無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究進展(精)

1、第 9卷第 6期 2011年 12月實驗科學(xué)與技術(shù)Experiment Science and Technology Vol.9No.6Dec.2011·計算機及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用 ·收稿日期 :20110413;修改日期 :20110830基金項目 :中央與地方共建特色優(yōu)勢學(xué)科專業(yè)實驗室項目 :網(wǎng)絡(luò)通信與無線通信技術(shù)實驗室。輪詢系統(tǒng)理論演進及應(yīng)用控制協(xié)議研究 （61072079。作者簡介 :丁洪偉（1964,男,博士,副教授,研究方向為通信網(wǎng)絡(luò)工程。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究進展丁洪偉,趙東風(fēng) ,高揚水 ,趙南山（云南大學(xué)信息學(xué)院,昆明 650091摘要:20世紀 90年代以來 ,隨著

2、現(xiàn)代微電子技術(shù)、無線通信技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò) 技術(shù)的進步以及互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展 ,使得具有感知、計算和無線網(wǎng)絡(luò)通信能力的傳 感器以及由其構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)引起了人們的極大關(guān)注。傳感器網(wǎng)絡(luò)被認為是 21 世紀最重要的技術(shù)之一 ,它將對人們的社會生活和產(chǎn)業(yè)變革帶來極大的影響和產(chǎn) 生巨大的推動作用。文中介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷史,組成,體系結(jié)構(gòu) ,特征及應(yīng)用等 ,并重點介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的研究熱點及關(guān)鍵技術(shù) ,同時還對其研究現(xiàn) 狀和發(fā)展前景做了介紹。關(guān)鍵詞:無線傳感器網(wǎng)絡(luò) ;能量有效性;MAC 協(xié)議;自組織中圖分類號 :TN926文獻標志碼:A 文章編號:16724550(20110600260

3、4Research Progress of Wireless Sensor NetworkDING Hong-wei ,ZHAO Dong-feng ,GAO Yang-shui ,ZHAO Nan-shan(School of Information ,Yunnan University ,Kunming 650091,ChinaAbstract :Science 1990s ,with the progress of the modern microelectronics technology 、 wireless communication technology 、computernet

4、work technology and Internet rapid development ,the sensors that possess the capability of the perceptio、n calculation 、wireless net-work communication and the wireless sensor network which is consisted by sensors induce people's great concern Sensor network is considered one of the most importa

5、nt technologies in the 21st century ,it will bring enormous influence and produce tremendous role in promoting on the people's social life and industrial and industrial revolution This article describes the development history、 composi-tion 、 structure 、 character and application of the wireless

6、 sensor network ,and focuses on the reach hot and key technologies ,at the same time also introduces reach current situation and development prospect in the wireless sensor network Key words :wireless sensor network ;power efficiency ;MAC protocol ;ad-hoc無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究起源于 20世紀 70年代,該時期的傳感器網(wǎng)絡(luò)只能捕獲 單一信號 ,且

7、傳感器節(jié)點之間也只能進行簡單的點對點通信。隨著 WSN 技術(shù)的不斷 進步和成熟 ,WSN 逐漸被廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域。在這些領(lǐng)域應(yīng)用中 ,無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 解決的關(guān)鍵問題是執(zhí)行效果和服務(wù)質(zhì)量 (QoS 保證為了克服無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用中遇到1的諸多限制 ,人們提出了許多優(yōu)秀的設(shè)計方法 ,其中跨層設(shè)計法已被證明是傳感 器網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)的設(shè)計方法 2。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中 ,節(jié)點攜帶有限的能量成了網(wǎng)絡(luò)生存期的瓶頸。多域協(xié) 作策略是很好解決該瓶頸的一種方法 3。MIT 技術(shù)評論將 WSN 列于 10種改變未來世界新興技術(shù)之首。 WSN 的 發(fā)展和廣泛應(yīng)用 ,將對人們的社會生活和產(chǎn)業(yè)變革帶來極大的影響 ,并產(chǎn)生巨

