无线传感器网络技术概述

摘要：无线传感器网络是目前计算机网络、无线通信和微电子技术等领域的研究热点。但很多人对无线网络并不是很了解。本文就是基于此，从无线传感器网络的结构、特点以及关键技术方面介绍，对无线传感网络的研究趋势作了总结。让读者对无线传感网络有个比较直观的认识了解。

关键词：无线传感网络；传感器；网络协议；MAC

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2013） 02-0003-02

无线传感器网络被普遍认为是二十一世纪最重要的技术之一，是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，是由传感器、数据处理单元和通信模块的微小节点通过自组织的方式构成的网络。在无线传感器网络中各传感器节点能够相互协作完成感知、采集网络覆盖区域内的各种环境或监测对象的信息，对这些信息进行处理，以获得详实而准确的信息，并通过无线多跳方式传送给需要这些信息的用户[2]。可以说由计算机技术、传感器技术、无线通信技术相结合产生的无线传感器网络实现了物理世界、信息世界与人类社会三元世界的连通，将会对人类社会的生产和生活产生深远而积极的影响。

一、无线传感网络的体系结构

（一）传感器节点结构。无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点以无线多跳通信方式形成的自组织网络系统，其中的传感器节点能够协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给用户。无线传感器网络中最基本的组成要素是传感器节点，它由数据采集单元、处理器单元、数据传输单元和能量供应单元四部分组成[2]。如图1所示。

数据采集单元负责监测区域内信息的采集和数据转换，借助形式多样的传感部件，传感器节点能够感知温度、湿度、噪声、移动物体的大小、速度和方向等信息。处理单元负责控制整个传感器节点的操作、存储和处理数据信息。数据传输单元负责与其他传感器节点交换控制信息和传输采集到的数据信息。能量供应单元为传感器节点各部件提供运行所需的能量，通常采用微型电池。

（二）网络体系结构。无线传感器网络的体系结构如图2所示，通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点[1]。大量传感器节点随即部署在监测区域内部或附近，以自组织的方式构成网络。传感器节点产生的数据以不同的路由方式沿着其他传感器节点逐跳传输，在传输的过程中，可能被多个节点处理，然后传输到汇聚节点。最后，通过互联网或者卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理。

（三）无线传感网络协议栈。与传统无线通信网络相比，无线传感器网络更加面向应用，为适应特定的应用目标其组织和结构在很大程度上进行了优化，以减少系统开销、提高网络性能并延长网络寿命。无线传感器网络的协议栈将信息传输与功耗感知相结合，将数据处理融入网络协议，从而可以通过无线媒体高效地交互网络的功耗状态，充分发挥节点协作的效果。图3给出了传感器网络协议栈的整体结构，包括应用层、传输层、网络层、数据链路层、物理层，以及电源管理平台、移动管理平台和任务管理平台[2]。

应用层主要基于感知任务和用户需求来构建各种应用软件，其中传感器管理协议、任务分配和数据广告协议、传感器查询和数据分发协议是目前人们主要关注的应用层协议。传输层承担着维护网络中数据流的任务。在网络中，主要的数据流是由传感器节点向汇聚节点传递目标感知信息。网络层协议主要负责数据发送时的路由决策。链路层协议主要由介质访问控制协议组成，用于为资源受限的传感器节点建立具有自组织能力的多跳通信链路。物理层主要负责无线通信的频率选择、载波产生、信号检测、调制解调和数据编码等工作。电源管理平面负责统一管理传感器节点的能量使用，通过调节工作模式和数据发送频率等方法降低节点能量消耗以延长其寿命。移动管理平面负责感知节点的移动及动态跟踪邻居节点位置的变化，当节点位置发生改变时向重新汇聚点进行注册，以维护节点与汇聚点之间的传输路径。任务管理平面负责节点感知任务的调度，通过与周围邻居节点的协助，合理地调整工作/睡眠周期以减少系统的能量消耗。

二、无线传感器网络的特点

与其他类型的无线网络相比，传感器网络有着鲜明的特征。其主要特点可以归纳如下[3]：

（一）传感器节点能量有限。当前传感器通常由内置的电池提供能量，由于体积受限，因而其携带的能量非常有限。如何使传感器节点有限的能量得到高效的利用，延长网络生存周期，这是传感器网络面临的首要挑战。

（二）通信能力有限。无线通信消耗的能量与通信距离的关系为E=kdn。其中，参数n的取值为2≤n≤4，n的取值与许多因素有关。但是不管n具体的取值，n的取值范围一旦确定，就表明，无线通信的能耗是随着距离的增加而更加急剧地增加的。因此，在满足网络连通性的要求下，应尽量采用多跳通信，减少单跳通信的距离。通常，传感器节点的通信范围在100m内。

（三）计算、存储和有限。一方面为了满足部署的要求，传感器节点往往体积小；另一方面出于成本控制的目的，节点的价格低廉。这些因素限制了节点的硬件资源，从而影响到它的计算、存储和通信能力。

（四）节点数量多，密度高，覆盖面积广。为了能够全面准确的监测目标，往往会将成千上万的传感器节点部署在地理面积很大的区域内，而且节点密度会比较大，甚至在一些小范围内采用密集部署的方式。这样的部署方式，可以让网络获得全面的数据，提高信息的可靠性和准确性。

（五）自组织。传感器网络部署的区域往往没有基础设施，需要依靠传感器节点协同工作，以自组织的方式进行网络的配置和管理。

（六）拓扑结构动态变化。传感器网络的拓扑结构通常是动态变化的，例如部分节点故障或电量耗尽退出网络，有新的节点被部署并加入网络，为节约能量节点在工作和休眠状态间进行切换，周围环境的改变造成了无线通信链路的变化，以及传感器节点的移动等都会导致传感器网络拓扑结构发生变化。

