度、气压等芯片和红外线传感器组成。科学家们使用这些设备可以在不干扰野生动植物正常生活的情况下监视它们及其生存环境。
英国、日本、意大利等国家的一些大学和研究机构也纷纷开展了该领域的研究工作。学术界的研究主要集中在传感器网络技术和通信协议的研究上，也开展了一些感知数据查询处理技术的研究，取得了一些初步研究结果。
国内研究机构如中科院、清华大学、国防科技大学。电子科技大学、哈尔滨工业大学以及浙江大学等学术团体对传感器网络进行了跟踪研究。
中国计算机学会青年计算机科技论坛于2004年11月在北京召开了中国第一次关于Wireless sensor network的专题报告会。讨论了Wireless sensor network技术及其在中国的发展问题。
毋庸置疑，跟踪国外传感器网络技术的发展，并做出开创性的研究工作，对我们国家国防现代化以及实验流体力学的发展也具有重要的意义。
二、无线传感器网络的特点
无线传感器网络的组成及应用场景和传统网络有较大的不通，是一种综合传感器技术、计算机技术、信息处理技术和通信技术为一体的网络，其特点及与传统网络的区别如下所述。

1．特点
无线传感器网络的主要特点是：
·以数据为中心：无线传感器网络中节点数目巨大，而且由于网络拓朴的动态特性和节点放置的随机性，节点并不需要也不可能以全局唯一的IP地址来标识，只需使用局部可以区分的标号标识。用户对所需数据的收集，是以数据为中心进行，并不依靠节点的标号。
·资源受限：无线传感器网络中，节点只具有有限的硬件资源。其计算能力和对数据的处理能力相当受限。此外，节点只能携带有限的电池能量，且在应用过程中不可能更换电池，因此能量也相当受限。
·部署方式：无线传感或网络具有可快速部署的特点。节点一旦被抛撒即以自组织方式构成网络，无需任何预设的网络设施。
·维护：在通信过程中，节点会随时因为能源耗尽而离开网络，也可能因为某种需要而随时进入网络，从而引起网络拓扑的频繁变化．影响遇信质量。无线传感器网络不仅可实现自动组网，还具有网络自动配置和自动维护功能，保证了网络的通信质量。
·多跳路由：网络中节点的电池能源非常有限，因此其通信覆盖范围一般只有几十米，即每个节点都只能与其邻居节点进行通信。若采要与通信覆盖范围外的节点通信，则需要通过中间节点进行多跳路由。
2．与现有网络的区别
无线传感器网络与其他网络如移动通信网、Ad hoc网络、因特网等相比有着如下区别：
·无线传感器网络中的节点数目更为巨大，密度更高，且节点不一定具有全球唯一的地址标识；
·无线传感器网络中的节点一般不进行快速移动，但节点可能会随时加入或离开，因而网络的拓扑变化很快；
·无线传感器网络大都采用点对点通信方式；
·无线传感器网络中节点的电池能量、计算能力和存储能力相当有限。
三、传感器网络中的关键技术的研究现状
无线传感器网络因为上述的特点及其与现有网络的区别，导致已有网络中的许多技术并不能直接应用到无线传感器网络中，无线传感器网络的研究领域存在着许多新的挑战。其中，通信协议（主要包括MAC层技术和路由技术）、节点设计十分关键。
1．MAC层技术
MAC层是无线传感器网络协议堆栈中的一个重要层次，它实现网络的自组织和节能。节点被随机放置后，MAC层协议实现节点间链路的建立，保证所有的节点可以公平、有效地利用有限的带宽。另外，网络的节能也由MAC层实现。目前研究者已经提出了很多MAC层设计的建议方案，大致可以划分为两大类：
（1）固定分配类
固定分配类MAC层协议主要有频分多址接入（FDMA）、时分多址接人（TDMA）、码分多址接入（CDMA）三种；现在的MAC协议主要有SMACS、EAR、TRAMA、TDM－FDM、DE－MAC等。
SMACS是一个分布式协议，节点可以发现自己的邻节点并建立邻居列表，进而建立通信链路。SMACS采用多信道，且用中心调度方式来对信道进行分配。节点的射频模块可在不同的信道采用不同的频率，从而降低了冲突发生的概率。在此协议中还使用了随机唤醒机制，没有通信任务时，节点进入睡眠状态，节省电源。
EAR协议用于固定节点和移动节点间的通信，它是SMACS协议的补充。采用EAR协议的无线传感器网络中，连接的建立和断开完全由移动节点来负责，并且以信噪比的值来决定是否要断开连接。
TRAMA协议是基于能量的协议，在此协议中，时隙的分配是通过节点所携带的能量的多少来决定的。该协议按照一定的规则选出能量最低的节点，为其分配时隙。在此时隙内，节点可以工作或睡眠。当某一节点携带的能量比选举出的节点具有的能量低时，它进入选举阶段。如此反复，各节点间的能量将会得到有效平衡，从而延长了网络的生存期。
（2）基于竞争类