8、大的推動作用。世界各國都對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出 了極大的興趣 ,紛紛展開了該領(lǐng)域的研究工作。我國政府十分關(guān)注無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 的發(fā)展 ,2006年初發(fā)布的國家中長期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要為信息技術(shù)確定 了 3個前沿方向 ,其中 2個與 WSN 的研究直接有關(guān) ,即智能感知技術(shù)和自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 4。1WSN 的特點WSN 是一種無基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò) ,由大量的傳感器節(jié)點組成。這些傳感器節(jié)點在 高效的 MAC 協(xié)議和路由協(xié)議控制下組織形成專用無線網(wǎng)絡(luò) 5。傳感器節(jié)點可對環(huán)境的溫度、噪聲、光強度、壓力等物理量進行采集和處理 ,獲得詳細準確的信息。節(jié)點通過無線網(wǎng)絡(luò)將信息送到基站 , 基站再通過衛(wèi)星或因特網(wǎng)將

9、信息送到用戶 6。WSN 具有以下特點 :(1能量效率。傳感器節(jié)點必須具有高效率 能量,有限的能量決定了傳感器節(jié)點的生存期。給 第 9 卷第 6 期丁洪偉 ,等 : 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究進展 成千上萬個傳感器節(jié)點充電是難以實現(xiàn)的 ,因此每 個節(jié)點都應(yīng)具有很高的能量效率 7 。(2多跳。有的傳感器節(jié)點可能無法直接和 基站通信 ,要解決這個問題就是通過多跳通信。(3分布式處理。傳感器節(jié)點使用濾波器和 數(shù)據(jù)合并的算法收集從環(huán)境中獲得的數(shù)據(jù) ,最后將 它們轉(zhuǎn)變成信息。(4 網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)動態(tài)性強 ,無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常有節(jié)點失效或新節(jié)點加入。因此傳感器網(wǎng) 絡(luò)的硬件必須具有高健壯性和容錯性 8 。 2WS

10、N 節(jié)點和體系結(jié)構(gòu)2.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點 傳感器節(jié)點由傳感器模塊、處理模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊 4 個部分組成。傳感器模塊負責(zé)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。節(jié)點為不 同的傳感器提供可擴展接口 ;處理模塊負責(zé)控制傳 感器節(jié)點的操作、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理和處理來自 其他節(jié)點的數(shù)據(jù) ,實現(xiàn)數(shù)據(jù)安全、通信協(xié)議、同步 定位、功耗管理、任務(wù)管理等功能 ;無線通信模塊 負責(zé)傳感器節(jié)點之間的無線通信 ,交換控制消息和 收發(fā)采集信息 ;能量供應(yīng)模塊提供傳感器節(jié)點運行 所需的電源。傳感器節(jié)點的總體框架如圖 1 所示圖 1 傳感器節(jié)點總體框圖2.2傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)WSN體系具有二維結(jié)構(gòu) ,如圖 2所示,

11、分為橫向的通信協(xié)議層和縱向的傳感器網(wǎng)絡(luò)管理面。通信協(xié)議層劃分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層。網(wǎng)絡(luò)管理面劃分為能耗管理、移動管理以及任務(wù)管理 9圖 2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)二維圖物理層負責(zé)頻率選擇、載頻生成、信號檢測、調(diào)制和數(shù)據(jù)加密等 10 。WSN 物理層的協(xié)議和算法性能決定能量消耗和網(wǎng)絡(luò)的生存時間 ,在 WSN 物理層設(shè)計中 , 研究重點一般集中在低功耗無線電設(shè)計、帶功率意識的傳輸機制和調(diào)制機制。未來 WSN 物理層研究工作應(yīng)在低功耗的無線電設(shè)備方面進行創(chuàng)新 ,研發(fā)超帶寬技術(shù)用于 通信,開發(fā)出減少同步和能量消耗調(diào)制機制、確定最佳的傳輸功率、建立更加節(jié)能 的協(xié)議和算法 11 。

12、數(shù)據(jù)鏈路層負責(zé)數(shù)據(jù)流的多路復(fù)用、數(shù)據(jù)幀監(jiān)測、媒體接入控制 (MAC 和差錯 控制,確保通信網(wǎng)絡(luò)中點對點以及點對多點的可靠連接。 WSN 數(shù)據(jù)鏈路層主要有媒 體接入和錯誤控制 2 種策略。用于無線通信網(wǎng)絡(luò)的 MAC 控制協(xié)議主要分為 2大類, 隨機多址接入控制協(xié)議及輪詢多址接入控制協(xié)議。現(xiàn)分別對這 2 類控制協(xié)議進行重 點介紹 12。隨機多址接入控制協(xié)議采用用戶隨機競爭信道資源 ,控制靈活 ,且能保證小用戶 數(shù)有較高的傳輸效率。各用戶終端隨機競爭信道是隨機多址系統(tǒng)的最大特點13 。目前已廣泛應(yīng)用的隨機多址協(xié)議有 2 類:完全隨機多址接入?yún)f(xié)議 (ALOHA 多址和載 波偵聽多址 (CSMA 。隨機

