1、無線傳感器網絡技術論文：無線傳感器網絡技術發展現狀及趨勢摘要：無線傳感器網絡是多學科融合的結果，其應用領域廣泛，應用前景無限，受到政府、學術界和工業界越來越廣泛的重視。介紹了無線傳感器網絡的基本概念及其應用結構和體系結構，總結了無線傳感器網絡的特點，簡要介紹當前無線傳感器網絡技術研究熱點的最新進展，并對無線傳感器網絡及其技術的發展趨勢進行了論述。 關鍵字：無線傳感器網絡 網絡體系結構 網絡協議 中圖分類號：TP393文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2011）05-0139-02 無線傳感器網絡是傳感器技術、通信技術和計算機技術發展的產物，它將信息采集、傳輸和處理集于一體，實現了傳

2、感器、通信和計算機等技術的融合1。無線傳感器網絡正逐漸成為現代信息技術中的一個熱門的研究領域，受到廣泛關注。美國的“Business Week”曾在 1999年預測無線傳感器網絡將成為2l世紀最有影響力的2l項技術之一2。 1、無線傳感器網絡的概念及其演化歷程 無線傳感器網絡(WSN)是由部署在檢測區域內大量的傳感器節點通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織網絡系統，目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中感知對象的信息，并發送給觀察者作進一步處理和應用，實現了物理世界、計算世界以及類社會三元世界的連通。一個WSN主要包括傳感器節點、無線傳感器網絡、遠程通信網、管理中心、用戶等元素。WSN經

3、歷了智能傳感器、無線智能傳感器、無線傳感器網絡3個階段。 3 2、無線傳感器網絡技術研究現狀 無線傳感器網絡技術是多學科交叉的研究領域，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協議的研究 MAC協議解決無線傳感器網絡中的通信沖突問題，控制無線通信模塊的運行，MAC層的運行效率直接反應整個網絡的能量效率， MAC協議成為WSN最為活躍的研究熱點。MAC協議一般采用“偵聽/休眠”交替的信道偵聽機制，以減少空閑偵聽，節約能耗。根據協議中為減少數據碰撞和串音現象而采用的不同方法，可以將MAC協議分為三類：(1)利用時分復用(TDMA)的方式為各節點分配獨立固定的

4、信道；(2)通過頻分復用(FDMA)或者碼分復用(CDMA)的方式，實現無沖突的強制信道分配；(3)通過競爭機制，保證節點隨機使用信道并且不受其他節點的干擾。4 在MAC協議研究中，Ye.W等提出了WSN最經典的基于睡眠的MAC協議S-MAC5。 Ahn G-S等研究了在最后兩跳內采用時分復用方式緩解由最后兩跳沖突引入的“漏斗”效應6。Rajendran V等研究了WSN中無競爭訪問的高能效方法7。Zhai H和Kim Y等則研究了基于多射頻、多信道的MAC協議8、9。  Zhu H等研究了適應鏈路特性的多鏈路MAC控制機制10。美國電氣電子工程師學會(IEEE)制定了主要

5、用于傳感器網絡中的EEE802154標準，它定義了協議棧中的MAC層和物理層，為廉價設備提供了一種極低復雜度、成本和功耗、低數據率的無線互聯標準11。 2.2 路由協議的研究 路由協議負責將數據分組,從源節點通過網絡轉發到目的節點。它主要包括對數據進行編碼、尋找源節點和目的節點間的優化路徑、將數據分組沿著優化路徑正確轉發等功能。 近幾年，對傳感器網絡的路由協議和設計方法的研究不斷深入，Gandham S等利用圖論中流量優化的方法為采樣數據報選擇路由12；Rugin R等將MAC層和路由層協議捆綁，用跨層優化技術來進一步節省路由功耗13；Wang X等設計的路由能對隨機部署的傳感器網絡進行自適應

6、調整網絡拓撲，并讓冗余節點經常處于睡眠狀態14；戴世瑾，李樂民提出一種能夠根據節點狀態自主競爭簇首的分布式高效節能的無線傳感器網絡數據收集和路由協議HEEDC15；李凌晶等提出能量有效的可信路由協議(EERRP)，它采用一種能量均衡策略，使網絡中的能量均衡消耗，將網絡生命周期最大化。同時，EERRP引入了信譽評價機制，通過節點在數據傳輸過程中對其它節點行為的監測以及信譽傳播，使數據在通信過程中能夠盡可能地避開問題節點到達目的節點，達到可信數據傳輸的目的16。 2.3 定位技術 只有結合位置信息，傳感器獲取的數據才有實際意義。傳感器節點必須明確自身位置才能詳細說明“在什么位置或區域發生了特定事件

