無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)論文：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)論文：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)摘要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是多學(xué)科融合的結(jié)果，其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，應(yīng)用前景無限，受到政府、學(xué)術(shù)界和工業(yè)界越來越廣泛的重視。介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本概念及其應(yīng)用結(jié)構(gòu)和體系結(jié)構(gòu)，總結(jié)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，簡(jiǎn)要介紹當(dāng)前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究熱點(diǎn)的最新進(jìn)展，并對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了論述。 關(guān)鍵字：無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2011）05-0139-02 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，它將信息采集、傳輸和處理集于一體，實(shí)現(xiàn)了傳

2、感器、通信和計(jì)算機(jī)等技術(shù)的融合1。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)正逐漸成為現(xiàn)代信息技術(shù)中的一個(gè)熱門的研究領(lǐng)域，受到廣泛關(guān)注。美國的“Business Week”曾在 1999年預(yù)測(cè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將成為2l世紀(jì)最有影響力的2l項(xiàng)技術(shù)之一2。 1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念及其演化歷程 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)是由部署在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者作進(jìn)一步處理和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了物理世界、計(jì)算世界以及類社會(huì)三元世界的連通。一個(gè)WSN主要包括傳感器節(jié)點(diǎn)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程通信網(wǎng)、管理中心、用戶等元素。WSN經(jīng)

3、歷了智能傳感器、無線智能傳感器、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)3個(gè)階段。 3 2、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究現(xiàn)狀 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域，因而包含眾多研究方向，目前的研究主要集中在如下幾方面： 2.1 MAC協(xié)議的研究 MAC協(xié)議解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的通信沖突問題，控制無線通信模塊的運(yùn)行，MAC層的運(yùn)行效率直接反應(yīng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量效率， MAC協(xié)議成為WSN最為活躍的研究熱點(diǎn)。MAC協(xié)議一般采用“偵聽/休眠”交替的信道偵聽機(jī)制，以減少空閑偵聽，節(jié)約能耗。根據(jù)協(xié)議中為減少數(shù)據(jù)碰撞和串音現(xiàn)象而采用的不同方法，可以將MAC協(xié)議分為三類：(1)利用時(shí)分復(fù)用(TDMA)的方式為各節(jié)點(diǎn)分配獨(dú)立固定的

4、信道；(2)通過頻分復(fù)用(FDMA)或者碼分復(fù)用(CDMA)的方式，實(shí)現(xiàn)無沖突的強(qiáng)制信道分配；(3)通過競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，保證節(jié)點(diǎn)隨機(jī)使用信道并且不受其他節(jié)點(diǎn)的干擾。4 在MAC協(xié)議研究中，Ye.W等提出了WSN最經(jīng)典的基于睡眠的MAC協(xié)議S-MAC5。 Ahn G-S等研究了在最后兩跳內(nèi)采用時(shí)分復(fù)用方式緩解由最后兩跳沖突引入的“漏斗”效應(yīng)6。Rajendran V等研究了WSN中無競(jìng)爭(zhēng)訪問的高能效方法7。Zhai H和Kim Y等則研究了基于多射頻、多信道的MAC協(xié)議8、9。  Zhu H等研究了適應(yīng)鏈路特性的多鏈路MAC控制機(jī)制10。美國電氣電子工程師學(xué)會(huì)(IEEE)制定了主要

5、用于傳感器網(wǎng)絡(luò)中的EEE802154標(biāo)準(zhǔn)，它定義了協(xié)議棧中的MAC層和物理層，為廉價(jià)設(shè)備提供了一種極低復(fù)雜度、成本和功耗、低數(shù)據(jù)率的無線互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)11。 2.2 路由協(xié)議的研究 路由協(xié)議負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)分組,從源節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)。它主要包括對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、尋找源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)間的優(yōu)化路徑、將數(shù)據(jù)分組沿著優(yōu)化路徑正確轉(zhuǎn)發(fā)等功能。 近幾年，對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議和設(shè)計(jì)方法的研究不斷深入，Gandham S等利用圖論中流量?jī)?yōu)化的方法為采樣數(shù)據(jù)報(bào)選擇路由12；Rugin R等將MAC層和路由層協(xié)議捆綁，用跨層優(yōu)化技術(shù)來進(jìn)一步節(jié)省路由功耗13；Wang X等設(shè)計(jì)的路由能對(duì)隨機(jī)部署的傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自適應(yīng)