13、多址協(xié)議主要關(guān)注穩(wěn)態(tài)情況下系統(tǒng)的通過率和時延性能 和系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題 14。研究人員提出了許多 WSN的 MAC 協(xié)議,但不管是哪一 種協(xié)議,它們都是基于 ALOHA 和CSMA 這 2種隨機多址機制。 WSN的 MAC 層協(xié) 議設(shè)計重點是 :傳輸功耗 ,吞吐量和服務(wù)質(zhì)量 15。SMAC 是 WSN 協(xié)議族中較早提出 的一種減少能量損耗的協(xié)議。在減少能量損耗的協(xié)議中 ,還有與概率檢測相結(jié)合的 技術(shù),如:概率檢測與 1堅持聯(lián)合控制的多通道隨機多址接入 MAC 控制協(xié)議 (PD- PMRM 。該協(xié)議采用了固定休眠和動態(tài)休眠相結(jié)合的技術(shù) ,在多通道負載均衡的情 況下保證系統(tǒng)降低能耗。提高系統(tǒng)吞吐量和

14、提高 QoS 的協(xié)議分別有 MC-LMAC 和 PSIFT協(xié)議。 MC-LMAC 協(xié)議:A multi-channel MAC protocol for wireless sensor network 協(xié)議。該協(xié)議是基于調(diào)度的多信道 MAC 協(xié)議,能很好地提高的吞吐量。 PSIFT 協(xié)議是一種基于載波偵聽多址訪問的 MAC 協(xié)議,它通過為每一個業(yè)務(wù)類型改 變幀間空間 (IFS和競爭窗口 (CW 的大小來提供業(yè)務(wù)分化。無線通信網(wǎng)絡(luò)的另一類 MAC 控制協(xié)議是輪詢72實驗科學(xué)與技術(shù) 2011年 12月多址接入控制協(xié)議。當(dāng)系統(tǒng)負載比較大時 ,只依靠隨機多址接入技術(shù)維護網(wǎng)絡(luò) 性能是比較困難的。在這種情

15、況下 ,輪詢多址系統(tǒng)方式就能體現(xiàn)其優(yōu)勢。輪詢多址 系統(tǒng)是一個多隊列單服務(wù)器系統(tǒng) ,服務(wù)器以一種固定的循環(huán)順序來訪問這些隊列。 基本的輪詢系統(tǒng)可分為門限服務(wù)型、完全服務(wù)型和限定服務(wù)型3 種模型。近幾年 ,關(guān)于輪詢系統(tǒng)的拓展研究都基本上源于上述 3 種模型。限定服務(wù) (K=1 輪詢系統(tǒng)有 較好的公平性服務(wù)特性 ,但信息分組的等待時延長 ;完全服務(wù)輪詢系統(tǒng)的信息分組的 等待時延最短 ,服務(wù)的公平性較差。門限服務(wù)輪詢系統(tǒng)的特性居于前兩者之中。在 實際的通信網(wǎng)絡(luò) MAC 控制協(xié)議中 ,大多數(shù)采用的是多種輪詢系統(tǒng)的混合控制系統(tǒng)。 最新的輪詢系統(tǒng)混合控制系統(tǒng)的研究有多級門限服務(wù)輪詢系統(tǒng) MAC 離散時間控制

16、 協(xié)議模型分析 16、服務(wù) 2 類業(yè)務(wù)的輪詢系統(tǒng)性能分析等 17。輪詢系統(tǒng)研究了系 統(tǒng)的平均排隊隊長、平均循環(huán)周期、信息分組的平均等待時延等。輪詢系統(tǒng)可以很 好地解決通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的突發(fā)性和負載的均衡性 ,為其提供優(yōu)質(zhì)的 QoS服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)端節(jié)點之間的數(shù)據(jù)透明傳送 ,功能包括尋址和路由選擇 ,連接建立、 保持和終止。 WSN 的路由協(xié)議與傳統(tǒng)的路由協(xié)議最大的區(qū)別是 ,傳感器節(jié)點沒有 IP 地址,所以基于 IP的路由協(xié)議是不適用于 WSN的。研究人員提出了許多 WSN 的路 由協(xié)議,這些路由協(xié)議重點考慮方面都是能量效率和傳輸流。在 WSN網(wǎng)絡(luò)層中 ,要 研究 2種路由方法 :基于位置的路由和基