7、”,實現對外部目標的定位和追蹤。了解傳感器節點位置信息可以提高路由效率，可以使WSN系統智能地選擇一些特定的節點來完成任務，從而大大降低整個系統的能耗，提高系統的存活時間。 目前主要的定位算法主要有：SPA（ self positioning algorithm）相對定位算法、凸規劃定位算法、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 拓撲結構與拓撲控制 無線傳感器網絡的拓撲結構是指它采用什么樣的網絡結構來組織節點。根據是否有基礎設施支持、是否有移

8、動終端參與、匯報頻度與延遲等應用需求，主要有以下幾種拓撲結構： (1)扁平結構。該結構中的所有節點的角色相同，通過相互協作完成數據的交流和匯聚。最經典的定向擴散路由(Direct Diffusion)研究的就是這種網絡結構。 (2)基于分簇的層次型結構。節點分為普通傳感節點和用于數據匯聚的簇頭節點，傳感節點將數據先發送到簇頭節點，然后南簇頭節點匯聚到后臺。簇頭節點需要完成更多的工作、消耗更多的能量。 (3)網狀網(Mesh)結構。在傳感器節點形成的網絡上增加一層同定無線網絡，來收集傳感節點數據，另一方面實現節點之間的信息通信，以及網內融合處理。Akyildiz L F等總結了無線Mesh網絡的

9、應用模式。 (4)移動匯聚結構。在這種結構中，使用移動終端收集目標區域的傳感數據，并轉發到后端服務器。移動匯聚可以提高網絡的容量，但數據的傳遞延遲與移動匯聚節點的軌跡相關。如何控制移動終端軌跡和速率是該模式研究的重要目標。Kim等 提出的SEAD分發協議就是針對這種組網模式。Kim.H和Bi.Y等研究了該種結構。 (5) 機會通信模式。該結構中的傳感節點全部為移動節點，它們通過與固定的Mesh網絡進行數據通信(移動產生的通信機會)。 組網模式決定了網絡的總體拓撲結構，但為了實現WSN網絡的低能耗運行，還需要對節點連接關系的時變規律進行細粒度控制，以實現網絡的連通(實時連通或者機會連通)的同時保

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行能耗控制的網絡中實現k 連通的條件17。Chen A等研究了柵欄(邊界)防護應用中的拓撲覆蓋問題18。Li X則通過圖理論研究無線網絡的拓撲控制算法19。Wang X、Ye F、Schurgers C和Lu G等學者研究了如何利用連通的骨干網絡減少網絡活動開銷，延長網絡生命周期問題20。  2.5 能量管理 節能是無線傳感器網絡能量管理的重點，它幾乎貫穿無線傳感器網絡發展的各個方面。目前，主要從傳感器節點的結構設計和節點休眠與工作管理、MAC協議和路由協議設計、數據處理、節點定位、時間同步都等方面統籌處理無線傳感器網

11、絡節能問題。如文獻15、16設計了帶有能量控制的路由算法和數據收集算法，以節省資源，從而延長網絡壽命。 無線傳感器網絡技術及其支撐技術很多，研究熱點也很多，如網絡安全問題、時間同步問題、數據管理和信息融合等，許多研究者已對此做了相關研究。 3、無線傳感器網絡技術的發展趨勢 多年來經過不同領域研究人員的演繹，WSN技術在軍事領域、精細農業、安全監控、環保監測、建筑領域、醫療監護、工業監控、智能交通、物流管理、自由空間探索、智能家居等領域的應用得到了充分的肯定和展示。無線傳感器網絡的深入應用，以下方面將是無線傳感器網絡領域的研究熱點。 (1)仿真平臺：目前存在的許多WNS仿真平臺，都具有某些使用的

12、局限性。因此標準仿真技術與工具的研究是WNS領域中的研究熱點之一。 (2)傳感器節點的研發：在不同應用領域，傳感器節點類型不同。研發新型、成本低、功耗低的傳感器節點是無線傳感器網絡技術發展中的一項重要事宜。 (3)節點定位算法及其評價模型：目前已有許多定位算法，進一步的定位算法研究主要針對如何利用少數信標節點提供的位置信息和其它節點的通信之間的約束進行低成本、高精度地估算未知節點，尤其是移動節點的位置。 (4)跨層設計：跨層設計的目標能夠實現邏輯上不相鄰的協議層之間的設計互動與性能平衡，使無線傳感器網絡的能量管理、低功耗設計等達到更優。 (5)網絡融合研究：具有數據采集、預處理和傳輸功能的無線傳感器網絡只有與現有互聯網、移動通信網等的融合,才能夠使其得以借助這兩種傳統網絡傳遞信息，才能利用傳感信息實現應用的創新。 (6)無線傳感器網絡在成熟產業中的應用研究：努力與現有系統進行無縫連接是無線傳感器網絡技術持續發展的重要基石，是無線傳感器網絡進一步產業化、市場化的關鍵。 4、結語