6、調(diào)整網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌⒆屓哂喙?jié)點(diǎn)經(jīng)常處于睡眠狀態(tài)14；戴世瑾，李樂民提出一種能夠根據(jù)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)自主競(jìng)爭(zhēng)簇首的分布式高效節(jié)能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集和路由協(xié)議HEEDC15；李凌晶等提出能量有效的可信路由協(xié)議(EERRP)，它采用一種能量均衡策略，使網(wǎng)絡(luò)中的能量均衡消耗，將網(wǎng)絡(luò)生命周期最大化。同時(shí)，EERRP引入了信譽(yù)評(píng)價(jià)機(jī)制，通過節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)傳輸過程中對(duì)其它節(jié)點(diǎn)行為的監(jiān)測(cè)以及信譽(yù)傳播，使數(shù)據(jù)在通信過程中能夠盡可能地避開問題節(jié)點(diǎn)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)，達(dá)到可信數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康?6。 2.3 定位技術(shù) 只有結(jié)合位置信息，傳感器獲取的數(shù)據(jù)才有實(shí)際意義。傳感器節(jié)點(diǎn)必須明確自身位置才能詳細(xì)說明“在什么位置或區(qū)域發(fā)生了特定事件

7、”,實(shí)現(xiàn)對(duì)外部目標(biāo)的定位和追蹤。了解傳感器節(jié)點(diǎn)位置信息可以提高路由效率，可以使WSN系統(tǒng)智能地選擇一些特定的節(jié)點(diǎn)來完成任務(wù)，從而大大降低整個(gè)系統(tǒng)的能耗，提高系統(tǒng)的存活時(shí)間。 目前主要的定位算法主要有：SPA（ self positioning algorithm）相對(duì)定位算法、凸規(guī)劃定位算法、DV-Hop 定位算法、DV-distance 定位算法、Euclidean 定位算法、DV-coordinate 定位算法、DV-Bearing 和DV-Radial 定位算法等。 2.4 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與拓?fù)淇刂?無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是指它采用什么樣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來組織節(jié)點(diǎn)。根據(jù)是否有基礎(chǔ)設(shè)施支持、是否有移

8、動(dòng)終端參與、匯報(bào)頻度與延遲等應(yīng)用需求，主要有以下幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)： (1)扁平結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)中的所有節(jié)點(diǎn)的角色相同，通過相互協(xié)作完成數(shù)據(jù)的交流和匯聚。最經(jīng)典的定向擴(kuò)散路由(Direct Diffusion)研究的就是這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 (2)基于分簇的層次型結(jié)構(gòu)。節(jié)點(diǎn)分為普通傳感節(jié)點(diǎn)和用于數(shù)據(jù)匯聚的簇頭節(jié)點(diǎn)，傳感節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)先發(fā)送到簇頭節(jié)點(diǎn)，然后南簇頭節(jié)點(diǎn)匯聚到后臺(tái)。簇頭節(jié)點(diǎn)需要完成更多的工作、消耗更多的能量。 (3)網(wǎng)狀網(wǎng)(Mesh)結(jié)構(gòu)。在傳感器節(jié)點(diǎn)形成的網(wǎng)絡(luò)上增加一層同定無線網(wǎng)絡(luò)，來收集傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，另一方面實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間的信息通信，以及網(wǎng)內(nèi)融合處理。Akyildiz L F等總結(jié)了無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的

9、應(yīng)用模式。 (4)移動(dòng)匯聚結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，使用移動(dòng)終端收集目標(biāo)區(qū)域的傳感數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)發(fā)到后端服務(wù)器。移動(dòng)匯聚可以提高網(wǎng)絡(luò)的容量，但數(shù)據(jù)的傳遞延遲與移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)的軌跡相關(guān)。如何控制移動(dòng)終端軌跡和速率是該模式研究的重要目標(biāo)。Kim等 提出的SEAD分發(fā)協(xié)議就是針對(duì)這種組網(wǎng)模式。Kim.H和Bi.Y等研究了該種結(jié)構(gòu)。 (5) 機(jī)會(huì)通信模式。該結(jié)構(gòu)中的傳感節(jié)點(diǎn)全部為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，它們通過與固定的Mesh網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信(移動(dòng)產(chǎn)生的通信機(jī)會(huì))。 組網(wǎng)模式?jīng)Q定了網(wǎng)絡(luò)的總體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但為了實(shí)現(xiàn)WSN網(wǎng)絡(luò)的低能耗運(yùn)行，還需要對(duì)節(jié)點(diǎn)連接關(guān)系的時(shí)變規(guī)律進(jìn)行細(xì)粒度控制，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的連通(實(shí)時(shí)連通或者機(jī)會(huì)連通)的同時(shí)保