17、于簇的路由。 WSN網(wǎng)絡(luò)層未來研究的問題 應(yīng)是解決網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)安全、 QoS、和動態(tài)拓撲結(jié)構(gòu)路由。在可移動應(yīng)用領(lǐng)域中的傳 感器節(jié)點需要有能解決拓撲結(jié)構(gòu)頻繁變化和可靠傳輸問題的新路由協(xié)議。傳輸層提供可靠的源地址和基站數(shù)據(jù)傳輸。 WSN 的傳輸層協(xié)議應(yīng)該支持多種 應(yīng)用、變量的可靠性、數(shù)據(jù)包丟失的恢復(fù)、和擁塞控制機制。 WSN 的主要目標是 通過檢測網(wǎng)絡(luò)的擁塞和可靠的狀態(tài)來實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸 ;WSN 的傳輸層協(xié)議仍然 還有待深入研究 ,比如跨層協(xié)作、擁塞控制、和公平性 ;跨層協(xié)作可以提高傳輸協(xié)議 的性能 ;擁塞控制機制集中于信道的管理 ,當(dāng)擁塞發(fā)生時 ,解決辦法是對源地址的數(shù)據(jù) 率進行動態(tài)的調(diào)整 ;

18、傳輸層協(xié)議保證傳感器節(jié)點間公平性的辦法是分配帶有優(yōu)先權(quán) 的數(shù)據(jù)包。經(jīng)常發(fā)生變化的拓撲 WSN 確保公平性的問題還沒有廣泛的探索。盡管現(xiàn)在 WSN 的許多應(yīng)用領(lǐng)域已被定義 ,但其潛在的應(yīng)用層協(xié)議仍然是一個很 大的未開發(fā)的領(lǐng)域。目前有 3 種可能的應(yīng)用層協(xié)議 :傳感器管理協(xié)議 (SMP、任務(wù)分 配和數(shù)據(jù)詢問協(xié)議 (TADAP 以及傳感器詢問和數(shù)據(jù)傳播協(xié)議 (SQDDP。這 3 種協(xié)議 都是開放性的協(xié)議。雖然這 3 種協(xié)議有很好的服務(wù)能力 ,但是其他的應(yīng)用層協(xié)議仍 然需要被深入開發(fā)以提供高性能的服務(wù)。下面介紹能量管理、移動管理、任務(wù)管理。能量管理負責(zé)傳感器節(jié)點如何使用 它的能量。移動管理用來監(jiān)測并記

19、錄傳感器的移動 ,以致到達用戶的路由能夠一直 被保存下來。任務(wù)管理負責(zé)平衡和安排對特定區(qū)域的感應(yīng)任務(wù),并非在一個區(qū)域中所有的節(jié)點在同一時間執(zhí)行感應(yīng)任務(wù)。有了這些管理界面 ,使得傳感器節(jié)點以節(jié)能 的方式進行協(xié)同工作 ,在移動的傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù) ,分享資源。3WSN 研究的關(guān)鍵問題3.1時間同步技術(shù)時間同步技術(shù)是完成實時信息采集的基本要求 ,也是提高定位精度的關(guān)鍵手 段。常用方法是通過時間同步協(xié)議完成節(jié)點間的對時 ,通過濾波技術(shù)抑制時鐘噪聲 和漂移。備受關(guān)注的方法是利用耦合振蕩器的同步技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)無狀態(tài)自然同步方 法。這是一種高效的、可無限擴展的時間同步新技術(shù)。3.2 節(jié)點定位技術(shù)WSN 的定