“竞争”的含义是，连接到信道上的节点遵循某种规则竞争信道，得到使用权的节点可以进行通信。基于竞争类的MAC层协议有Sensor－MAC（S－MAC）、Timeout－MAC（T－MAC）、WiseMAC和B－MAC等。
S－MAC协议沿用了 IEEE 802．11协议的冲突避免方式，除此之外还采用了工作/休眠策略，将时间分为帧，每一帧内分为工作阶段和休眠阶段。没有通信任务时，节点转人休眠状态，并缓存采集到的数据；进入工作阶段集中发送数据。因此S－MAC具有很好的节能特性，它满足了MAC层协议对各性能间平衡的要求，能量和时延之间可以根据流量来进行折中。
T－MAC协议与S－MAC协议实现机制基本相同，也采用了帧的概念。它通过设置细微的超时间隔（fine－grained timeouts）来动态选择占空比，从而可以减少闲时侦听信道所消耗的能量，延长了网络的生命期。
WiseMAC协议的特别之处在于，发送节点在收到数据确认包的同时可以获得接收节点下一次的信道侦听时间，由此发送节点可获得其所有邻居节点的信道侦听时间，简化了唤醒机制的实现。
现有的几种主要的MAC层协议主要优缺点比较如下表1所示。
2．路由技术
    路由发现和维护是无线传感器网络中的另一项关键技术，由网络层负责。它的主要任务是在传感器节点和sink节点间建立路由，可靠地传递数据。无线传感器网络中资源严重受限，因此路由协议设计的首要原则是节省能量，延长网络系统的生存期。协议不能太复杂、不能在节点保存太多的状态信息、节点间不能交换太多的路由信息；同时应尽量避免发送冗余信息，减少能量的浪费。现已提出的路由协议可简单分为以下几个类别：

（l）以数据为中心的路由协议
Flooding、Gossiping、SPIN协议等都属于以数据为中心的协议，这类协议的特点是基于数据查询。在传输过程中，有相同属性的数据进行融合，由此减少冗余数据的传输，节省能量。与基于地址的路由协议相比，这种以数据为中心的路由协议更适合于以数据为中心的无线传感器网络。
Flooding协议（洪泛协议）是最早最简单的路由协议，此协议中没有任何路由算法。节点向它的所有邻居节点广播所收到的数据，直到数据到达目的节点或达到数据报的最大跳数。Flooding协议的缺点在于容易引起信息爆炸和重叠，造成网络拥塞，不能满足应用所需的网络Qos。
Gossiping协议是针对Flooding协议的缺点而提出的。它与Flooding协议的不同之处在于，Gossiping协议中节点随机选择一个邻居节点来转发数据，而不再向它的所有邻居节点广播要发送的数据。与Flooding协议相比，Gossiping协议降低了网络拥塞；但由于转发数据的随机性，使得端到端的数据传输时延有所增加。
SPIN是基于协商的传感器网络路由协议，它采用三次握手机制。SPIN中有三种类型的消息：ADV、REQ和DATA。当某个节点有数据需要发送时，它就向全网广播ADV消息；收到ADV消息且对要发送的数据感兴趣的邻居节点此时向发送节点发出 REQ消息，表示希望接收此数据；发送节点收到 REQ消息后，用 DATA消息封装数据，发送到目标节点。
（2）分层次的路由协议
这类协议的设计思想是，将所有节点划分为若干簇，每个簇按照一定规则来选举一个簇头。各个节点采集的数据在簇头节点进行融合，再由簇头节点与sink节点进行通信。这种分层设计可以大大减少网络流量，达到节约功耗的目的、此类协议包括LEACH、TEEN协议等。
LEACH协议是一个典型的分层次的路由协议。在本协议中，所有节点被分为若干簇，每个簇选举一个簇头，各个簇头还可以组成更高层次的簇。LEACH协议的目标在于通过随机的选择簇头，将整个网络的能量负载平均分配到每个传感器节点中。
TEEN协议是改进的LEACH协议，它设立了软、硬门限值，只有在同时满足两个门限值时才发送数据。当检测值超过硬门限时，数据立即被发送出去，并把此次检测值作为新的硬门限；如果检测值与硬门限的差值超过了软门限，数据也立即被发送，并把这个差值作为新的软门限。
（3）基于位置的路由协议
这类协议利用位置信息将数据传送到目标区域，从而不必为了找到目标区域向全网广播数据，减少了能量的消耗。此类协议包括MECN＆SMECN、GAF、GEAR。
（4）基于网络流的路由协议
这类路由协议在实现路由发现和维护的同时，还力求满足网络的QoS需求。一些协议在建立路由路径的同时，还考虑节点的剩余能量、每个数据包的优先级、估计端到端的时延，从而为数据流选择一条最合适的发送路线。这类协议有SPEED、SAR等。
SPEED协议是一个空分的、基于网络流的无线传感器网络协议。SPEED协议中使用反馈机制来使MAC层性能达到最优；对于需要重新路由的分组，则采用临近反馈循环机制。与其他协议相比，SPEED可以有效的平衡网络的流量负荷，延长网络的生存期。
