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1、引言 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )（Wireless Sensor Network）是由大規模部署的成百上千的節點(diǎn)構成。這些微傳感器節點(diǎn)具有感知能力、無(wú)線(xiàn)通信能力以及計算能力。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展得益于微機電系統以及處理器、存儲技術(shù)的發(fā)展，這些發(fā)展使得制造低功率、微體積、低成本的微傳感器節點(diǎn)逐步成為現實(shí)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和通信技術(shù)，各個(gè)節點(diǎn)能夠協(xié)同地實(shí)時(shí)監測、感知和采集網(wǎng)絡(luò )分布區域內的各種環(huán)境或監測對象的信息，并將處理后的信息傳送到需要這些信息的用戶(hù)（觀(guān)察者）。 由于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )具有可快速部署、可自組織和高容錯性的特點(diǎn)，因此非常適合在軍事上應用。比如通過(guò)飛機將傳感器節點(diǎn)撒播在戰場(chǎng)上，可以組成網(wǎng)絡(luò )對戰場(chǎng)中化學(xué)武器的使用、敵方車(chē)輛和士兵的運動(dòng)進(jìn)行及時(shí)的監測和報告。同時(shí)，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )對于比較惡劣的環(huán)境和人不宜到達的場(chǎng)所也非常適用，比如荒島上的環(huán)境和生態(tài)監控，原始森林的防火和動(dòng)物活動(dòng)情況監測，污染區域以及地震和火災等突發(fā)災難現場(chǎng)的監控。另外，它還可用于城市的交通監測，醫療機構的病員及環(huán)境監測，大型車(chē)間原材料和倉庫貨物進(jìn)出情況的監測，以及機場(chǎng)、大型工業(yè)園區的安全監測。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )可以使人們在任何時(shí)間、地點(diǎn)和任何環(huán)境條件下獲取大量信息。因此，這種網(wǎng)絡(luò )系統可以被廣泛地應用于國防軍事、國家安全、環(huán)境監測、交通管理、醫療衛生、制造業(yè)、反恐抗災等領(lǐng)域�？梢哉f(shuō)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是信息感知和采集的一場(chǎng)革命，是21世紀最重要的技術(shù)之一。 2、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò ) 在討論無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )之前，有必要了解無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的組成和協(xié)議框架。典型的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )如圖1所示。 圖1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的典型結構 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的協(xié)議框架如圖2所示，包括物理層、數據鏈路層、網(wǎng)絡(luò )層、傳輸層和應用層。物理層負責載波頻率的產(chǎn)生，信號的調制、解調等；數據鏈路層負責媒體接入和差錯控制，媒體接入協(xié)議可以在通信網(wǎng)絡(luò )中確保點(diǎn)對點(diǎn)和點(diǎn)對多點(diǎn)的連接；差錯控制則保證源節點(diǎn)發(fā)出的信息可以完整、無(wú)誤地到達目標節點(diǎn)；網(wǎng)絡(luò )層協(xié)議負責路由發(fā)現與維護，在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中占據著(zhù)重要的地位，可以說(shuō)路由協(xié)議的選擇是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )設計成功與否的關(guān)鍵。在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，大多數節點(diǎn)無(wú)法與匯聚網(wǎng)關(guān)/節點(diǎn)直接進(jìn)行通信，因此需要利用中間節點(diǎn)進(jìn)行路由轉發(fā)，以完成數據傳送�；诰W(wǎng)絡(luò )組建的目的，需要在應用層上開(kāi)發(fā)和使用不同的軟件系統。應用層管理協(xié)議使低層的硬件、軟件對于傳感器網(wǎng)絡(luò )的管理應用是透明的。當前主要的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )協(xié)議有傳感器管理協(xié)議SMP（Sensor Management Protocol），任務(wù)分配和數據通知協(xié)議TADAP（Task Assignment and Data Advertisement Protocol），傳感器查詢(xún)和數據分發(fā)協(xié)議SQDDP（Sensor Query and Data Dissemination Protocol）。 圖2 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的協(xié)議框架 由于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )通常是為特定應用設計的專(zhuān)用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，其各層次的協(xié)議設計得以在能量分配、移動(dòng)控制及應用優(yōu)化等各方面優(yōu)化，以獲得網(wǎng)絡(luò )的最佳性能。