20、位是指自組織網(wǎng)絡(luò)通過特定方法提供節(jié)點位置信息。這種自組織網(wǎng) 絡(luò)定位分為自身定位和目標定位。 WSN 是電池供電的自組織多跳網(wǎng)絡(luò) ,電能和有效 帶寬受到很大的限制 ,因此 ,在定位服務(wù)方面有一些特有的技術(shù)指標 :功耗、占用帶 寬、節(jié)點密度、可擴展性和魯棒性等。3.3容錯設(shè)計技術(shù)WSN 容錯是指網(wǎng)絡(luò)中某個節(jié)點或節(jié)點的某些部件發(fā)生故障時 ,網(wǎng)絡(luò)仍然能夠完 成指定的任務(wù)。 WSN 是一個新興的研究和工程領(lǐng)域 ,處理特定問題的最優(yōu)方法還不 明確。 WSN的技術(shù)和預(yù)期應(yīng)用還在快速地變化著 ,所以在特定傳感器網(wǎng)絡(luò)中容錯處 理還難以預(yù)見。3.4 安全設(shè)計技術(shù) 由于無線信道的廣播特性和自組織的組網(wǎng)特性82第 9

21、 卷第 6 期丁洪偉 ,等 : 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究進展都使得傳感器網(wǎng)絡(luò)容易受到被動攻擊和主動攻擊。另外傳感器網(wǎng)絡(luò)還面臨一種 不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的攻擊行為 能量消耗攻擊 :攻擊者通過發(fā)起不必要的通信 ,剝 奪能量受限節(jié)點的睡眠 ,達到快速消耗節(jié)點電能的目的。在這種攻擊下 ,關(guān)鍵節(jié)點的 能量被耗盡 ,可以導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)通信崩潰。4WSN 的應(yīng)用4.1WSN 在醫(yī)療健康方面的應(yīng)用哈佛大學(xué)的一個研究小組利用 WSN 構(gòu)建了一個醫(yī)療監(jiān)測平臺。利用 WSN 技 術(shù),病人便可擺脫線纜的束縛 ,自由活動 ,醫(yī)生手持 PDA,可以隨時接收報警消息或查 詢病人狀況。該系統(tǒng)已經(jīng)在波士頓附近的醫(yī)院里進行測試。4.2WSN

22、在農(nóng)業(yè)及環(huán)境方面的應(yīng)用WSN 在農(nóng)業(yè)及環(huán)境的應(yīng)用包括 :對影響農(nóng)作物的環(huán)境的監(jiān)控 ,對鳥類、昆蟲等小 動物運動的追蹤 ,對海洋、土壤、大氣成分的探測 ,對森林防火的監(jiān)測 ,對污染的監(jiān)控 , 對降雨量 ,河水水位 ,洪水的監(jiān)測等。4.3WSN 在工業(yè)安全方面的應(yīng)用北京郵電大學(xué)的研究人員開展了煤礦瓦斯報警和礦工定位無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 的研究 ,一個節(jié)點上包括了溫濕度傳感器、瓦斯傳感器、粉末傳感器等。傳感器網(wǎng) 絡(luò)經(jīng)防爆處理和技術(shù)優(yōu)化后 ,可用于危險工作環(huán)境 ,煤礦工作的員工及其周圍環(huán)境將 可以得到隨時監(jiān)控。5總結(jié)與展望本文主要介紹了 WSN 的特點、體系結(jié)構(gòu)、研究熱點、及應(yīng)用。通過對 WSN 技術(shù)方

23、面的總結(jié) ,發(fā)現(xiàn) WSN 要真正實現(xiàn)大規(guī)模地應(yīng)用到人們生活的各個方面 ,還有 許多重要問題和技術(shù)亟待研究人員去研究和解決。經(jīng)過 10 余年的醞釀、嘗試、和 爭論,WSN研究的科學(xué)意義和應(yīng)用價值已經(jīng)逐漸明晰。由于 WSN 應(yīng)用前景非常誘 人 ,它不僅在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境、醫(yī)療等領(lǐng)域具有巨大的運用價值 ,而且在未來還會 在許多新興領(lǐng)域體現(xiàn)其巨大的優(yōu)越性。 WSN 這一新興技術(shù)將為人們提供一種全新 的獲取信息、處理信息的途徑。 WSN 的發(fā)展對國家和社會來說意義重大 ,國內(nèi)外對 于 WSN 的研究正熱烈開展 ,因此國內(nèi)企業(yè)應(yīng)該抓住商機 , 加大投入力度 ,推動整個 WSN 行業(yè)的發(fā)展。參考文獻1Yig

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