10、證信息的能量高效、可靠的傳輸。 Kumar S等研究了在睡眠喚醒進(jìn)行能耗控制的網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)k 連通的條件17。Chen A等研究了柵欄(邊界)防護(hù)應(yīng)用中的拓?fù)涓采w問題18。Li X則通過圖理論研究無線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂扑惴?9。Wang X、Ye F、Schurgers C和Lu G等學(xué)者研究了如何利用連通的骨干網(wǎng)絡(luò)減少網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)開銷，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期問題20。  2.5 能量管理 節(jié)能是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量管理的重點(diǎn)，它幾乎貫穿無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的各個(gè)方面。目前，主要從傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和節(jié)點(diǎn)休眠與工作管理、MAC協(xié)議和路由協(xié)議設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理、節(jié)點(diǎn)定位、時(shí)間同步都等方面統(tǒng)籌處理無線傳感器網(wǎng)

11、絡(luò)節(jié)能問題。如文獻(xiàn)15、16設(shè)計(jì)了帶有能量控制的路由算法和數(shù)據(jù)收集算法，以節(jié)省資源，從而延長網(wǎng)絡(luò)壽命。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其支撐技術(shù)很多，研究熱點(diǎn)也很多，如網(wǎng)絡(luò)安全問題、時(shí)間同步問題、數(shù)據(jù)管理和信息融合等，許多研究者已對(duì)此做了相關(guān)研究。 3、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 多年來經(jīng)過不同領(lǐng)域研究人員的演繹，WSN技術(shù)在軍事領(lǐng)域、精細(xì)農(nóng)業(yè)、安全監(jiān)控、環(huán)保監(jiān)測(cè)、建筑領(lǐng)域、醫(yī)療監(jiān)護(hù)、工業(yè)監(jiān)控、智能交通、物流管理、自由空間探索、智能家居等領(lǐng)域的應(yīng)用得到了充分的肯定和展示。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的深入應(yīng)用，以下方面將是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。 (1)仿真平臺(tái)：目前存在的許多WNS仿真平臺(tái)，都具有某些使用的

12、局限性。因此標(biāo)準(zhǔn)仿真技術(shù)與工具的研究是WNS領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)之一。 (2)傳感器節(jié)點(diǎn)的研發(fā)：在不同應(yīng)用領(lǐng)域，傳感器節(jié)點(diǎn)類型不同。研發(fā)新型、成本低、功耗低的傳感器節(jié)點(diǎn)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展中的一項(xiàng)重要事宜。 (3)節(jié)點(diǎn)定位算法及其評(píng)價(jià)模型：目前已有許多定位算法，進(jìn)一步的定位算法研究主要針對(duì)如何利用少數(shù)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)提供的位置信息和其它節(jié)點(diǎn)的通信之間的約束進(jìn)行低成本、高精度地估算未知節(jié)點(diǎn)，尤其是移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置。 (4)跨層設(shè)計(jì)：跨層設(shè)計(jì)的目標(biāo)能夠?qū)崿F(xiàn)邏輯上不相鄰的協(xié)議層之間的設(shè)計(jì)互動(dòng)與性能平衡，使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量管理、低功耗設(shè)計(jì)等達(dá)到更優(yōu)。 (5)網(wǎng)絡(luò)融合研究：具有數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理和傳輸功能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)只有與現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)等的融合,才能夠使其得以借助這兩種傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳遞信息，才能利用傳感信息實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的創(chuàng)新。 (6)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在成熟產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用研究：努力與現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行無縫連接是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)持續(xù)發(fā)展的重要基石，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步產(chǎn)業(yè)化、市場(chǎng)化的關(guān)鍵。 4、結(jié)語