（七）感知数据量巨大。传感器网络节点部署范围大、数量多，且网络中的每个传感器通常都产生较大的流式数据并具有实时性，因此网络中往往存在数量巨大的实时数据流。受传感器节点计算、存储和带宽等资源的限制，需要有效的分布式数据流管理、查询、分析和挖掘方法来对这些数据流进行处理。

（八）以数据为中心。对于传感器网络的用户而言，他们感兴趣的是获取关于特定监测目标的真实可靠的数据。在使用传感器网络时，用户直接使用其关注的事件作为任务提交给网络，而不是去访问具有某个或某些地址标识的节点。传感器网络中的查询、感知、传输都是以数据为中心展开的。

（九）传感器节点容易失效。由于传感器网络应用环境的特殊性以及能量等资源受限的原因，传感器节点失效（如电池能量耗尽等）的概率远大于传统无线网络节点。因此，需要研究如何提高数据的生存能力、增强网络的健壮性和容错性以保证部分传感器节点的损坏不会影响到全局任务的完成。此外，对于部署在事故和自然灾害易发区域的无线传感器网络，还需要进一步研究当事故和灾害导致大部分传感器节点失效时如何最大限度地将网络中的数据保存下来，以提供给灾害救援和事故原因分析等使用。

三、关键技术

无线传感器网络作为当今信息领域的研究热点，设计多学科交叉的研究领域，有非常多的关键技术有待研究和发现，下面列举若干。

（一）网络拓扑控制。通过拓扑控制自动生成良好的拓扑结构，能够提高路由协议和MAC协议的效率，可为数据融合、时间同步和目标定位等多方面奠定基础，有利于节省能量，延长网络生存周期。所以拓扑控制是无线传感器网络研究的核心技术之一。目前，拓扑控制主要研究的问题是在满足网络连通度的前提下，通过功率控制或骨干网节点的选择，剔除节点之间不必要的通信链路，生成一个高效的数据转发网络拓扑结构。

（二）介质访问控制（MAC）协议。在无线传感器网络中，MAC协议决定无线信道的使用方式，在传感器节点之间分配有限的无线通信资源，用来构建传感器网络系统的底层基础结构。MAC协议处于传感器网络协议的底层部分，对传感器网络的性能有较大影响，是保证无线传感器网络高效通信的关键网络协议之一。传感器网络的强大功能是由众多节点协作实现的。多点通信在局部范围需要MAC协议协调其间的无线信道分配，在整个网络范围内需要路由协议选择通信路径。在设计MAC协议时，需要着重考虑以下几个方面：（1）节省能量。传感器网络的节点一般是以干电池、纽扣电池等提供能量，能量有限。（2）可扩展性。无线传感器网络的拓扑结构具有动态性。所以MAC协议也应具有可扩展性，以适应这种动态变化的拓扑结构。（3）网络效率。网络效率包括网络的公平性、实时性、网络吞吐量以及带宽利用率等。

（三）路由协议。传感器网络路由协议的主要任务是在传感器节点和Sink节点之间建立路由以可靠地传递数据。由于传感器网络与具体应用之间存在较高的相关性，要设计一种通用的、能满足各种应用需求的路由协议是困难的，因而人们研究并提出了许多路由方案。

（四）定位技术。位置信息是传感器节点采集数据中不可或缺的一部分，没有位置信息的监测消息可能毫无意义。节点定位是确定传感器的每个节点的相对位置或绝对位置。节点定位分为集中定位方式和分布定位方式。定位机制也必须要满足自组织性，鲁棒性，能量高效和分布式计算等要求。

（五）数据融合。传感器网络为了有效的节省能量，可以在传感器节点收集数据的过程中，利用本地计算和存储能力将数据进行融合，取出冗余信息，从而达到节省能量的目的。

（六）安全技术。安全问题是无线传感器网络的重要问题。由于采用的是无线传输信道，网络存在窃听、恶意路由、消息篡改等安全问题。同时，网络的有限能量和有限处理、存储能力两个特点使安全问题的解决更加复杂化了。

四、无线传感器网络的发展趋势

根据无线传感器网络的研究现状，无线传感器网络技术的发展趋势主要有4个方面。

（一）灵活、自适应的网络协议体系。无线传感器网络广泛地应用于军事、环境、医疗、等领域。其网络协议、算法的设计和实现与具体的应用场景有着紧密的关联。如何设计功能可裁减、自主灵活、可重构和适应于不同应用需求的无线传感器网络协议体系结构，将是未来无线传感器网络发展的重要方向。

（二）跨层设计无线传感器网络有着分层的体系结构，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之间的设计互动与性能平衡。

（三）ZigBee标准规范。zigBee具有低传输速率、低功耗、协议简单、时延短、安全可靠、网络容量大、优良的网络拓扑能力等优点的新兴无线网络通信规范。ZigBee的这些优点极好地支持了无线传感器网络。目前，ZigBee联盟正在进行协议标准的整合工作，该标准的成功制定对无线传感器网络的推广使用将有深远、重要的意义。

（四）与其他网络的融合无线传感器网络和现有网络的融合将带来新的应用。例如，无线传感器网络与互联网、移动通信网的融合，一方面使无线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。

参考文献：

[1]孙利民，李建中，陈渝.无线传感器网络[M].北京：清华大学出版社，2005.