无线传感器网络的组网及路由协议研究

摘要：无线传感器网络被视为是21世纪最重要的技术之一，首先介绍了无线传感器网络的特点和主要应用，然后对无线传感器网络的组网方式和网络体系结构进行了研究，无线传感器网络具有很多不同于传统网络的特点，因此，路由协议设计等显得尤为重要，于是对现在几种主要的路由协议进行了较为详细的介绍，并重点对LEACH协议进行了深入分析，通过分析发现LEACH协议的不足之处。

关键词: 无线传感器网络；传感器节点；体系结构；路由协议

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)15-3511-03

Research on Routing Protocol and Networking Mode of Wireless Sensor Networks

WANG Xiao-geng

(Xi'an Institute of Posts and Telecommunications, Xi'an 710121, China)

Abstract: Wireless sensor network is considered to be the 21st century, one of the most important technologies. First introduced the characteristics of wireless sensor networks and major applications, Then the networking mode of wireless sensor networks and network architectures have been studied，Wireless Sensor Networks has many characteristics which is different from traditional networks, Therefore, the design of routing protocols is particularly important. And then, we particularly introduce some primary router protocol，Then, LEACH protocol is deeply analyzed, and it is found that the inadequacy of LEACH protocol.

Key words: wireless sensor networks; sensor node; architecture; routing protocol

1 概述

伴着人类科技的进步，无线网络、传感器、集成电路等技术也在迅猛发展，现在可以研制出大量功能强大、能耗小、成本低的微型传感器，利用这些低成本的传感器，大规模部署在所需要的环境中，组建成多跳的无线自组织网络，用来收集监测区域的各种信息，将收集的信息经过简单处理后，发送给汇聚节点，再经互联网、卫星等设备传输到用户的管理节点，实现远程的监测，并提取出有用的信息，进行分析判断，最终做出相应的行动。无线传感器网络是目前非常新颖的信息捕获及处理技术，是一种新型的、自组织的、无基础设施的无线网络，利用装在传感器上的各种传感部件，微型传感器可以对其所处环境中人们感兴趣的各种信息，例如：风向、温度、速度、光照、声音、热源、红外、移动物体等信息，进行搜集，使人们可以十分方便快捷的掌握某个区域内的信息，并采取相应的行动，无线传感器网络技术可以应用在许多领域，使人们的生活及生产方式发生非常大的改变。[1]

1.1 无线传感器网络的特点

无线传感器网络主要特点如下：

1) 微型传感器价格低廉。适合大规模应用，微型传感器集成了多种功能，如无线通信、数据采集、数据处理等，并且微型传感器体积小，适合隐蔽安装，也被称为智能尘埃。

2) 节点资源有限。节点微型化导致了节点硬件资源有限。节点通常由电池供电，一般情况下5号电池供电，半年左右就需要更换，所以节点的能源是受限的，一旦电池能量耗尽，节点便无法继续提供服务。

3) 节点数目众多。为了能够捕获精确信息，需要在目标区域放置大量节点，以防出现盲区，数目众多的节点可以给网络提供冗余，保证了网络的健壮性，不会因为某个节点出现差错，导致工作异常。

4) 动态拓扑。因为无线传感器工作时，受到多种外界环境因素的制约和干扰，某些节点可能会随时终止工作，节点本身也可能是移动的，所以无线传感器网络的拓扑不是一成不变的，而是处在变化中。

5) 自组织网络。在现实的应用中，节点安放的位置可能无法预先精确定位，相邻情况也无法准确估计，这就要求节点能够自组网络，自动进行配置及通信，相互协调工作，对不断变化的网络拓扑做出响应。

6) 多跳路由。因为无线节点的功率都比较小，为了节省电力，信号覆盖范围往往很有限，不可能覆盖整个网络，信号的对外传输需要相邻的节点来完成，这就要求网络中的节点还要担负路由的工作，要参与信号的转发，每个节点都要担负中继的角色，信号往往经过多个网络中节点接力传输后才能到达汇聚点。[2]

1.2 无线传感器网络的应用

无线传感器网络以其自组织性、微型性、低成本、灵活性等优点，在军事、环境科学、建筑结构监测、医疗卫生、智能交通、智能家居、商业应用等领域有着十分广阔的应用前景。传感器网络的应用与具体的应用环境密切相关，针对不同的应用领域，存在性能不同的无线传感器网络系统。

在军事领域，传感器网络因其自身的独特性越来越成为军方研究的重点，必将成为现代战场指挥系统的新宠。传感器网络可以通过飞机播撒的方式，投放到目标区域，利用其自组网的特点，形成网络覆盖，收集关键信息，实现监测敌军区域内的兵力和装备、实时监视战场状况、定位目标物等。部分节点受到损毁也不会导致整个系统崩溃，适合战场的恶劣环境，是传统网络技术无法比拟的。

在环境科学方面，传感器网络可以长时间、大面积收集野外环境数据，避免了人工收集的艰辛，比传统收集的方法要方便、准确，传感器网络可以用来监测山体、地表温度、降雨等信息，为预防地址灾害提供有力数据支持。也可以用于监测大气、海洋和土壤等信息，在许多方面对传统的地理信息收集提供强大技术支持。

在智能交通方面也有非常广阔的用途，可以给每辆汽车安装节点和GPS定位器，收集道路信息，也可以快速传递前后车的驾驶信息，避免交通事故，还可以在高速公路上安装节点，通报不同地段的道路情况，包括温度、湿度、能见度、是否结冰等信息，可以预见如果在交通道路中大量采用无线传感器网络技术，将给人们的安全出行提供有力保障。[3]

1.3 无线传感器网络的关键技术

1) 路由协议

在无线传感器网络中，节点要执行路由任务，路由协议的设计关系到每个节点的能量开销，也在一定程度上决定了传感网络的生存时间，因为大面积更换电池毕竟不是一件容易的事情。无线传感网将把能耗放在优先考虑的位置，如何高效利用能量是路由算法设计需要重点考虑的。由于节点的微型化，它的能力和资源都有限，所以路由协议要尽可能简单，而且网络处在动态变化中，路由协议也要能够适应这些特点。