能量分配是延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )可用時(shí)間的必要需求，由于無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)通常由電池供電，能量分配在網(wǎng)絡(luò )設計中尤其重要。移動(dòng)管理完成檢測和注冊傳感器節點(diǎn)的移動(dòng)，維護到匯聚點(diǎn)的路由，使得傳感器節點(diǎn)能夠跟蹤它的鄰居。應用優(yōu)化根據具體的應用需求，管理應用實(shí)施，并在一個(gè)給定的部署區域內達到平衡并調度應用任務(wù)的目的。 與現有的IP網(wǎng)絡(luò )不同，傳感器網(wǎng)的突出特色是以數據為中心，有處理能力和傳輸能力限制，這使得其設計與現有IP網(wǎng)絡(luò )有很多不同。傳統的Internet網(wǎng)絡(luò )中為每個(gè)節點(diǎn)分配一個(gè)惟一的標識符，但在傳感器網(wǎng)絡(luò )中，由于傳感器節點(diǎn)被大量部署，為每個(gè)節點(diǎn)維護一個(gè)全局惟一的標識符將會(huì )帶來(lái)很大的額外開(kāi)銷(xiāo)。對于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )而言，最重要的是傳感數據能被成功地發(fā)送到觀(guān)察者，而無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的標識相對不太重要。 3、發(fā)展方向 大規模的傳感器網(wǎng)絡(luò )將產(chǎn)生海量的、各具特征的傳感數據。通常傳感數據經(jīng)單跳或多跳路由的方式，被發(fā)送到數據基站節點(diǎn)（Base Station Node）或數據接收發(fā)器，進(jìn)而傳送到觀(guān)察者（任務(wù)管理節點(diǎn)）。除了感知物理現象之外，傳感器節點(diǎn)通常還需承擔路由器節點(diǎn)的功能，為別的傳感器收集到的傳感數據提供轉發(fā)功能。由于被感知的物理現象的周?chē)赡艽嬖诙鄠�(gè)傳感器節點(diǎn)，因此傳感器感知到的數據通常是非常冗余的，在適當的時(shí)機完成冗余數據的網(wǎng)內聚合（in-Network Data Aggregation），對于減少通信量、節省能源是非常重要的，而減少通信量、節省能源則是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )長(cháng)期依賴(lài)的重要發(fā)展方向。另外，近些年對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的研究 和實(shí)踐表明，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )還在向多應用和異構化方向發(fā)展。 3.1 多應用 隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展，同一傳感器網(wǎng)絡(luò )將從支持單一應用向支持多種不同應用發(fā)展，大規模的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中將包括大量的異構的傳感器節點(diǎn)。作為以數據為中心的網(wǎng)絡(luò )，這樣的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中將產(chǎn)生具有不同屬性的、海量的傳感數據。例如，在一個(gè)綜合型大樓內采用大規模的傳感網(wǎng)，可要求傳感器網(wǎng)提供以下的服務(wù)：溫度和濕度傳感器負責監測大樓各部分的溫度和濕度，并為中央空調提供調節的依據；需要移動(dòng)目標監測傳感器，監測大樓內部的人員分布情況，為分布式空調調節提供依據；需要視頻傳感器用于大樓安全�？梢元毩⒌夭渴疬@些傳感器，也可以將不同的傳感功能集合到同一傳感器節點(diǎn)。所用傳感器節點(diǎn)的功能不一定相同，它們產(chǎn)生的傳感數據種類(lèi)可能不同，同時(shí)由于需要滿(mǎn)足不同的服務(wù)質(zhì)量要求，傳感數據的分發(fā)速率也可能不同。 3.2 異構化 隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)的發(fā)展，傳感器網(wǎng)內部的異構性（Heterogeneous）逐漸突出。除了傳感器種類(lèi)的不同導致傳感數據種類(lèi)不同之外，傳感器節點(diǎn)的異構性還體現在節點(diǎn)的能源狀況、通信能力、通信愿望、數據處理能力和數據處理愿望等。通信能力包括節點(diǎn)發(fā)送、接收數據的能力，轉發(fā)（路由）數據的能力。通信愿望是指節點(diǎn)當前是否愿意參與網(wǎng)絡(luò )通信；當節約能源不夠充�；蛘呤且驗楫斍爸�?chē)h(huán)境很差、能夠成功通信的概率很小時(shí)，節點(diǎn)可主動(dòng)暫時(shí)退出網(wǎng)絡(luò )通信。數據處理能力是指傳感器節點(diǎn)是否能夠完成網(wǎng)內數據聚合。部分節點(diǎn)可能不具有網(wǎng)內數據處理能力，或者為了節能或其它原因，暫時(shí)不參與網(wǎng)內數據處理。傳感器節點(diǎn)之間的無(wú)線(xiàn)通信鏈路也不一定相同。 4、路由需求 路由問(wèn)題是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的一個(gè)非常重要的問(wèn)題，長(cháng)期依賴(lài)是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )研究的重點(diǎn)�，F有的路由方法可以從網(wǎng)絡(luò )體系結構上分為兩種類(lèi)型：平面型路由和分級路由算法。 平面型路由算法中，采用多跳方式完成數據從源節點(diǎn)到基站節點(diǎn)的傳送。節點(diǎn)不僅同構，并且承擔相同的角色：既感知環(huán)境收集傳感數據，又作為路由器完成路由查詢(xún)和數據轉發(fā)。平面型路由算法中，最著(zhù)名的是基于談判的SPIN算法和定向發(fā)布算法。 SPIN算法假定每個(gè)節點(diǎn)都是潛在的基站節點(diǎn)，需要將每個(gè)節點(diǎn)的傳感數據向其它節點(diǎn)分發(fā)。