SAR协议的路由过程是一个以网关的一跳邻居作为根节点的多棵树不断延伸的过程，在树的延伸过程中，对于那些服务质量不好的节点、电源已经过度消耗的节点则不予加入，保证了网络的QoS需求。加入树的节点沿着父节点方向逐层向上发送数据，最后到达网关。
现有的几种主要的路由协议优缺点比较如表2所示。

3．节点技术
节点是组成无线传感器网络的基本单位，是构成无线传感器网络的基础平台。节点不仅完成采集信息、融合并传送数据的功能，节点中的电源模块还负责节点的驱动，是决定网络生存期的关键因素。因此节点技术的进步与无线传感器网络的发展有着密切的联系。
节点的设计在不同应用中各不相同，但其基本原则是采用尽量灵敏的传感器，尽量低功耗的器件、尽量节省的信号处理和尽量持久使冷的电源。节点中的传感。数据处理、通信及电源各模块技术的进步对节点技术的发展都有着深刻的影响。传感模块由最初的传统的传感器发展到到智能传感器，再到后来的网络传感器，进而实现了传感器的信息化。在目前出现的多种节点设计方案中，各方案的实现原理都相当相似，只是分别采用了不同的微处理及无线通信协议，如采用自定义协议、802.11协议、ZigBee协议、蓝牙协议以及 UWB通信方式等。现有的典型的节点有 Berkeley Motes，Sensoria WINS， Berkeley Piconodes， SmartMesh Dust mote等。
在电子信息行业，著名的MORE定律被用来形容半导体科技的变革规律，其内容是：平均每过18个月，半导体芯片的容量就会增长一倍，成本却会减少一半。几十年来，以微电子技术为基础，传感器技术得到了很大的发展。微电子技术将会继续遵循MORE定律走下去，其发展趋势正是当前及未来传感器技术的主要发展方向，无线传感器网络中的节点技术也会因此而得到发展。除此之外，香农定律表明事件发生的概率越小，信息中包含的位数就越大，这是无线传感器网络节点的数据处理和无线传输技术的发展所应遵循的另一规律。
目前单位体积内的电池容量大幅提高十分困难，电池携带能量的能力是传感器网络发展的瓶颈之一。现在的节点中绝大多数都使用AA微型电地提供能量，电池无线充电技术是特别引人关注和可能发展的方向。另外，将太阳能与节点供电相结合也是无线传感器网络节点设计技术的一个潜在的发展方向。
4．跨层设计
无线传感器网络有着分层的体系结构，因此在设计时也大都是分层进行。各层的设计相互独立且具有一定局限性，因而各层的优化设计并不能保证整个网络的设计最优。针对此问题，一些研究者提出了跨层设计的概念。跨层设计的目标就是实现逻辑上并不相邻的协议层次间的设计互动与性能平衡。对无线传感器网络，能量管理机制、低功耗设计等在各层设计中都有所体现。但要使整个网络的节能效果达到最优，应采用跨层设计的思想。将MAC与路由相结合进行跨层设计可以有效节省能量，延长网络的生存期。
此外，无线传感器网络应用在不同的领域，各领域应用对无线传感器网络的要求也各不相同。针对不同的应用，可以将无线传感器网络按动态性、数据传输模式、实时性、节点散布方式等进行分类，对于每一类网络采用不同的设计方法。
四、无线传感林网络未来的发展
无线传感器网络是影响人类未来生活的重要技术之一，将应用到各个领域，如传统的应用领域，包括军事应用、应急场合，设备监控等。此外，还可应用在一些新兴领域，如环境科学、智能化家居环境、精细农业、空间探索等。无线传感器网络技术将会不断的产生新的应用模式，从各个方面为我们的生活带来深远的影响。
无线传感器网络和现有网络的融合，将带来新的应用。如传感器网络与互联网、移动通信网的融合，一方面使传感器网络得以借助这两种传统网络传递信息，另一方面这两种网络可以利用传感信息实现应用的创新。
无线传感器网络的关键技术除本文前述之外，还包括节点定位技术、网络安全等。关键技术进步和突破将对无线传感器网络的发展和应用起到决定性的促进作用。比如，各层协议设计技术的进步直接影响到无线传感器网络的网络特性，优化的跨层设计方案将会极大的提高无线传感器网络的实用性和可行性，节点作为组成无线传感器网络的基本单位，其成本的下降和寿命的延长能大幅降低无线传感器网络的应用成本。
五、结束语
无线传感器网络是一种新型网络，其应用的需求促进了对它的研究。无线传感器网络从诞生至今，研究者们在网络协议、能量优化、提高效率、降低成本等方面，做了深入的研究，取得了较大的进展，为实现传感器网络的广泛应用奠定了技术基础。传感器网络还有很多问题需要突破，比如电源、节点等关键技术。关键技术的进步将对无线传感器网络发展起到决定性的促进作用。
参考文献：
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