用戶(hù)在查詢(xún)任意節點(diǎn)時(shí)，都能很快得到所需要的數據。 SPIN算法中引入了談判機制，能夠避免洪泛型路由為傳感網(wǎng)帶來(lái)過(guò)量的傳感數據，從而節約能源。其改進(jìn)算法SPIN-2能夠根據自己的能源狀況，決定是否減少參與轉發(fā)其它節點(diǎn)的數據。SPIN最大的問(wèn)題在于無(wú)法保證數據的送達。如果對某些傳感數據感興趣的節點(diǎn)遠離感知數據的源節點(diǎn)，而源節點(diǎn)與目的節點(diǎn)之間的中間節點(diǎn)對這些數據不感興趣，數據將不能被送達目的節點(diǎn)。所以SPIN算法不可能提供服務(wù)質(zhì)量的保證。定向發(fā)布算法也是一種典型的多通路算法，采用洪泛的方式將查詢(xún)注入網(wǎng)絡(luò )，在產(chǎn)生傳感數據的源節點(diǎn)和收集數據的基站節點(diǎn)間建立多條通路。多條通路的使用能夠提高網(wǎng)絡(luò )的可靠，提供魯棒的數據路由。但是冗余數據在多條通路中傳送會(huì )導致通信量大增，定向擴散算法引入了網(wǎng)內數據聚合來(lái)去掉冗余數據，減少通信量，節約能源。很多研究者在定向發(fā)布算法的基礎上提出了改進(jìn)，以提高能源利用率、降低能源消耗、防止部分節點(diǎn)的能源過(guò)度消耗。 上述的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中數據路由的研究主要針對同構的傳感器節點(diǎn)相互協(xié)作，進(jìn)行數據收集、處理和路由，完成傳感任務(wù)。收集網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)信息是實(shí)現數據路由的基礎，但是網(wǎng)絡(luò )的異構發(fā)展為異構無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)中收集網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)信息帶來(lái)了更大的挑戰。描述異構的節點(diǎn)、鏈路的狀態(tài)信息需要更多的數據量。由于整個(gè)網(wǎng)絡(luò )中可能存在大量的傳感器節點(diǎn)，對應著(zhù)大量的資源狀態(tài)信息，要將所有節點(diǎn)、鏈路的所有信息完整、及時(shí)地發(fā)送到每個(gè)節點(diǎn)是不現實(shí)的。在網(wǎng)絡(luò )中發(fā)送洪泛信息將消耗大量的能源，甚至可能造成網(wǎng)絡(luò )的擁塞，使異構無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )無(wú)法完成傳感數據的傳送。因此，研究高效、動(dòng)態(tài)地匯聚、分發(fā)和更新網(wǎng)絡(luò )資源狀態(tài)信息的協(xié)議對異構無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是非常重要的。 很多傳感應用中對傳感數據的路由有服務(wù)質(zhì)量要求，比如監測環(huán)境溫度的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，必須將感知到的異常的溫度數據（比如火災發(fā)生時(shí)）及時(shí)傳送到觀(guān)察者。如果不能及時(shí)傳送到，觀(guān)察者和決策系統就無(wú)法作出及時(shí)的響應，傳感數據就失去了采集的意義。在同構的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，在為有傳輸時(shí)延限制的傳感數據尋找路由時(shí)，通常只需考慮通信鏈路的時(shí)延。在異構的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，在選擇路由時(shí)，還必須將潛在的通路中各個(gè)節點(diǎn)的不同通信能力、通信愿望以及通信鏈路的質(zhì)量等因素納入考慮范圍。因此，需要研究異構無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中支持服務(wù)質(zhì)量的數據路由算法。 在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，傳感器節點(diǎn)經(jīng)常由于環(huán)境的變化或電源耗盡而失效。同時(shí)由于傳感器節點(diǎn)的通信能力有限，而無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)又常常部署在 惡劣的環(huán)境中，傳感器節點(diǎn)之間的通信容易受各種自然因素的影響而導致失敗。這些都會(huì )導致網(wǎng)絡(luò )拓撲的變化。異構傳感器網(wǎng)絡(luò )的信息是海量的，這些信息來(lái)源于異構動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò )，存在大量的冗余數據和不可靠的數據，研究魯棒路由算法，對支持傳感數據被可靠、正確地轉發(fā)到基站節點(diǎn)是非常必要的。在異構無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，不同的傳感器節點(diǎn)可能具有不同的通信愿望和通信能力，這使得可靠、正確地發(fā)送傳感數據變得更為困難。特別地，當缺乏網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)信息（甚至有關(guān)信息有）時(shí)，異構無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )需要魯棒性很強的路由算法來(lái)保證數據的可靠發(fā)送。 5、結束語(yǔ) 在本文中我們探討了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的結構和協(xié)議框架，指出了現有傳感器網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展已經(jīng)顯現了異構性和多應用化的發(fā)展趨勢，分析了未來(lái)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的路由改進(jìn)需求。 |
